CN107395055A - 一种新型车载定位跟踪系统用振动俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型车载定位跟踪系统用振动俘能器，属压电发电领域。端盖装在壳体上，端盖的上凸台一上装有限位磁铁、上凸台二上装有定磁铁；方形导柱两端分别嵌在端盖和壳体上，方形导柱上套有支撑弹簧、质量块和限位弹簧，质量块左右两侧有V型槽、上下两侧装有动磁铁；壳体的下凸台一上装有电路板、下凸台二上装有限位磁铁、下凸台三上装有定磁铁、耳板上装有压电振子和弹簧片，压电振子自由端装有被悬浮磁铁，弹簧片自由端装有悬浮磁铁，弹簧片自由端插入V型槽内，定动磁铁的异性磁极相对安装；压电振子安装前为平直结构、安装后由于被悬浮磁铁与悬浮磁铁的耦合作用变为弯曲结构。
Description
技术领域
本发明属于汽车电子技术及压电发电技术领域，具体涉及一种新型车载定位跟踪系统用振动俘能器。
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。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、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，从而提其高可靠性和安全性。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，现有振动发电装置工作频率都相对较高，不能很好地适应低频及大振幅车载环境。
发明内容
为满足低频、大振幅车载振动环境的应用需求，本发明提出一种新型车载定位跟踪系统用振动俘能器，本发明采用的实施方案是：设有上凸台一和上凸台二的端盖经螺钉安装在壳体上，上凸台一上经螺钉安装有限位磁铁，上凸台二上经螺钉安装有定磁铁；方形导柱的上下两端分别镶嵌在端盖上和壳体的底壁上，方形导柱自下而上依次套有支撑弹簧、质量块和限位弹簧，支撑弹簧和限位弹簧均为碟形弹簧，质量块的左右两侧都设有V型槽、上下两侧都安装有动磁铁；壳体的左右侧壁上都设有耳板、底壁上设有两个下凸台一、下凸台二和下凸台三；下凸台一上经螺钉安装有电路板，下凸台二上经螺钉安装有限位磁铁，下凸台三上经螺钉安装有定磁铁，耳板上经螺钉和压板安装有压电振子和弹簧片；弹簧片两侧的压电振子的数量相等，压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近弹簧片安装；压电振子的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁，弹簧片的自由端两侧经螺钉安装有悬浮磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁、限位磁铁的同性磁极相对安装，弹簧片的自由端插入质量块的V型槽内；上凸台二和下凸台三上的定磁铁与质量块上的动磁铁的异性磁极相对安装。
压电振子安装前为平直结构、安装后由于被悬浮磁铁与悬浮磁铁的耦合作用变为弯曲结构；弹簧片不发生弯曲变形时，弹簧片两侧压电振子的变形及受力状态分别相同；当利用外力使压电振子与限位磁铁相接触时，压电片上的最大压应力小于其许用压应力、压电振子端部的弯曲变形量不大于许用值其中：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为基板的厚度，H为压电振子的总厚度，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。
非工作状态下，弹簧片与质量块之间相互接触但无作用力，弹簧片不发生弯曲变形、弹簧片两侧压电振子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，再通过弹簧片及悬浮磁铁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，支撑弹簧伸长、限位弹簧缩短、质量块向上运动；同时，质量块上方的动磁铁与上凸台二上的定磁铁间距离缩短、相互间的吸引力逐渐增加，质量块下方的动磁铁与下凸台三上的定磁铁间距离增加、相互间的吸引力逐渐减小，从而增加了质量块向上运动的速度和位移；相反，壳体向上运动时，支撑弹簧缩短、限位弹簧伸长、质量块向下运动；同时，质量块上方的动磁铁与上凸台二上的定磁铁之间的距离增大、吸引力逐渐减小，质量块下方的动磁铁与下凸台三上的定磁铁之间的距离减小、吸引力逐渐增加，从而增加了质量块向下运动的速度和位移；动磁铁与定磁铁间磁力的变化不仅增加了压电振子的变形量，也拓宽了自供电装置的有效频带宽度；当质量块向上运动使其上方的动磁铁的中介面与定磁铁的中介面重合时，限位弹簧被压死；当质量块向下运动使其下方的动磁铁的中介面与定磁铁的中介面重合时，支撑弹簧被压死；支撑弹簧和限位弹簧被压死时，压电振子由于被悬浮磁铁与限位磁铁间的排斥力故不会发生相互接触且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系统基频主要由支撑弹簧与限位弹簧刚度及附加质量决定、可调节范围大，动定磁铁还可实现增幅拓频，故可实现低频、宽带能量回收。
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。
具体实施方式
设有上凸台一b1和上凸台二b2的端盖b经螺钉安装在壳体a上，上凸台一b1上经螺钉安装有限位磁铁n，上凸台二b2上经螺钉安装有定磁铁c；方形导柱d的上下两端分别镶嵌在端盖b上和壳体a的底壁上，方形导柱d自下而上依次套有支撑弹簧e、质量块f和限位弹簧e’，支撑弹簧e和限位弹簧e’均为碟形弹簧，质量块f的左右两侧都设有V型槽、上下两侧都安装有动磁铁c’；壳体a的左右侧壁上都设有耳板a1、底壁上设有两个下凸台一a2、两个下凸台二a3和两个下凸台三a4；下凸台一a2上经螺钉安装有电路板g，下凸台二a3上经螺钉安装有限位磁铁n，下凸台三a4上经螺钉安装有定磁铁c，耳板a1上经螺钉和压板h安装有压电振子i和弹簧片j；弹簧片j两侧的压电振子i的数量相等，压电振子i由基板i1和压电片i2粘接而成，基板i1靠近弹簧片j安装；压电振子i的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁m，弹簧片j的自由端两侧经螺钉安装有悬浮磁铁k，被悬浮磁铁m与悬浮磁铁k、限位磁铁n的同性磁极相对安装，弹簧片j的自由端插入质量块f的V型槽内；上凸台二b2和下凸台三a4上的定磁铁c与质量块f上的动磁铁c’的异性磁极相对安装。
压电振子i安装前为平直结构、安装后由于被悬浮磁铁m与悬浮磁铁k的耦合作用变为弯曲结构；弹簧片j不发生弯曲变形时，弹簧片j两侧压电振子i的变形及受力状态分别相同；当利用外力使压电振子i与限位磁铁n相接触时，压电片i2上的最大压应力小于其许用压应力、压电振子i端部的弯曲变形量不大于许用值其中：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i1的厚度，H为压电振子i的总厚度，Em和Ep分别为基板i1和压电片i2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i的长度。
非工作状态下，弹簧片j与质量块f之间相互接触但无作用力，弹簧片j不发生弯曲变形、弹簧片j两侧压电振子i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f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j及悬浮磁铁k迫使压电振子i弯曲变形并将机械能转换成电能：壳体a向下运动时，支撑弹簧e伸长、限位弹簧e’缩短、质量块f向上运动；同时，质量块f上方的动磁铁c’与上凸台二b2上的定磁铁c间距离缩短、相互间的吸引力逐渐增加，质量块f下方的动磁铁c’与下凸台三a4上的定磁铁c间距离增加、相互间的吸引力逐渐减小，从而增加了质量块f向上运动的速度和位移；相反，壳体a向上运动时，支撑弹簧e缩短、限位弹簧e’伸长、质量块f向下运动；同时，质量块f上方的动磁铁c’与上凸台二b2上的定磁铁c之间的距离增大、吸引力逐渐减小，质量块f下方的动磁铁c’与下凸台三a4上的定磁铁c之间的距离减小、吸引力逐渐增加，从而增加了质量块f向下运动的速度和位移；动磁铁c’与定磁铁c间磁力的变化不仅增加了压电振子i的变形量，也拓宽了自供电装置的有效频带宽度；当质量块f向上运动使其上方的动磁铁c’的中介面C’与定磁铁c的中介面C重合时，限位弹簧e’被压死；当质量块f向下运动使其下方的动磁铁c’的中介面C’与定磁铁c的中介面C重合时，支撑弹簧e被压死；支撑弹簧e和限位弹簧e’被压死时，压电振子i由于被悬浮磁铁m与限位磁铁n间的排斥力故不会发生相互接触且变形量为其许用变形量，压电片i2所受的最大压应力为其许用压应力。
Claims (1)
1.一种新型车载定位跟踪系统用振动俘能器，其特征在于：设有上凸台一和上凸台二的端盖安装在壳体上，上凸台一上安装有限位磁铁，上凸台二上安装有定磁铁；方形导柱上下两端分别镶嵌在端盖上和壳体的底壁上，方形导柱自下而上依次套有支撑弹簧、质量块和限位弹簧，支撑弹簧和限位弹簧均为碟形弹簧，质量块左右两侧都设有V型槽、上下两侧都安装有动磁铁；壳体左右侧壁上都设有耳板、底壁上设有两个下凸台一、下凸台二和下凸台三；下凸台一上安装有电路板，下凸台二上安装有限位磁铁，下凸台三上安装有定磁铁，耳板上安装有压电振子和弹簧片；弹簧片两侧的压电振子数量相等，压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近弹簧片安装；压电振子的自由端安装有被悬浮磁铁，弹簧片的自由端两侧安装有悬浮磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁、限位磁铁的同性磁极相对安装，弹簧片的自由端插入质量块的V型槽内；上凸台二和下凸台三上的定磁铁与质量块上的动磁铁的异性磁极相对安装；压电振子安装前为平直结构、安装后由于被悬浮磁铁与悬浮磁铁的耦合作用变为弯曲结构；弹簧片不发生弯曲变形时，弹簧片两侧压电振子的变形及受力状态分别相同；质量块向上运动使其上方的动磁铁的中介面与定磁铁的中介面重合时，限位弹簧被压死；质量块向下运动使其下方的动磁铁的中介面与定磁铁的中介面重合时，支撑弹簧被压死；支撑弹簧和限位弹簧被压死时，压电振子由于被悬浮磁铁与限位磁铁间的排斥力故不会发生相互接触且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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