CN107359823B - 一种扭摆式压电俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种扭摆式压电俘能器，属压电发电领域。框架由立壁和两个耳板构成，立壁的凸台上装有换能器和簧片，换能器位于簧片上下两侧；换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近簧片安装；换能器自由端顶靠在激励器凸轮上、簧片自由端装在激励器的摇臂左端，激励器的销孔套在销轴上，销轴两端装在耳板上；凸轮被摇臂分隔成两部分，凸轮轮廓曲线包含与销孔同心的圆弧段轮廓，圆弧段轮廓是凸轮轮廓曲线上距销孔中心距离最短的；换能器安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；簧片未发生弯曲变形时，换能器自由端与凸轮的接触点是凸轮轮廓曲线上距离销孔中心距离最长的，摇臂右端受外力作用使凸轮顺时针或逆时针转动时换能器自由端的变形都减小。

Description

一种扭摆式压电俘能器
技术领域
本发明属于压电发电与能量回收技术领域，具体涉及一种扭摆式压电俘能器。
背景技术
利用压电材料的正压电效应收集环境能量发电、构造微小型俘能器的研究已成为国内外的热点，其目的是替代电池为远程传感、埋植监测系统及便携式微功率电子产品供电。目前，利用压电材料可有效回收的环境能量多达10余种，其中研究较多的有：环境振动能，机床、车辆、发动机及发电机主轴和轴承等的旋转动能，人的肢体及器官运动能，波浪、风、河流等流体能。虽然针对上述各类能量所提出的压电俘能器的结构、原理、特点等不同，但基本都是利用换能器双向弯曲变形发电的，工作中压电膜承受交替的拉-压应力作用；因脆性压电材料耐压不耐拉，其许用拉应力远低于许用压应力，工作中压电膜易因拉应力过大而损毁，故可靠性低；此外，现有压电俘能器基本都是利用换能器上附加质量的惯性力实现弯曲变形发电的，激励频率接近其基频时振幅较大、其它频率时振幅很小，从而易导致超低频-大振幅环境下变形量过大损毁，而其它频率时发电能力差或不发电。故为使压电俘能器得以推广应用，首先需解决其可靠性及有效带宽等问题。
发明内容
针对现有俘能器利用单体换能器双向弯曲变形导致可靠性低、环境适应性差等弊端，本发明提出一种扭摆式压电俘能器。本发明采用的实施方案是：框架由立壁和两个耳板构成，立壁的凸台上经螺钉和压块安装有换能器和簧片，换能器位于簧片上下两侧，换能器与簧片的固定端之间压接有垫片；换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近簧片安装；换能器的自由端顶靠在激励器的凸轮上、簧片的自由端经螺钉安装在激励器的摇臂左端，激励器的销孔套在销轴上，销轴两端安装在耳板上，销轴位于换能器与凸轮接触点的右侧；凸轮被摇臂分隔成两部分，凸轮的轮廓曲线包含与销孔同心的圆弧段轮廓，圆弧段轮廓是凸轮轮廓曲线上距销孔中心距离最短的；换能器安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；簧片未发生弯曲变形时，换能器自由端与凸轮的接触点是凸轮轮廓曲线上距离销孔中心距离最长的，摇臂右端受外力作用使凸轮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段轮廓相接触时换能器不发生弯曲变形，压电膜上的应力相等且均为零。
簧片不发生弯曲变形时，换能器的弯曲变形量最大，此时压电膜上的最大压应力小于其许用压应力、换能器端部的弯曲变形量不大于许用变形量
Figure BSA0000149625930000021
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure BSA0000149625930000022
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板的厚度，H为换能器的总厚度，Em和Ep分别为基板和压电膜材料的杨氏模量，k31和
Figure BSA0000149625930000023
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。
簧片不发生弯曲变形时，簧片上下两侧的换能器的变形和受力状态分别相同；当摇臂右端受外力作用使激励器转动时，凸轮轮廓上与换能器接触点的回转半径逐渐减小，换能器的弯曲变形量及压电膜上的压应力逐渐减小；相反，摇臂受簧片弹性力作用复位过程中，凸轮轮廓上与换能器接触点的半径逐渐增加，换能器的弯曲变形量及压电膜上的压应力逐渐增加，压电膜所受压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转变成电能。
本发明中，非工作时换能器的变形量最大，摇臂转角越大换能器的变形量越小、直至不发生弯曲变形，从而确保压电膜仅承受大小可控的压应力。
优势与特色：工作中压电膜仅承受压应力并由激励器控制换能器最大变形量，故可靠性高、有效频带宽，适于高强度及大振幅的场合。
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
框架a由立壁a1和两个耳板a2构成，立壁a1的凸台a3上经螺钉和压块b安装有换能器c和簧片d，换能器c位于簧片d的上下两侧，换能器c与簧片d的固定端之间压接有垫片f；换能器c由基板c1和压电膜c2粘接而成，基板c1靠近簧片d安装；换能器c的自由端顶靠在激励器g的凸轮g1上、簧片d的自由端经螺钉安装在激励器g的摇臂g2的左端，激励器g的销孔g3套在销轴h上，销轴h的两端安装在耳板a2上，销轴h位于换能器c与凸轮g1接触点T的右侧；凸轮g1被摇臂g2分隔成两部分，凸轮g1的轮廓曲线包含与销孔g3同心的圆弧段轮廓g4和g5，圆弧段轮廓g4和g5是凸轮g1轮廓曲线上距销孔g3中心距离最短的；换能器c安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；簧片d未发生弯曲变形时，换能器c自由端与凸轮g1的接触点T是凸轮g1轮廓曲线上距离销孔g3中心距离最长的，摇臂g2右端受外力作用使凸轮g1顺时针或逆时针转动时换能器c自由端的变形都减小；换能器c自由端与圆弧段轮廓g4和g5相接触时换能器c不发生弯曲变形，压电膜c2上的应力相等且均为零。
簧片d不发生弯曲变形时，换能器c的弯曲变形量最大，此时压电膜c2上的最大压应力小于其许用压应力、换能器c端部的弯曲变形量不大于许用变形量
Figure BSA0000149625930000031
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure BSA0000149625930000032
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板的厚度，H为换能器的总厚度，Em和Ep分别为基板c1和压电膜c2材料的杨氏模量，k31和
Figure BSA0000149625930000033
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c的长度。
簧片d不发生弯曲变形时，簧片d上下两侧的换能器c的变形和受力状态分别相同；当摇臂g2右端受外力作用使激励器g转动时，凸轮g1轮廓上与换能器c接触点的回转半径逐渐减小，换能器c的弯曲变形量及压电膜c2上的压应力逐渐减小；相反，摇臂g2受簧片d弹性力作用复位过程中，凸轮g1轮廓上与换能器c接触点的半径逐渐增加，换能器c的弯曲变形量及压电膜c2上的压应力逐渐增加，压电膜c2所受压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转变成电能。
本发明中，非工作时换能器c的变形量最大，摇臂g2转角越大换能器c的变形量越小、直至不发生弯曲变形，从而确保压电膜c2仅承受大小可控的压应力。

Claims (1)

1.一种扭摆式压电俘能器，其特征在于：框架由立壁和两个耳板构成，立壁的凸台上经螺钉和压块安装有换能器和簧片，换能器位于簧片上下两侧，换能器与簧片的固定端之间压接有垫片；换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近簧片安装；换能器自由端顶靠在激励器的凸轮上、簧片自由端经螺钉安装在激励器的摇臂左端，激励器的销孔套在销轴上，销轴两端安装在耳板上，销轴位于换能器与凸轮接触点的右侧；凸轮被摇臂分隔成两部分，凸轮的轮廓曲线包含与销孔同心的圆弧段轮廓，圆弧段轮廓是凸轮轮廓曲线上距销孔中心距离最短的；换能器安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；簧片未发生弯曲变形时，换能器自由端与凸轮的接触点是凸轮轮廓曲线上距离销孔中心距离最长的，摇臂右端受外力作用使凸轮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段轮廓相接触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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