CN107359773B - 一种便携式俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种便携式俘能器，属发电技术领域。端盖装在壳体端部，壳体后壁外侧设有安装环、上壁凸台上装有换能器，换能器由基板和压电膜粘接而成，换能器间压接有隔板，基板靠近隔板安装；套有激励器的销轴两端固定在前后壁上，激励器的凸轮上设有悬锤，悬锤上嵌有磁铁；壳体下壁上装有线圈；换能器端部顶靠在凸轮上，凸轮轮廓包含与凸轮轴孔同心的两段圆弧轮廓面，圆弧轮廓面是轮廓曲面上距轴孔中心最短的；换能器安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且非工作时换能器自由端与凸轮轮廓顶点相接触，轮廓顶点是凸轮轮廓曲面上距离轴孔中心最长的点，换能器与轮廓顶点相接触时的变形量最大，换能器与圆弧轮廓面相切时不发生弯曲变形。

Description

一种便携式俘能器
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种便携式俘能器，为微功率电子产品提供实时的能量供应。
背景技术
为满足微功率电子产品及微小型远程传感及埋植监测系统的自供电需求、避免大量废弃电池污染环境，基于电磁、静电、热电、电容、及压电等原理的微小型发电机的研究已经成为国内外的前沿热点。各类发电装置都有其自身的优势和适用领域，压电发电装置的优势在于结构简单、易于制作和实现结构上的微小化与集成化等，故适用范围更广，现已逐步用于传感器、健康监测及无线发射系统等领域。在利用压电材料构造发电机方面，国内外均有较多专利申请，但能量来源主要集中在振动能、流体能及旋转体动能等环境能量方面，其结构及原理均不适于人体运动发电；此外，现有压电发电机都是利用圆形或悬臂梁型换能器的弯曲变形模式进行发电的，其最大的弊端是应力分布差异较大所导致的发电能力低下和压电材料受拉应力过大破碎所造成的可靠性下降两方面，同时也不适于跑步、跳跃等人体运动幅度较大的场合。
发明内容
本发明提出一种便携式俘能器，本发明采用的实施方案是：安装有电路板的端盖经螺钉安装在壳体端部，壳体由上下壁、前后壁及底壁构成，后壁外侧上下两端各设两个安装环；上壁的凸台上经螺钉和压板安装有两组换能器，换能器为由基板和压电膜粘接而成的压电换能器，两组换能器之间压接有隔板，基板靠近隔板安装；销轴两端分别固定在前后壁上，激励器的轴孔套在销轴上，激励器的凸轮上经摆臂连接有悬锤，悬锤上镶嵌有磁铁；下壁内侧经螺钉安装有线圈，线圈对称置于磁铁的前后两侧；换能器自由端顶靠在凸轮的轮廓曲面上，凸轮的轮廓曲面包含与轴孔同心的两段圆弧轮廓面，圆弧轮廓面是凸轮的轮廓曲面上距轴孔中心距离最短的；换能器安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且非工作时换能器自由端与凸轮的轮廓顶点相互接触；轮廓顶点位于轴孔的上方，轮廓顶点是凸轮的轮廓曲面上距离轴孔中心距离最长的点，换能器与轮廓顶点相接触时的变形量最大，凸轮绕销轴顺时针或逆时针转动时换能器自由端的变形都减小；换能器自由端与圆弧轮廓面相切时换能器不发生弯曲变形，压电膜上的应力相等且均为零。
换能器自由端与凸轮的轮廓顶点相互接触时的变形量最大，此时压电膜上的最大压应力小于其许用值、换能器端部的弯曲变形量小于其许用值
Figure BSA0000149625660000021
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure BSA0000149625660000022
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板厚度，H为换能器总厚度，Em和Ep分别为基板和压电膜材料的杨氏模量，k31和
Figure BSA0000149625660000023
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器的长度。
本发明提出的俘能器用于收集人行走及摆臂的运动能，使用前需通过柔性带及安装环将俘能器固定在小腿或手臂上。静止状态下，激励器的摆臂在悬锤重力作用下呈垂直状态，换能器自由端与凸轮顶点相接触，换能器自由端变形量最大。当人走路或摆臂时，悬锤及磁铁在其惯性力作用下绕销轴相对转动，换能器与凸轮的轮廓的接触点发生变化、变形量逐渐减小，当换能器自由端与圆弧轮廓面相切时换能器变形量及压电膜上的应力均减小至零；此后，随小腿或手臂摆动方向的变化，激励器绕销轴的转动方向发生变化，换能器的变形量及压电膜上的压应力逐渐增加，当换能器自由端与凸轮顶点相接触时，换能器自由端的变形量达到最大。上述压电膜上压应力交替增加与减小的过程中即将机械能转换成电能，此为压电发电过程；压电发电的同时，磁铁与线圈相对运动，线圈切割磁力线并将机械能转换成电能，此为电磁发电。上述压电及电磁发电所得电能经导线传输到电路板上的能量转换电路，经转换处理及存储后为微功率电子产品供电。
优势与特色：①利用压电和电磁俘能单元同步收集走路及摆臂等人体运动能，发电供电能力强；②压电换能器变形量由激励器控制且压电膜仅承受压应力，可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；
图4是图3的左视图。
具体实施方式
安装有电路板b的端盖a经螺钉安装在壳体c的端部，壳体c由上壁c1、下壁c2、前壁c3、后壁c4及底壁c5构成，后壁c4外侧的上下两端各设两个安装环c6；上壁c1的凸台上经螺钉和压板d安装有两组换能器e，换能器e为由基板e1和压电膜e2粘接而成的压电换能器，两组换能器e之间压接有隔板f，基板e1靠近隔板f安装；
销轴g的两端分别固定在前壁c3和后壁c4上，激励器h的轴孔h1套在销轴g上，激励器h的凸轮h2上经摆臂h3连接有悬锤h4，悬锤h4上镶嵌有磁铁i；下壁c2的内侧经螺钉安装有线圈j，线圈j对称置于磁铁i的前后两侧；
换能器e的自由端顶靠在凸轮h2的轮廓曲面上，凸轮h2的轮廓曲面包含与轴孔h1同心的两段圆弧轮廓面h5和h6，圆弧轮廓面h5和h6是凸轮h2的轮廓曲面上距轴孔h1中心距离最短的；换能器e安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且非工作时换能器e自由端与凸轮h2的轮廓顶点h7相互接触；轮廓顶点h7位于轴孔h1的上方，轮廓顶点h7是凸轮h2的轮廓曲面上距离轴孔h1中心距离最长的点，换能器e与轮廓顶点h7相接触时的变形量最大，凸轮h2绕销轴g顺时针或逆时针转动时换能器e自由端的变形都减小；换能器e自由端与圆弧轮廓面h5或h6相切时换能器e不发生弯曲变形，压电膜e2上的应力相等且均为零。
换能器e自由端与凸轮h2的轮廓顶点h7相互接触时的变形量最大，此时压电膜e2上的最大压应力小于其许用值、换能器e端部的弯曲变形量小于其许用值
Figure BSA0000149625660000031
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure BSA0000149625660000032
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板e1的厚度，H为换能器e的总厚度，Em和Ep分别为基板e1和压电膜e2材料的杨氏模量，k31和
Figure BSA0000149625660000033
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器e的长度。
本发明提出的俘能器用于收集人行走及摆臂的运动能，使用前需通过柔性带及安装环c6将俘能器固定在小腿或手臂上。静止状态下，激励器h的摆臂h3在悬锤h4重力的作用下呈垂直状态，换能器e的自由端与凸轮顶点h7相接触，换能器e自由端的变形量最大。当人走路或摆臂时，悬锤h4及磁铁i在其惯性力作用下绕销轴g转动，换能器e与凸轮h2轮廓的接触点发生变化、变形量逐渐减小，当换能器e自由端与圆弧轮廓面h5和h6相切时换能器e的变形量及压电膜e2上的应力均减小至零；此后，随小腿或手臂摆动方向的变化，激励器h绕销轴g的转动方向发生变化，换能器e的变形量及压电膜h2上的压应力逐渐增加，当换能器e的自由端与凸轮顶点h7相接触时，换能器e自由端的变形量达到最大。上述压电膜e2上压应力交替增加与减小的过程中即将机械能转换成电能，此为压电发电过程；压电发电的同时，磁铁i与线圈j相对运动，线圈j切割磁力线并将机械能转换成电能，此为电磁发电。上述压电及电磁发电所得电能经导线传输到电路板b上的能量转换电路，经转换处理及存储后为微功率电子产品供电。

Claims (1)

1.一种便携式俘能器，其特征在于：安装有电路板的端盖经螺钉安装在壳体端部，壳体由上下壁、前后壁及底壁构成，后壁外侧上下两端各设两个安装环；上壁的凸台上经螺钉和压板安装有两组换能器，换能器为由基板和压电膜粘接而成的压电换能器，两组换能器之间压接有隔板，基板靠近隔板安装；销轴两端分别固定在前后壁上，激励器的轴孔套在销轴上，激励器的凸轮上经摆臂连接有悬锤，悬锤上镶嵌有磁铁；下壁内侧经螺钉安装有线圈，线圈对称置于磁铁的前后两侧；换能器自由端顶靠在凸轮的轮廓曲面上，凸轮的轮廓曲面包含与轴孔同心的两段圆弧轮廓面，圆弧轮廓面是凸轮的轮廓曲面上距轴孔中心距离最短的；换能器安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且非工作时换能器自由端与凸轮的轮廓顶点相互接触；轮廓顶点位于轴孔的上方，轮廓顶点是凸轮的轮廓曲面上距离轴孔中心距离最长的点，换能器与轮廓顶点相接触时的变形量最大，凸轮绕销轴顺时针和逆时针转动时换能器自由端的变形都减小；换能器自由端与圆弧轮廓面相切时换能器不发生弯曲变形，压电膜上的应力相等且均为零。
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