CN107395053A - 一种船载压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船载压电俘能器，属压电发电技术领域。上盖装在壳体侧壁端部，上盖上设有上套筒、装有限位环；壳体侧壁上设有环台、底壁上设有下套筒，壳体底壁上装有限位环和电路板；上套筒和下套筒中都套有一端带端帽的柱塞，端帽外缘上装有内磁环、端面上镶有滚珠；上套筒和下套筒中分别经柱塞压接有缓冲弹簧和平衡弹簧；激励器由隔板及其上下两侧的激励环构成，隔板与激励环形成环槽，环槽内装有惯性块；激励环的激励面为向激励环内侧倾斜的斜面；激励环内壁上装有外磁环，外磁环与内磁环同性磁极相对；隔板上下两侧分别经滚珠顶靠在上套筒和下套筒中的柱塞端帽上；壳体环台上装有由隔环隔开的两组压电振子，压电振子端部顶靠在激励面上。
Description
技术领域
本发明属于压电发电技术领域，具体涉及一种船载压电俘能器，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
本发明提出一种船载压电俘能器，本发明采用的实施方案是：上盖经螺钉安装在壳体的侧壁端部，上盖上设有上套筒，上盖上经螺钉安装有限位环，限位环的材料为弹性橡胶；壳体的侧壁上设有环台，壳体的底壁上设有下套筒，壳体的底壁上经螺钉安装有限位环和电路板，电路板上设有能量转换处理电路和信号发射系统；上套筒和下套筒中都套有柱塞，柱塞的一端设有端帽，端帽的外缘上经螺钉安装有内磁环、端面上镶嵌有一组滚珠；上套筒中经柱塞压接有缓冲弹簧，下套筒中经柱塞压接有平衡弹簧，缓冲弹簧和平衡弹簧均为碟形弹簧；激励器由隔板及隔板上下两侧对称配置的激励环构成，隔板与其上下两侧的激励环共同形成环槽，环槽内经螺钉安装有惯性块；激励环的激励面为斜面，激励面向激励环的内侧倾斜；激励环内壁上经螺钉安装有外磁环，外磁环与内磁环的同性磁极相对安装，以实现激励器的复位和缓冲；隔板上下两侧分别经滚珠顶靠在上套筒和下套筒中柱塞的端帽上；壳体的环台上经压环和螺钉安装有两组压电振子，两组压电振子由隔环隔开；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，各压电振子经不同的导线组分别与电路板连接；压电振子的基板靠近隔环安装，压电振子的自由端顶靠在激励器的激励面上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，激励器的隔板中心与柱塞中心重叠时，压电振子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。
非工作状态下，即环境中无振动时，激励器在其自身重力、柱塞重力、缓冲弹簧及平衡弹簧的作用下处于平衡状态，各压电振子的弯曲变形及压电片上的应力分布状态分别相同；当环境中存在振动时，激励器的平衡状态被破坏：根据环境振动或摆动方向的不同，激励器可横向振动、纵向振动、绕柱塞中心转动或摆动，也可为几种运动的组合；激励器的任何位置变化都将改变压电振子与激励面的接触点，从而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；当激励器位置变动幅度较大并将压电振子自由端顶靠在限位环上时，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的运动状态确定，在压电振子及激励器结构及尺度确定时可通过惯性块的质量、缓冲弹簧及平衡弹簧的刚度、及内磁环和外磁环的尺度加以调整，从而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，压电振子工作中仅承受激励器的单向激励、只产生使压电片承受压应力的单向变形，可靠性高。
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，且系统基频易通过惯性块质量、缓冲及平衡弹簧刚度及内外磁环尺度加以调整；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俘能器的结构剖面图；
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；
图4是本发明一个较佳实施例中激励器的结构剖面示意图；
图5是图4的俯视图。
具体实施方式
上盖a经螺钉安装在壳体b的侧壁b1端部，上盖a上设有上套筒a1，上盖a上经螺钉安装有限位环c，限位环c的材料为弹性橡胶；壳体b的侧壁b1上设有环台b2，壳体b的底壁b3上设有下套筒b4；壳体b的底壁b3上经螺钉安装有限位环c和电路板d，电路板d上设有能量转换处理电路和信号发射系统；上套筒a1和下套筒b4中都套有柱塞e，柱塞e的一端设有端帽e1，端帽e1的外缘上经螺钉安装有内磁环f、端面上镶嵌有一组滚珠g；上套筒a1中经柱塞e压接有缓冲弹簧h，下套筒b4中经柱塞e压接有平衡弹簧i，缓冲弹簧h和平衡弹簧i均为碟形弹簧；激励器k由隔板k1及隔板k1上下两侧对称配置的激励环k2构成，隔板k1与其上下两侧的激励环k2共同形成环槽k3，环槽k3内经螺钉安装有惯性块m；激励环k2的激励面k4为斜面，激励面k4向激励环k2的内侧倾斜；激励器k的激励环k2内壁上经螺钉安装有外磁环f’，外磁环f’与内磁环f的同性磁极相对安装，以实现激励器k的复位和缓冲；隔板k1上下两侧分别经滚珠g顶靠在上套筒a1和下套筒b4中柱塞e的端帽e1上；壳体b的环台b2上经压环n和螺钉安装有两组压电振子p，两组压电振子p由隔环q隔开；压电振子p为由基板p1和压电片p2粘接而成的扇形或长方形悬臂梁，各压电振子p经不同的导线组分别与电路板d连接；压电振子p的基板p1靠近隔环q安装，压电振子p的自由端顶靠在激励器k的激励面k4上；压电振子p安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，激励器k的隔板k1的中心与柱塞e的中心重叠时，压电振子p的弯曲变形量为其许用值的一半，压电振子p为长方形时其自由端变形量的许用值为其中：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为基板p1的厚度，H为压电振子p总厚度，Em和Ep分别为基板p1和压电片p2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p的悬臂长度。
非工作状态下，即环境中无振动时，激励器k在其自身重力、柱塞e的重力、缓冲弹簧h及平衡弹簧i的作用下处于平衡状态，各压电振子p的弯曲变形及压电片p2上的应力分布状态分别相同；当环境中存在振动时，激励器k的平衡状态被破坏：根据环境振动或摆动方向的不同，激励器k可横向振动、纵向振动、绕柱塞e的中心转动或摆动，也可为几种运动的组合；激励器k的任何位置变化都将改变压电振子p与激励面k4的接触点，从而改变压电振子p的变形量及其压电片p2上的应力分布状态，压电片p2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k位置变动幅度较大并将压电振子p自由端顶靠在限位环c上时，压电振子p自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片p2上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子p的变形特性由激励器k的运动状态确定，在压电振子p及激励器k结构及尺度确定时可通过惯性块m的质量、缓冲弹簧h及平衡弹簧i的刚度、及内磁环f和外磁环f’的尺度加以调整，从而实现与船舶颠簸振动频率相匹配；同时，因压电振子p自身的基频远高于船舶的颠簸振动频率，故压电振子p始终工作在一阶模态下，发电效果较好；此外，压电振子p工作中仅承受激励器k的单向激励、只产生使压电片p2承受压应力的单向变形，可靠性高。
Claims (1)
1.一种船载压电俘能器，其特征在于：上盖安装在壳体的侧壁端部，上盖上设有上套筒、安装有限位环；壳体的侧壁上设有环台、底壁上设有下套筒，壳体的底壁上装有限位环和电路板，电路板上设有能量转换处理电路和信号发射系统；上套筒和下套筒中都套有柱塞，柱塞的一端设有端帽，端帽的外缘上装有内磁环、端面上镶嵌有一组滚珠；上套筒中经柱塞压接有缓冲弹簧，下套筒中经柱塞压接有平衡弹簧，缓冲弹簧和平衡弹簧均为碟形弹簧；激励器由隔板及隔板上下两侧对称配置的激励环构成，隔板与其上下两侧的激励环共同形成环槽，环槽内装有惯性块；激励环的激励面为斜面，激励面向激励环的内侧倾斜；激励环内壁上装有外磁环，外磁环与内磁环的同性磁极相对安装；隔板上下两侧分别经滚珠顶靠在上套筒和下套筒中柱塞的端帽上；壳体的环台上安装有两组压电振子，两组压电振子由隔环隔开；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，各压电振子经不同的导线组分别与电路板连接；压电振子的基板靠近隔环安装，压电振子的自由端顶靠在激励器的激励面上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，激励器的隔板中心与柱塞中心重叠时，压电振子的弯曲变形量为其许用值的一半。
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