CN107395056B - 一种多维振动俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多维振动俘能器，属压电发电技术领域。上盖装在壳体的侧壁上，上盖上设有上圆柱、装有限位环；壳体侧壁上设有环台，壳体底壁上设有下圆柱、装有限位环和电路板；激励器的隔板上下两侧对称地设有球缺和激励环，隔板与其上下两侧的激励环形成环槽；隔板上下两侧的球缺同心，球缺球心和激励环圆心在水平方向上偏心；激励环的激励面为斜面；激励器远离球缺中心的一侧的环槽内装有惯性块；隔板上下两侧的球缺分别置于上圆柱和下圆柱端部的内凹球面中，上圆柱和下圆柱上均套有复位弹簧；壳体的环台上装有两组由隔环隔开的压电振子；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板端部设有翻边且靠近隔环安装，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，具体涉及一种多维振动俘能器，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
本发明提出一种多维振动俘能器，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，上盖上设有上圆柱，上圆柱的端面为内凹球面，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圆柱，下圆柱的端面为内凹球面；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；激励器的隔板上下两侧对称地设有球缺和激励环，隔板与其上下两侧的激励环共同形成环槽；隔板上下两侧球缺的球心相同，球缺的球心和激励环的圆心在水平方向上存在一定的偏心距；激励环上的激励面为斜面，激励面向激励环内侧倾斜；激励器的环槽内经螺钉安装有惯性块，惯性块在远离球缺中心的一侧安装；激励器的隔板上下两侧的球缺分别置于上圆柱和下圆柱端部的内凹球面中，上圆柱和下圆柱上均套有复位弹簧，复位弹簧为碟形弹簧且其大端顶靠在隔板上、小端顶靠在限位环上；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，基板的自由端设有翻边，翻边向压电片的方向弯曲；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，且激励器处于水平状态时各压电振子的最大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、惯性块重力及复位弹簧的作用下处于某种平衡状态，各压电振子处于不同的弯曲状态；当环境中存在振动时，由于激励器中球缺与激励环之间存在偏心距以及惯性块的非对称配置，激励器将绕球缺的中心转动或摆动，从而改变压电振子与激励器的接触点，即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；当激励器绕球缺中心摆动幅度较大时，压电振子自由端的翻边首先与限位环接触，当激励器摆动幅度继续增加并将压电振子自由端的翻边压靠在限位环上时，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摆动或转动的状态所决定；在压电振子及激励器结构及尺度确定时，可通过复位弹簧的刚度和惯性块的质量加以调整，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，且系统基频易于通过复位弹簧及激励器的附加质量调节；工作中压电振子仅承受单向激励、产生单向弯曲变形、压电片仅承受压应力，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上设有上圆柱a1，上圆柱a1的端面为内凹球面，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上设有下圆柱b4，下圆柱b4的端面为内凹球面；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；激励器e的隔板e1上下两侧对称地设有球缺e2和激励环e3，隔板e1与其上下两侧的激励环e3共同形成环槽e4；隔板e1上下两侧球缺e2的球心相同，球缺e2的球心o和激励环e3的圆心o’在水平方向上存在一定的偏心距J；激励环e3上的激励面e5为斜面，激励面e5向激励环e3的内侧倾斜；激励器e的环槽e4内经螺钉安装有惯性块k，惯性块k在远离球缺e2中心o的一侧安装；激励器e的隔板e1上下两侧的球缺e2分别置于上圆柱a1和下圆柱b4端部的内凹球面中，上圆柱a1和下圆柱b4上均套有复位弹簧f，复位弹簧f为碟形弹簧且其大端顶靠在隔板e1上，小端顶靠在限位环c上；壳体b的环台b2上经压环g和螺钉安装有两组压电振子h，两组压电振子h由隔环i隔开；压电振子h为由基板h1和压电片h2粘接而成的扇形或长方形悬臂梁，基板h1的自由端设有翻边h3，翻边h3向压电片h2的方向弯曲；各压电振子h经不同的导线组分别与电路板d连接；压电振子h的基板h1靠近隔环i安装，压电振子h的自由端顶靠在激励器e的激励面e5上；压电振子h安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，且激励器e处于水平状态时各压电振子h的最大变形量为其许用值的一半；压电振子h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h1的厚度，H为压电振子h总厚度，Em和Ep分别为基板h1和压电片h2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h的悬臂长度。
非工作状态下，即环境中无振动时，激励器e在其自身重力、惯性块k的重力及复位弹簧f的作用下处于某种平衡状态，各压电振子h处于不同的弯曲状态；当环境中存在振动时，由于激励器e中球缺e2与激励环e3之间存在偏心距J以及惯性块k的非对称配置，激励器e将绕球缺e2的中心转动或摆动，从而改变压电振子h与激励器e的接触点，即改变压电振子h的变形量及其压电片h2上的应力分布状态，压电片h2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e绕球缺e2中心摆动幅度较大时，压电振子h自由端的翻边h3首先与限位环c接触，当激励器e摆动幅度继续增加并将压电振子h自由端的翻边h3压靠在限位环c上时，压电振子h自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片h2上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子h的变形特性由激励器e摆动或转动的状态所决定；在压电振子h及激励器e结构及尺度确定时，可通过复位弹簧f的刚度和惯性块k的质量加以调整，实现与船舶颠簸振动频率相匹配；同时，因压电振子h自身的基频远高于船舶的颠簸振动频率，故压电振子h始终工作在一阶模态下，发电效果较好；此外，压电振子h工作中仅承受激励器e的单向激励、只产生使压电片h2承受压应力的单向变形，可靠性高。
Claims (1)
1.一种多维振动俘能器，其特征在于：上盖装在壳体的侧壁端部，上盖上设有上圆柱，上圆柱的端面为内凹球面，上盖上装有限位环，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圆柱，下圆柱的端面为内凹球面；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；激励器的隔板上下两侧对称地设有球缺和激励环，隔板与其上下两侧的激励环共同形成环槽；隔板上下两侧球缺的球心相同，球缺的球心和激励环的圆心在水平方向上存在一定的偏心距；激励环上的激励面为斜面，激励面向激励环内侧倾斜；激励器的环槽内装有惯性块，惯性块在远离球缺中心的一侧安装；激励器的隔板上下两侧的球缺分别置于上圆柱和下圆柱端部的内凹球面中，上圆柱和下圆柱上均套有复位弹簧，复位弹簧为碟形弹簧且其大端顶靠在隔板上、小端顶靠在限位环上；壳体的环台上装有两组压电振子，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，基板自由端设有翻边，翻边向压电片的方向弯曲；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，且激励器处于水平状态时各压电振子的最大变形量为其许用值的一半；激励器绕球缺中心摆动幅度较大时压电振子自由端的翻边首先与限位环接触，激励器摆动幅度继续增加并将压电振子自由端的翻边压靠在限位环上时压电振子自由端的变形量小于其许用值。
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| CN113364349B (zh) * | 2021-07-05 | 2022-12-06 | 浙江师范大学 | 一种列车轮对监测装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010043617A2 (en) * | 2008-10-15 | 2010-04-22 | D4 Technology Limited | Generator for converting fluid energy to electrical energy |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010043617A2 (en) * | 2008-10-15 | 2010-04-22 | D4 Technology Limited | Generator for converting fluid energy to electrical energy |
| CN102594203A (zh) * | 2012-03-29 | 2012-07-18 | 浙江师范大学 | 纵振横摆式低频大振幅压电悬臂梁发电装置 |
| CN102594204A (zh) * | 2012-03-29 | 2012-07-18 | 浙江师范大学 | 基于火车振动能量回收的手机充电用发电装置 |
| CN204145333U (zh) * | 2014-07-02 | 2015-02-04 | 苏州市职业大学 | 一种路面能量收集装置 |
| KR20150122112A (ko) * | 2015-10-19 | 2015-10-30 | 김종수 | 동시 가압장치를 이용한 동시압력전달방법과 이를 이용한 압전발전모듈 |
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