CN107453649A - 一种压电振子单向弯曲的车载俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电振子单向弯曲的车载俘能器，属压电发电领域。端盖安装在壳体上；限位簧片安装在端盖与壳体的底壁上；方形导柱的上下两端镶嵌在端盖和壳体的底壁上，方形导柱上套有支撑弹簧、质量块和限位弹簧，弹簧均为碟形弹簧，激励磁铁装在质量块中部的环形凸台上；环形耳板上装有压电振子，压电振子之间压接有垫块，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子的基板靠近安装；压电振子的自由端装有受激磁铁，受激磁铁与质量块上激励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一半。
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，具体涉及一种压电振子单向弯曲的车载俘能器。
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的。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、或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，从而以提高其可靠性和安全性。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，现有振动发电装置固有频率都相对较高，不能很好地满足低频及大振幅车载环境。
发明内容
本发明提出一种压电振子单向弯曲的车载俘能器，本发明的实施方案是：端盖经螺钉安装在设有环形耳板的壳体上；限位簧片经螺钉安装在端盖与壳体的底壁上；方形导柱的上下两端分别镶嵌在端盖和壳体的底壁上，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，质量块的中部设有环形凸台，激励磁铁经螺钉安装在环形凸台上；环形耳板上经螺钉和压环安装有上压电振子和下压电振子，上压电振子和下压电振子之间压接有垫块，上压电振子和下压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子的基板靠近安装；上压电振子的自由端经螺钉安装有上受激磁铁，下压电振子的自由端经螺钉安装有下受激磁铁；上受激磁铁与激励磁铁的同性磁极相对安装，下受激磁铁与激励磁铁的同性磁极相对安装。
上压电振子和下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一半，即上压电振子和下压电振子的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：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和H分别为基板厚度和压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为上压电振子和下压电振子的长度。
非工作状态下，激励磁铁的中界面与垫块的中界面在同一水平面上，垫块两侧的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，再通过激励磁铁对上、下受激磁铁的作用力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，激励磁铁与上压电振子上的上受激磁铁间距离缩短、相互间排斥力逐渐增加，上压电振子形变量增大，激励磁铁与下压电振子上的下受激磁铁间距离增加、相互间的排斥力逐渐减小，下压电振子形变量减小；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，激励磁铁与上压电振子上的上受激磁铁之间的距离增大、排斥力逐渐减小，上压电振子形变量减小，激励磁铁与下压电片上的下受激磁铁之间的距离减小、排斥力逐渐增加，下压电振子形变量增大；当质量块向上或向下运动使支撑弹簧或限位弹簧被压死时，上压电振子和下压电振子的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支撑弹簧和限位弹簧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自供电装置的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
端盖a经螺钉安装在设有环形耳板b1的壳体b上；限位簧片k经螺钉安装在端盖a与壳体b的底壁上；方形导柱h的上下两端分别镶嵌在端盖a和壳体b的底壁上，方形导柱h自下而上依次套有支撑弹簧f’、质量块e和限位弹簧f，支撑弹簧f’和限位弹簧f均为碟形弹簧，质量块e的中部设有环形凸台e1，激励磁铁g经螺钉安装在环形凸台e1上；环形耳板b1上经螺钉和压环m安装有上压电振子d和下压电振子d’，上压电振子d和下压电振子d’之间压接有垫块c，上压电振子d与下压电振子d’由基板d1和压电片d2粘接而成，压电振子d的基板d1靠近安装；上压电振子d的自由端经螺钉安装有上受激磁铁i，下压电振子d’的自由端经螺钉安装有下受激磁铁i’；上受激磁铁i与激励磁铁g的同性磁极相对安装，下受激磁铁i’与激励磁铁g的同性磁极相对安装。
上压电振子d与下压电振子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一半，即上压电振子d与下压电振子d’的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：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和H分别为基板d1厚度和压电振子d总厚度，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为上压电振子d与下压电振子d’的长度。
非工作状态下，激励磁铁g的中界面与垫块c的中界面在同一水平面上，垫块c两侧的压电振子d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e在其自身惯性力作用下产生与壳体b的相对运动，再通过激励磁铁g对上受激磁铁i与下受激磁铁i’的作用力迫使压电振子d弯曲变形并将机械能转换成电能：壳体b向下运动时，支撑弹簧f’伸长、限位弹簧f缩短、质量块e向上运动；同时，激励磁铁g与上压电振子d上的上受激磁铁i间距离缩短、相互间排斥力逐渐增加，上压电振子d形变量增大，激励磁铁g与下压电振子d’上的下受激磁铁i’间距离增加、相互间的排斥力逐渐减小，下压电振子d’形变量减小；相反，壳体b向上运动时，支撑弹簧f’缩短、限位弹簧f伸长、质量块e向下运动；同时，激励磁铁g与上压电振子d上的上受激磁铁i之间的距离增大、排斥力逐渐减小，上压电振子d形变量减小，激励磁铁g与下压电振子d’上的下受激磁铁i’之间的距离减小、排斥力逐渐增加，下压电振子d’形变量增大；当质量块e向上或向下运动使支撑弹簧f’或限位弹簧f被压死时，上压电振子d与下压电振子d’的变形量为其许用变形量，压电片d2所受的最大压应力为其许用压应力。
Claims (1)
1.一种压电振子单向弯曲的车载俘能器，其特征在于：端盖安装在壳体上；限位簧片安装在端盖与壳体的底壁上；方形导柱的上下两端镶嵌在端盖和壳体的底壁上，方形导柱上套有支撑弹簧、质量块和限位弹簧，弹簧均为碟形弹簧，激励磁铁装在质量块中部的环形凸台上；环形耳板上装有压电振子，压电振子之间压接有垫块，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子的基板靠近安装；压电振子的自由端装有受激磁铁，受激磁铁与质量块上激励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一半；工作时，质量块在其自身惯性力作用下产生与壳体的相对运动，再通过激励磁铁对受激磁铁的作用力迫使压电振子弯曲变形并将机械能转换成电能，当质量块向上或向下运动使支撑弹簧支撑弹簧或限位弹簧被压死时，压电振子的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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