CN107332471B - 一种低频车载振动发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低频车载振动发电机，属压电发电领域。装有限位磁铁的端盖安装在壳体上，套有质量块的方形导柱上下两端分别镶嵌在端盖和壳体的底壁上，质量块上下两侧分别安装有动磁铁一和二；壳体底壁上装有悬浮磁铁；动磁铁一与二的异性磁极相对安装，动磁铁一与限位磁铁、动磁铁二与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；壳体左右侧壁上设有凸台，凸台上装有压电振子和弹簧片；弹簧片两侧压电振子数量相等，压电振子自由端装有顶块，顶块顶靠在弹簧片上，弹簧片自由端插入质量块的窄缝内；非工作时压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半；动磁铁一与限位磁铁或动磁铁二与悬浮磁铁相接触时，压电片所受的最大压应力为其许用压应力。
Description
技术领域
本发明属压电发电领域，具体涉及一种低频车载振动发电机，用于汽车定位导航系统。
背景技术
汽车定位导航系统在现实生活中已有广泛应用，但其功能单一，主要是以引导驾驶员前往目的地为目标的。从实际应用的角度，车载定位跟踪系统还可实现车速实时监测上报、重大交通事故自动报警或车辆被盗追踪等功能。由于现有定位系统是利用发动机供电的，发动机断电或出现故障时定位系统将无法继续工作；此外，现有定位系统都是外置的，可人为地关闭或被破坏掉，也无法用于速度监测和失窃追踪等方面。因此，为拓展车辆定位跟踪系统的功能和实用性，首先需解决其能量供应问题，并需将电源及定位系统隐秘、密闭地安装，以提高其可靠性和安全性。为此，人们提出了多种形式的压电及电磁式振动发电装置，但由于结构原理或器件特性的原因，现有振动发电装置的固有频率都相对较高，不能很好地适应低频及大振幅车载环境需求。
发明内容
为满足低频、大振幅车载振动环境的应用需求，本发明提出一种低频车载振动发电机，本发明采用的实施方案是：安装有限位磁铁的端盖经螺钉安装在壳体上，套有质量块的方形导柱上下两端分别镶嵌在端盖和壳体的底壁上，质量块上下两侧经螺钉分别安装有动磁铁一和动磁铁二；壳体的底壁上经螺钉安装有悬浮磁铁，悬浮磁铁和限位磁铁套在方形导柱上；动磁铁一与动磁铁二的异性磁极相对安装，动磁铁一与限位磁铁的同性磁极相对安装，动磁铁二与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；壳体的左右侧壁上都设有凸台，凸台上经螺钉和压板安装有压电振子和弹簧片；弹簧片两侧压电振子数量相等，压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近弹簧片安装；压电振子自由端经螺钉安装有顶块，顶块顶靠在弹簧片上，弹簧片自由端插入质量块的窄缝内。
压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子h的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板h1厚度和压电振子h总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。
非工作时弹簧片不发生弯曲变形，弹簧片两侧压电振子应力分布及变形状态分别相同；工作时，即环境中存在振动时，质量块在其自身惯性力作用下产生与壳体的相对运动，再通过弹簧片及顶块迫使压电振子弯曲变形并将机械能转换成电能：壳体向下运动时，质量块向上运动，悬浮磁铁与动磁铁二之间的距离增加、排斥力减小，限位磁铁与动磁铁一之间的距离减小、排斥力增加；相反，壳体向上运动时，质量块向下运动，悬浮磁铁与动磁铁二之间的距离减小、排斥力增加，限位磁铁与动磁铁一之间的距离增加、排斥力减小；动磁铁一与限位磁铁或动磁铁二与悬浮磁铁相接触时，压电振子的变形量为其许用变形量、压电片所受的最大压应力为其许用压应力。
优势与特色：①工作中压电片仅承受压应力，避免因受拉应力过大损毁、可靠性高；②悬浮磁铁和限位磁铁确保压电振子变形量不超过许用值，适于大振幅、高强度振动环境；③系统基频主要由悬浮磁铁与限位磁铁及附加质量决定，系统刚度低，故可实现低频能量回收。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
安装有限位磁铁c的端盖b经螺钉安装在壳体a上，套有质量块d的方形导柱e的上下两端分别镶嵌在端盖b和壳体a的底壁上，质量块d的上下两侧经螺钉分别安装有动磁铁一f和动磁铁二k；壳体a的底壁上经螺钉安装有悬浮磁铁c’，悬浮磁铁c’和限位磁铁c套在方形导柱e上；动磁铁一f与动磁铁二k的异性磁极相对安装，动磁铁一f与限位磁铁c的同性磁极相对安装，动磁铁二k与悬浮磁铁c’的同性磁极相对安装；壳体a的左右侧壁上都设有凸台a1，凸台a1上经螺钉和压板g安装有压电振子h和弹簧片i；弹簧片i两侧的压电振子h的数量相等，压电振子h由基板h1和压电片h2粘接而成，基板h1靠近弹簧片i安装；压电振子h的自由端经螺钉安装有顶块j，顶块j顶靠在弹簧片i上，弹簧片i的自由端插入质量块d的窄缝内。
压电振子h安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片h2上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子h的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板h1厚度和压电振子h总厚度，Em和Ep分别为基板h1和压电片h2的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子h长度。
非工作时弹簧片i不发生弯曲变形，弹簧片i两侧压电振子h的应力分布及变形状态分别相同；工作时，即环境中存在振动时，质量块d在其自身惯性力作用下产生与壳体a的相对运动，再通过弹簧片i及顶块j迫使压电振子h弯曲变形并将机械能转换成电能：壳体a向下运动时，质量块d向上运动，悬浮磁铁c’与动磁铁二k之间的距离增加、排斥力减小，限位磁铁c与动磁铁一f之间的距离减小、排斥力增加；相反，壳体a向上运动时，质量块d向下运动，悬浮磁铁c’与动磁铁二k之间的距离减小、排斥力增加，限位磁铁c与动磁铁一f之间的距离增加、排斥力减小；动磁铁一f与限位磁铁c或动磁铁二k与悬浮磁铁c’相接触时，压电振子h的变形量为其许用变形量、压电片h2所受最大压应力为其许用压应力。
Claims (1)
1.一种低频车载振动发电机，其特征在于：安装有限位磁铁的端盖安装在壳体上，套有质量块的方形导柱上下两端分别镶嵌在端盖和壳体的底壁上，质量块上下两侧分别安装有动磁铁一和动磁铁二；壳体的底壁上安装有悬浮磁铁，悬浮磁铁和限位磁铁套在方形导柱上；动磁铁一与动磁铁二的异性磁极相对安装，动磁铁一与限位磁铁的同性磁极相对安装，动磁铁二与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；壳体的左右侧壁上都设有凸台，凸台上安装有压电振子和弹簧片；弹簧片两侧压电振子数量相等，压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近弹簧片安装；压电振子自由端安装有顶块，顶块顶靠在弹簧片上，弹簧片自由端插入质量块的窄缝内；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构；非工作时，压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半，弹簧片不发生弯曲变形，弹簧片两侧压电振子应力分布及变形状态分别相同；动磁铁一与限位磁铁或动磁铁二与悬浮磁铁相接触时，压电振子的变形量为其许用变形量、压电片所受的最大压应力为其许用压应力。
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