CN107332470B - 一种多方向振动发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多方向振动发电机，属压电发电技术领域。壳体由小筒、中筒和大筒构成，小筒顶壁上装有挂架，挂架内腔中装有钢球，钢球上装有导销，导销另一端设有端帽；导销上自下而上依次套有平衡弹簧、激励器和缓冲弹簧；激励器由台底和台壁构成，台底上装有调频质量块；平衡弹簧两端分别顶靠在台底和端帽上，缓冲弹簧两端分别顶靠在挂架和台底上；中筒顶壁上装有限位环，大筒顶壁上装有一组压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电片靠近大筒顶壁安装，压电振子自由端顶靠在台壁上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构；大筒的筒壁端部安装在底座上，底座上安装有电路板，电路板上设有能量转换电路及信息发射系统。

Description

一种多方向振动发电机
技术领域
本发明属于压电发电技术领域，具体涉及一种多方向振动发电机，为船舶定位跟踪系统供电。
背景技术
船舶定位跟踪系统在民用船舶上已得到广泛应用，为船舶的航行安全、及时救援、以及失联后的搜救等提供了有力的保障。然而，现有的定位跟踪系统都是基于发动机供电的，一旦船舶出现事故使发动机及整个电力系统失效时，定位跟踪系统也失去了其应有的功能。此外，现有的定位跟踪系统都是外置的，船舶失事进水时无法正常工作、船舶被不法分子劫持后定位系统也容易被关闭或破坏。近年来，为确保船舶定位系统安全可靠地工作，人们已经着手研究基于压电材料的自供电装置，称压电发电机或压电俘能器，以便与定位系统集成且被隐秘安装。然而，目前所提出的船舶定位跟踪系统用压电发电机大多直接利用压电振子上的附加质量惯性力激励，故只能收集某一固定振动方向的能量且谐振频率可调性差；最关键是压电振子工作中承受双向激励、产生双向弯曲变形，当船舶在风浪中振动或摇动幅度较大时，脆性压电材料易因所受拉应力过大而破碎。因此，为使压电发电机在船舶定位跟踪系统中得以实际应用，首先需要解决的关键问题是提高其振动方向的适应性、可靠性以及谐振频率的可调性。
发明内容
本发明提出一种多方向振动发电机，本发明采用的实施方案是：壳体为由小筒、中筒和大筒构成的阶梯型结构，小筒的顶壁上经螺钉安装有挂架，挂架的内腔中安装有钢球，钢球上经螺纹安装有导销，导销的另一端设有端帽；导销上自下而上依次套有平衡弹簧、激励器和缓冲弹簧；平衡弹簧和缓冲弹簧均为碟形弹簧，激励器为由一个台底和台壁构成的圆台型壳体，台底位于激励器的小端，台底套在导销上，台底上经螺钉安装有调频质量块；平衡弹簧上下两端分别顶靠在台底和端帽上，平衡弹簧置于激励器的内部；缓冲弹簧上下两端分别顶靠在挂架的端部和台底上，即碟形的缓冲弹簧的大端朝上安装。
中筒的顶壁上经螺钉安装有限位环，限位环的材料为弹性橡胶；大筒的顶壁上经螺钉和压环安装有一组压电振子，压电振子为由基板和压电片粘接而成的扇形或长方形悬臂梁，压电片靠近大筒的顶壁安装，压电振子的自由端顶靠在激励器的台壁上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且其自由端的弯曲变形量为其许用值的一半；压电振子为长方形时，其自由端变形量的许用值为
Figure BSA0000149590490000011
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure BSA0000149590490000012
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板厚度，H为压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片材料的杨氏模量，k31和/>
Figure BSA0000149590490000013
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的悬臂长度。
大筒的筒壁端部经螺钉安装在底座上，底座上经螺钉和垫圈安装有电路板，电路板上设有能量转换电路及信息发射系统，电路板经不同的导线组与各压电振子相连。
非工作状态下，即环境中无振动时，各压电振子的弯曲变形状态及其上压电片上的应力分布状态分别相同；当环境中存在垂直方向振动时，激励器沿导销上下振动；当环境中出现其它方向振动时，导销及激励器绕钢球中心摆动，且激励器沿导销移动或摆动；激励器任何位置变动都将改变压电振子与激励器的接触点，即改变压电振子的变形量及其压电片上的应力分布状态，压电片上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；当激励器沿导销或绕钢球摆动幅度较大并使压电振子与限位环接触时，压电振子自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子的变形特性由激励器沿导销振动及绕钢球摆动的状态所决定；在压电振子及激励器结构及尺度确定时，可通过平衡弹簧和缓冲弹簧的刚度及调频质量块的质量加以调整，实现与船舶颠簸振动频率相匹配；同时，因压电振子自身的基频远高于船舶的颠簸振动频率，故压电振子始终工作在一阶模态下，发电效果较好；此外，压电振子工作中仅受激励器的单向激励，且该激励方向使压电片承受压应力，压电振子在依靠其自身弹性力恢复变形时压电片上将不会出现拉应力或拉应力较小，故可靠性高。
本发明的多方向振动发电机，可旋转180度安装，即将底座置于壳体的上方。
优势与特色：可收集船舶航行时任意方向的颠簸和振动能量发电，环境适应能力强；压电振子自身无附加质量、基频高，可确保工作在一阶模态下，发电效果好，且系统基频易于通过附加弹簧及激励器的附加质量调节；工作中压电振子仅承受单向激励、产生单向弯曲变形、压电晶片仅承受压应力，故可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面图；
图2是图1中采用扇形压电振子时的A-A剖视图；
图3是图1中采用矩形压电振子时的A-A剖视图。
具体实施方式
壳体a为由小筒a1、中筒a2和大筒a3构成的阶梯型结构，小筒a1的顶壁上经螺钉安装有挂架b，挂架b的内腔b1中安装有钢球c，钢球c上经螺纹安装有导销d，导销d的另一端设有端帽d1；导销d上自下而上依次套有平衡弹簧e、激励器f和缓冲弹簧g；平衡弹簧e和缓冲弹簧g均为碟形弹簧，激励器f为由一个台底f1和台壁f2构成的圆台型壳体，台底f1位于激励器f的小端，台底f1套在导销d上，台底f1上经螺钉安装有调频质量块h；平衡弹簧e的上下两端分别顶靠在台底f1和端帽d1上，平衡弹簧e置于激励器f的内部；缓冲弹簧g的上下两端分别顶靠在挂架b的端部和台底f1上，即缓冲弹簧g的大端朝上安装。
中筒a2的顶壁上经螺钉安装有限位环i，限位环i的材料为弹性橡胶；大筒a3的顶壁上经螺钉和压环j安装有一组压电振子k，压电振子k为由基板k1和压电片k2粘接而成的扇形或长方形悬臂梁，压电片k2靠近大筒a3的顶壁安装，压电振子k的自由端顶靠在激励器f的台壁f2上；压电振子k安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且其自由端的弯曲变形量为其许用值的一半；压电振子k为长方形时，其自由端变形量的许用值为
Figure BSA0000149590490000031
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure BSA0000149590490000032
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板k1的厚度，H为压电振子k总厚度，Em和Ep分别为基板k1和压电片k2材料的杨氏模量，k31和
Figure BSA0000149590490000033
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子k的悬臂长度。
大筒a3的筒壁端部经螺钉安装在底座m上，底座m上经螺钉和垫圈n安装有电路板p，电路板p上设有能量转换电路及信息发射系统，电路板p经不同的导线组与各压电振子k相连接。
非工作状态下，即环境中无振动时，各压电振子k的弯曲变形状态及其上压电片k2上的应力分布状态分别相同；当环境中存在垂直方向振动时，激励器f沿导销d上下振动；当环境中出现其它方向振动时，导销d及激励器f绕钢球c中心摆动，且激励器f沿导销d移动或摆动；激励器f任何位置变动都将改变压电振子k与激励器f的接触点，即改变压电振子k的变形量及其压电片k2上的应力分布状态，压电片k2上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；当激励器f沿导销d或绕钢球c摆动幅度较大并使压电振子k与限位环i接触时，压电振子k自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片k2上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子k的变形特性由激励器f沿导销d振动及绕钢球c摆动的状态所决定；在压电振子k及激励器f结构及尺度确定时，可通过平衡弹簧e和缓冲弹簧g的刚度及调频质量块h的质量加以调整，实现与船舶颠簸振动频率相匹配；同时，因压电振子k自身的基频远高于船舶的颠簸振动频率，故压电振子始终工作在一阶模态下，发电效果较好；此外，压电振子k工作中仅承受激励器f的单向激励，且该激励方向使压电片k2承受压应力，压电振子k在依靠其自身弹性力恢复变形时压电片k2上将不会出现拉应力或拉应力较小，故可靠性高。
本发明的多方向振动发电机，可旋转180度安装，即将底座m置于壳体a的上方。

Claims (1)

1.一种多方向振动发电机，其特征在于：壳体为由小筒、中筒和大筒构成的阶梯型结构，小筒、中筒和大筒自上而下依次相连，小筒的顶壁上经螺钉安装有挂架，挂架的内腔中安装有钢球，钢球上经螺纹安装有导销，导销另一端设有端帽；导销上自下而上依次套有平衡弹簧、激励器和缓冲弹簧；平衡弹簧和缓冲弹簧均为碟形弹簧，激励器为由一个台底和圆锥形的台壁构成的端口朝下的圆锥台型壳体，激励器的台底直径小于端口直径，台底套在导销上，台底上端的外缘处经螺钉安装有环形的调频质量块；平衡弹簧上下两端分别顶靠在台底的下端和端帽上，平衡弹簧置于激励器的内部；缓冲弹簧上下两端分别顶靠在挂架端部和台底的上端，即碟形的缓冲弹簧的大端朝上安装；中筒的顶壁上经螺钉安装有限位环，限位环在中筒的顶壁上与小筒的交接处，限位环的材料为弹性橡胶；大筒的顶壁上经螺钉和压环均布地安装有一组压电振子，压电振子安装在大筒的顶壁与中筒的交接处，压环压在压电振子的下方；压电振子为由基板与其一侧的压电片粘接而成的扇形或长方形悬臂梁，压电片靠近大筒的顶壁安装，压电振子自由端顶靠在激励器的台壁上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且其自由端的弯曲变形量为其许用值的一半；压电振子为长方形时,其自由端变形量的许用值为
Figure QLYQS_1
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure QLYQS_2
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板厚度，H为压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片材料的杨氏模量，k31和/>
Figure QLYQS_3
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的悬臂长度；大筒的筒壁的下端经螺钉安装在底座上，底座上经螺钉和垫圈安装有电路板，电路板上设有能量转换电路及信息发射系统，电路板经不同的导线组与各压电振子相连。
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