CN107395048B - 一种组合式弹簧片间接激励的压电梁俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式弹簧片间接激励的压电梁俘能器，属压电发电领域。横梁上设有凸台，横梁上装有前、后立板，限位簧片装在前立板与后立板之间，凸台上装有激励簧片和压电振子，激励簧片两侧的压电振子的数量相等；压电振子由金属基板和压电片粘接而成，压电振子的自由端安装有被悬浮磁铁，悬浮磁铁安装在激励簧片上，被悬浮磁铁和悬浮磁铁的同性磁极相对安装；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50％。优势特色：压电片仅承受压应力且采用限位机构，可靠性高、适于高强度及大振幅振动；激励簧片同步激励多压电振子，发电及供电能力强。

Description

一种组合式弹簧片间接激励的压电梁俘能器

技术领域

本发明属于压电发电与能量回收技术领域，具体涉及一种组合式弹簧片间接激励的压电梁俘能器。

背景技术

利用压电材料正压电效应收集环境能量发电、构造微小型俘能器或称压电发电机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、河流等流体能等。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，但基本都是利用单体压电振子的双向弯曲变形发电的，工作中压电晶片承受交替的拉压应力作用；由于脆性压电材料耐压不耐拉、即许用拉应力远低于许用压应力，工作中压电振子中的压电晶片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压电振子上附加质量的惯性力实现弯曲变形发电的，其基频及带宽等动力学参数的调节范围有限、甚至不可调节，故环境适应性差。因此，为压电俘能器得以推广应用，首先需解决的问题是提高其可靠性和环境适应性。

发明内容

针对现有利用单体压电振子双向弯曲变形导致可靠性低、环境适应性差等弊端，本发明提出一种组合式弹簧片间接激励的压电梁俘能器。本发明采用的实施方案是：横梁上设有凸台，横梁前后经螺钉安装有前立板、后立板；限位簧片上设有连接片，限位簧片经连接片和螺钉安装在前立板与后立板之间；凸台上经螺钉和压块安装有激励簧片和压电振子，激励簧片两侧的压电振子的数量相等，激励簧片与其相邻的压电振子之间、以及两个相邻的压电振子之间压接有垫片；压电振子由金属基板和压电片粘接而成，金属基板靠近激励簧片安装，较短的压电振子的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁一，被悬浮磁铁一安装在金属基板d1的一侧，悬浮磁铁一经螺钉安装在激励簧片上，被悬浮磁铁一和悬浮磁铁一的同性磁极相对安装，被悬浮磁铁一和悬浮磁铁一的形心处于同一圆周上；较长的压电振子的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁二，悬浮磁铁二经螺钉安装在激励簧片上，被悬浮磁铁二和悬浮磁铁二的同性磁极相对安装，被悬浮磁铁二和悬浮磁铁二的形心处于同一圆周上。

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50％，此时压电振子端部的合理弯曲变形量为

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，/>

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为金属基板的厚度，H为压电振子的总厚度，E_m和E_p分别为金属基板和压电片材料的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。

非工作时，激励簧片上下两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同，激励簧片不发生弯曲变形；工作时，即激励簧片的自由端受外力作用并产生弯曲变形时，悬浮磁铁一、悬浮磁铁二和被悬浮磁铁一、被悬浮磁铁二之间的距离及相互作用力交替地增加与减小，迫使压电振子产生单向弯曲变形：当激励簧片一侧的压电振子的弯曲变形量逐渐增加时，另一侧压电振子弯曲变形量逐渐减小，压电片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；外力较大时，压电振子的自由端与限位簧片接触，此时压电振子的变形量达到最大、压电片上的最大应力不超过压电材料的许用压应力。

优势与特色：工作中压电片仅承受压应力并通过限位簧片控制压电振子最大变形量，故可靠性高、适于高强度及大振幅的场合；激励簧片同步激励多压电振子，发电及供电能力强。

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限位簧片的结构示意图；

图4是图3的俯视图。

具体实施方式

横梁a上设有凸台a1，横梁前后经螺钉安装有前立板s1、后立板s2；限位簧片r上设有连接片r1，限位簧片r经连接片r1和螺钉安装在前立板s1与后立板s2之间；凸台a1上经螺钉和压块e安装有激励簧片b和压电振子d，激励簧片b两侧的压电振子d的数量相等，激励簧片b与其相邻的压电振子d之间、以及两个相邻的压电振子d之间压接有垫片c；压电振子d由金属基板d1和压电片d2粘接而成，金属基板d1靠近激励簧片b安装，较短的压电振子d的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁一p’，被悬浮磁铁一p’安装在金属基板d1的一侧，悬浮磁铁一n’经螺钉安装在激励簧片b上，被悬浮磁铁一p’和悬浮磁铁一n’的同性磁极相对安装，被悬浮磁铁一p’和悬浮磁铁一n’的形心处于同一圆周上；较长的压电振子d的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁二p，悬浮磁铁二n经螺钉安装在激励簧片b上，被悬浮磁铁二p和悬浮磁铁二n的同性磁极相对安装，被悬浮磁铁二p和悬浮磁铁二n的形心处于同一圆周上。

压电振子d安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；非工作时压电片d2上的最大压应力为其许用压应力的50％，此时压电振子d端部的合理弯曲变形量为

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，/>

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为金属基板d1的厚度，H为压电振子d的总厚度，E_m和E_p分别为金属基板d1和压电片d2材料的杨氏模量，k₃₁和/>

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d的长度。

非工作时，激励簧片b上下两侧的压电振子d的变形和受力状态分别相同，激励簧片b不发生弯曲变形；工作时，即激励簧片b的自由端受外力F作用并产生弯曲变形时，悬浮磁铁一n’、悬浮磁铁二n和被悬浮磁铁一p’、被悬浮磁铁二p之间的距离及相互作用力交替地增加与减小，迫使压电振子d产生单向弯曲变形：当激励簧片b一侧的压电振子d的弯曲变形量逐渐增加时，另一侧压电振子d弯曲变形量逐渐减小，压电片d2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；外力F较大时，压电振子d的自由端与限位簧片r接触，此时压电振子d的变形量达到最大、压电片d2上的最大应力不超过压电材料的许用压应力。

Claims (1)

1.一种组合式弹簧片间接激励的压电梁俘能器，其特征在于：横梁上设有凸台，横梁前后安装有前、后立板；限位簧片上设有连接片，限位簧片安装在前立板与后立板之间；凸台上经螺钉和压块安装有激励簧片和压电振子，激励簧片两侧的压电振子的数量相等，激励簧片与其相邻的压电振子之间、以及两个相邻的压电振子之间压接有垫片；压电振子由金属基板和压电片粘接而成，金属基板靠近激励簧片安装，较短的压电振子的自由端安装有被悬浮磁铁一，被悬浮磁铁一安装在金属基板d1的一侧，悬浮磁铁一安装在激励簧片上，被悬浮磁铁一和悬浮磁铁一的同性磁极相对安装，被悬浮磁铁一和悬浮磁铁一的形心处于同一圆周上；较长的压电振子的自由端安装有被悬浮磁铁二,悬浮磁铁二安装在激励簧片上,被悬浮磁铁二和悬浮磁铁二的同性磁极相对安装，被悬浮磁铁二和悬浮磁铁二的形心处于同一圆周上；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50％，激励簧片上下两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同，激励簧片不发生弯曲变形，此时压电振子端部的合理弯曲变形量为

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，/>

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为金属基板的厚度，H为压电振子的总厚度，E_m和E_p分别为金属基板和压电片材料的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度；外力较大时，压电振子的自由端与限位簧片接触，此时压电振子的变形量达到最大、压电片上的最大应力不超过压电材料的许用压应力。/>

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