CN108566120B - 一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置 - Google Patents
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Abstract
一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置，属于节能技术及再生环保新能源领域。由调节台，活动支架，固定支架及压电结构组成，调节台在整体结构中起到调节压电结构中悬臂基板长度的作用并充当整体结构中的质量块来调节结构的固有频率，活动支架与固定支架与外界连接，接收外界激励并传递给压电结构中，压电结构由可调节长度的悬臂基板与压电片构成，并将其固定在活动支座上，通过支座接收环境的振动激励，使悬臂板产生振动变形，从而使粘贴在悬臂板上的压电片产生变形获取能量。该结构通过调节台调节悬臂基板的长度来改变整体的固有频率，使结构可以俘获环境中不同频率的能量，提高了发电性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置，通过收集周围环境的振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域。
背景技术
自然界中有很多种能量，如热能、光能、风能、磁能、机械能等，俘能器就是把这些能量进行采集并转化成电能的设备。从环境中俘获能量并给传感器或移动电子设备等小型，小功率设备提供持续的能量则是目前的研究热点，1:不同类型的俘能器需要不同的能源，振动源无处不在，因而振动俘能器的应用范围十分广泛，而振动俘能器根据能量转换机理的不同又有电磁式、压电式、静电式、磁致伸缩式等不同类型，2：其中压电式俘能器通过压电效应把机械能转化为电能，它不需要外部电源，并且具有结构简单紧凑、无电磁干扰、不发热、易于加工制作和实现微小化、集成化等优点。并且通过该原理采集到的能量为清洁能源，对环境无污染。采用悬臂板结构设计的压电俘能器改进方向一直是拥有更低的固有频率及更宽的频宽，所以设计出更有效的结构可以提高俘能效率。在自然环境中的振动源并不会保持一定的频率，而只有在结构与环境发生共振(频率相同或相近)时，压电结构才能高效率的俘获能量。因此本发明设计了可伸缩式结构的压电俘能器，可以通过调节压电结构的长度来调节结构的固有频率，从而使结构能以较高的效率俘获能量。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种新型的可伸缩式悬臂板结构压电俘能器，在降低俘能器的固有频率的同时，又通过可伸缩式压电悬臂基板，使结构固有频率可以随之改变，因此与周围环境匹配的振动频率范围变广。本发明旨在此目的上设计了实现可伸缩式压电悬臂板的机械结构，及俘能器的整体结构。
实现本发明的技术方案是，一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置，包括调节台(质量块)、调节轴、支架、压电结构四部分，调节台包括调节台基座(1)、调节台上盖(2)、调节台下盖(3)，调节轴包括两个阶梯轴(4)、两个齿轮(5)、两个轴套(6)、四个轴承(7)，支座包括四个活动支架(8)、四个固定支架(9)，压电结构包括四个压电悬臂基板、四个压电片；
调节台部分的调节台基座(1)技术方案为：调节台基座的三维图如图3所示，调节台为一个长方体型块，在调节台基座的中心处设计有圆形孔，圆形孔为贯穿孔，上下表面圆形孔处还设计了用于放置轴承的沉孔以及放置齿轮的沉孔；在四个延长的长方条的中间部位预留了螺纹孔，用于与调节台上盖，调节台下盖连接；调节台基座(1)上面和下面均对应设有一个阶梯轴(4)，每个阶梯轴(4)配有一个齿轮(5)、一个轴套(6)、两个轴承(7)，阶梯轴(4)技术方案为：调节台基座(1)上面的阶梯轴(4)从下至上沿轴向依次分为第一段-第五段，第一段与第五段为轴颈，分别与一个轴承(7)配合，第一段与第五段轴径相同；第二段轴为轴肩，作用为固定轴承的轴向运动；第三段轴为轴环，作用为分隔轴承与齿轮；第四段轴为轴头，与一个齿轮(5)同轴配合，并在轴外径上设计了正方体型键与齿轮(5)的中心孔内侧壁设置的正方体型凹槽配合；第六段轴为旋钮，作用是动力输入，通过旋转旋钮控制调节轴转动。阶梯轴相邻各段的轴径不同，且第二段轴肩的轴径要小于轴承内径；在阶梯轴上第四段对应的齿轮(5)和第五段对应的轴承(7)之间还设有轴套(6)；第一段对应的轴承(7)位于调节台基座(1)的轴承的沉孔中，第四段对应的齿轮(5)位于调节台基座(1)的齿轮的沉孔中，其中齿轮(5)轴向还有一部分凸出调节台基座(1)的上表面；
同理调节台基座(1)下面的阶梯轴(4)从上至下沿轴向依次分为第一段-第五段，其他同调节台基座(1)上面的阶梯轴(4)；
每个活动支架包括相互垂直的长杆和短杆，构成L型，杆截面为正方形；每个固定支架为直杆，截面为正方形，并在杆的中心设计了方形孔，方形孔的大小与活动支架的杆截面大小相同，每个固定支架套在一个活动支架的长杆的自由端；
悬臂基板包括两部分，一部分平板的侧面设有与齿轮啮合的齿条，另一部分平板侧面没有齿条，上表面用于粘接压电片，两部分厚度相同，齿条模数与压力角与齿轮(5)相同；每个悬臂基板用于粘接压电片的自由端与活动支架的短杆的自由端固定连接，使得活动支架、固定支架、悬臂基板总体构成直角U型结构；悬臂基板与直角U型结构同平面，且齿条位于直角U型结构的外侧面；
调节台基座(1)上面的齿轮(5)配有两个悬臂基板，分别称为第一悬臂基板(10)和第三悬臂基板(12)；第一悬臂基板(10)和第三悬臂基板(12)平行且在一个平面内，分别位于齿轮的两侧，第一悬臂基板(10)和第三悬臂基板(12)与齿轮(5)配合运动时，方向相反；同理在调节台基座(1)下面的齿轮配有两个悬臂基板，分别称为第二悬臂基板(11)和第四悬臂基板(13)；第二悬臂基板(11)和第四悬臂基板(13)平行且在一个平面内，分别位于齿轮的两侧，第二悬臂基板(11)和第四悬臂基板(13)与齿轮配合运动时，方向相反；进一步优选自上而下看，四个悬臂基板分别所在的直角U型结构依次首位排列构成正方向排列；
调节台上盖(2)位于调节台基座(1)的上面，且与调节台基座(1)的上表面组成空腔结构，将第一悬臂基板(10)和第三悬臂基板(12)围在空腔内；调节台下盖(3)位于调节台基座(1)的下面，且与调节台基座(1)的下表面组成空腔结构，将第二悬臂基板(11)和第四悬臂基板(13)围在空腔内。
进一步优选四个压电片设计完全相同，分别粘接在悬臂基板上并且紧贴悬臂基板表面。
调节轴部分的齿轮(5)优选技术方案为：采用直齿轮国标，模数为1.5，齿数为20，压力角为20度，并设计了方形键槽。
调节轴部分的轴套(6)优选技术方案为：轴套的正视图、俯视图如图6所示，从下至上，第一段轴环作用为限制轴承轴向运动，轴面与轴承内圈相抵；第二段轴环作用为限制齿轮轴向运动，轴面与齿轮相抵；轴套设计有中心贯穿孔。
调节轴部分的轴承(7)优选技术方案为：采用角接触球轴承GB/T 292-1994。
对于悬臂悬臂板长度组合的问题上，不同悬臂基板长度可以使整体结构固有频率有所变化，但同时会是结构整体尺寸变化，所以在实际情况中，要根据分配的空间大小以及环境激励固有频率来调整悬臂基板长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明中的压电结构采用环形排列方式，在结构中间部位放置了调节台充当质量快，在有效降低结构固有频率的基础上可以根据环境振动频率的大小来调节整个俘能器的固有频率，使得俘能效率得以提高。2、本发明发电装置中的四个压电悬臂梁设计为可伸缩形式，并且设计了齿条部分与调节台中的齿轮啮合，且将悬臂基板分为两组与调节台啮合，通过这种设计可以实现通过旋转调节台的两个旋钮，获得多种结构的悬臂基板长度组合，从而使结构能够俘获能量的频率带宽变宽，能够引用到更多的环境中。3、现有的发明专利中，以悬臂梁为振子的压电发电装置有很多，悬臂梁具有频率低的特点，但以悬臂板为压电发电装置还比较少，但悬臂板压电发电装置相比悬臂梁为振子的压电发电装置，由于其压电层铺设面积大的优点，且结构中的四个悬臂板串联连接，发电效率会大大提高。4、本发明采用环形拍列方式，而且可以调节结构的整体尺寸，本发明的结构更加紧凑，更加适用于空间较小的微机电系统中。
附图说明
图1是本发明一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置的零件爆炸图；
图2是本发明装置中调节轴部分的三维图；
图3是本发明装置中调节台基座的三维图；
图4是本发明装置中调节台上盖的三维图；
图5是本发明装置中阶梯轴零件的正视图与俯视图；
图6是本发明装置中轴套零件的正视图与俯视图；
图7是本发明装置中固定制作与活动支座的装配图；
图8是本发明装置中悬臂基板零件的俯视图；
图9是本发明装置中调节台部分的装配图；
图10是本发明装置中调节轴的部分装配图；
图11是本发明装置中压电结构部分的装配图；
1调节台基座、2调节台上盖、3调节台下盖、4调节轴、5齿轮、6轴套、7轴承、8活动支架、9固定支架、10第一悬臂基板、11第二悬臂基、12第三悬臂基板、13第四悬臂基板、14第一压电片、15第二压电片、16第三压电片、17第四压电片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置，包括调节台(充当质量块)，调节轴，支架，压电结构四部分，调节台包括调节台基座1，调节台上盖2，调节台下盖3，调节轴部分包括两个阶梯轴4，两个齿轮5，两个轴套6，四个轴承7，支座部分包括四个活动支架8，四个固定支架9，压电结构包括四个压电基板，四个压电片，将压电悬臂基板环形阵列在结构四周，并将其固定在活动支座上，第一悬臂基板10与第三悬臂基板12在同一平面内，固定端固定于活动支架侧面，自由端与调节台上盖2粘接，第二悬臂基板11与第四悬臂基板13在同一平面内，固定端分别固定活动支架侧面，自由端与调节台下盖3粘接，四个固定支座环绕在调节台四周，分别于四个悬臂基板处在同一平面，四个活动支架与固定支架进行轴孔配合，是活动支架可以在固定支架的轴线方向自由活动。结构通过固定支座接收环境的振动激励，通过活动支架传递给悬臂基板，随之产生振动变形，从而使粘贴在悬臂板上的压电片产生变形获取能量，在结构的中间部位为调节台，起到降低结构固有频率并改变悬臂基板长度的作用。结构通过改变四个悬臂基板的长度组合来调节结构固有频率，得到更宽的共振频率带。
调节台部分的调节台基座1技术方案为：调节台基座的三维图如图3所示，调节台为一个长方体型块，在上下两个面上各有沿两个侧面延长的长方条，并且上下两个面的长方条相互垂直，在调节台基座的中心处设计有圆形孔，圆形孔为贯穿孔，上下表面设计了用于放置轴承的沉孔以及放置齿轮的沉孔；在四个延长的长方条的中间部位预留了螺纹孔，用于与调节台上盖，调节台下盖连接。
调节台部分的调节台上盖2、调节台下盖3技术方案为：调节台上盖的三维图如图4所示，调节台上盖为一个长方体型块，在底面有两个沿着侧面延长的长方条，两个长方体位置平行，长度相同，在两个长方条的底面有两个沿着侧面延长的长方条，位置位于两个长方条的中心，高度为悬臂基板厚度。调节台下盖设计与调节台下盖设计相同。
调节轴部分的阶梯轴4技术方案为：阶梯轴正视图、俯视图如图5所示，从下至上，第一段与第五段为轴颈，作用是与两端的轴承7配合，两段轴径相同；第二段轴为轴肩，作用为固定轴承的轴向运动；第三段轴为轴环，作用为分隔轴承与齿轮；第四段轴为轴头，并在轴上设计了正方体型键；第六段轴为旋钮，作用是动力输入，通过旋转旋钮控制调节轴转动。阶梯轴相邻各段的轴径不同，且第二段轴肩的轴径要小于轴承内径。
调节轴部分的齿轮5技术方案为：采用直齿轮国标，模数为1.5，齿数为20，压力角为20度，并设计了方形键槽。
调节轴部分的轴套6技术方案为：轴套的正视图、俯视图如图6所示，从下至上，第一段轴环作用为限制轴承轴向运动，轴面与轴承内圈相抵；第二段轴环作用为限制齿轮轴向运动，轴面与齿轮相抵；轴套设计有中心贯穿孔。
调节轴部分的轴承7技术方案为：采用角接触球轴承GB/T 292-1994。
支架部分的技术方案为：活动支架8与固定支架9的配合图如图7所示，活动支架为L型杆，杆截面为正方形；固定支架为直杆，截面为正方形，并在杆的中心设计了方形孔，孔的大小为活动支架的杆截面大小，杆的长度为活动支架中长杆的长度，方形孔为贯穿孔。
压电结构部分的技术方案为：四个悬臂基板设计完全相同，其俯视图如图8所示，悬臂基板设计为两部分，一部分是用于与齿轮啮合的齿条部分，一部分为用于粘接压电片的方型板部分，两部分厚度相同，齿条为矩形直齿条，齿条模数与压力角与齿轮5相同。四个压电片设计完全相同，粘接在悬臂基板方型板部分并且紧贴侧面。
如图9所示，该图展示了调节台部分的装配模式，调节台上盖与调节台下盖设计相同，在装配时调节台上盖与调节台下盖中的长方条分别与调节台基座上下面的长方条互相垂直，同时在调节台基座的长方条上预留的螺纹孔与调节台上盖与调节台下盖预留的圆孔对齐放置，此处装配有压紧螺丝。
如图10所示，该图展示了调节轴部分与调节台基座的装配模式，阶梯轴的轴颈部分与轴承配合，轴承放置在调节台基座的中心沉孔位置与调节台上盖的中心沉孔位置，齿轮通过键鞘配合，装配在阶梯轴的轴头部位。调节台基座的上下面各装配一个调节轴，装配方式相同，方向相反。
如图11所示，该图展示了支架部分与压电部分的装配模式，压电悬臂梁的齿条部分与调节轴的齿轮啮合，矩形板部分与活动支架粘接；活动支架与固定支架为轴孔配合。
该压电发电装置受到外界机械振动激励发生共振，首先外界的振动引起四个固定支架9及四个活动支架8的振动，从而使悬臂基板产生形变会引起四个压电层的变形，压电片发生形变时会因压电效应产生电能；当外界环境的振动激励频率改变时，可以通过旋钮旋转调节轴改变悬臂基板的长度来改变结构的固有频率，从而使整体结构与外界发生共振，提高俘能效率。
综上所述：本发明可伸缩式的压电俘能器装置，通过环形排列的方式及可伸缩的悬臂基板结构，使结构的共振频率降低且共振带宽变宽，又通过加载质量块(调节台)使结构的固有频率进一步降低，可以更容易受外界振动影响发生共振，结构在环境振动激励下发生共振，发电效率明显提高。
本发明的环形阵列式的压电俘能器装置可用于微机电产品，如无线传感器内部供电、飞行器及卫星元器件等，也可用于运动发电，如人行走时放置在鞋底上的压电装置，铺设在公路路面上的压电装置等。
Claims (4)
1.一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置，包括调节台、调节轴、支架、压电结构四部分，调节台包括调节台基座(1)、调节台上盖(2)、调节台下盖(3)，调节轴包括两个阶梯轴(4)、两个齿轮(5)、两个轴套(6)、四个轴承(7)，支座包括四个活动支架(8)、四个固定支架(9)，压电结构包括四个压电悬臂基板、四个压电片；
调节台部分的调节台基座(1)技术方案为：调节台为一个长方体型块，在调节台基座的中心处设计有圆形孔，圆形孔为贯穿孔，上下表面圆形孔处还设计了用于放置轴承的沉孔以及放置齿轮的沉孔；在四个延长的长方条的中间部位预留了螺纹孔，用于与调节台上盖，调节台下盖连接；调节台基座(1)上面和下面均对应设有一个阶梯轴(4)，每个阶梯轴(4)配有一个齿轮(5)、一个轴套(6)、两个轴承(7)，阶梯轴(4)技术方案为：调节台基座(1)上面的阶梯轴(4)从下至上沿轴向依次分为第一段-第五段，第一段与第五段为轴颈，分别与一个轴承(7)配合，第一段与第五段轴径相同；第二段轴为轴肩，作用为固定轴承的轴向运动；第三段轴为轴环，作用为分隔轴承与齿轮；第四段轴为轴头，与一个齿轮(5)同轴配合，并在轴外径上设计了正方体型键与齿轮(5)的中心孔内侧壁设置的正方体型凹槽配合；第六段轴为旋钮，作用是动力输入，通过旋转旋钮控制调节轴转动；阶梯轴相邻各段的轴径不同，且第二段轴肩的轴径要小于轴承内径；在阶梯轴上第四段对应的齿轮(5)和第五段对应的轴承(7)之间还设有轴套(6)；第一段对应的轴承(7)位于调节台基座(1)的轴承的沉孔中，第四段对应的齿轮(5)位于调节台基座(1)的齿轮的沉孔中，其中齿轮(5)轴向还有一部分凸出调节台基座(1)的上表面；
同理调节台基座(1)下面的阶梯轴(4)从上至下沿轴向依次分为第一段-第五段，其他同调节台基座(1)上面的阶梯轴(4)；
每个活动支架包括相互垂直的长杆和短杆，构成L型，杆截面为正方形；每个固定支架为直杆，截面为正方形，并在杆的中心设计了方形孔，方形孔的大小与活动支架的杆截面大小相同，每个固定支架套在一个活动支架的长杆的自由端；
悬臂基板包括两部分，一部分平板的侧面设有与齿轮啮合的齿条，另一部分平板侧面没有齿条，上表面用于粘接压电片，两部分厚度相同，齿条模数与压力角与齿轮(5)相同；每个悬臂基板用于粘接压电片的自由端与活动支架的短杆的自由端固定连接，使得活动支架、固定支架、悬臂基板总体构成直角U型结构；悬臂基板与直角U型结构同平面，且齿条位于直角U型结构的外侧面；
调节台基座(1)上面的齿轮(5)配有两个悬臂基板，分别称为第一悬臂基板(10)和第三悬臂基板(12)；第一悬臂基板(10)和第三悬臂基板(12)平行且在一个平面内，分别位于齿轮的两侧，第一悬臂基板(10)和第三悬臂基板(12)与齿轮(5)配合运动时，方向相反；同理在调节台基座(1)下面的齿轮配有两个悬臂基板，分别称为第二悬臂基板(11)和第四悬臂基板(13)；第二悬臂基板(11)和第四悬臂基板(13)平行且在一个平面内，分别位于齿轮的两侧，第二悬臂基板(11)和第四悬臂基板(13)与齿轮配合运动时，方向相反；
调节台上盖(2)位于调节台基座(1)的上面，且与调节台基座(1)的上表面组成空腔结构，将第一悬臂基板(10)和第三悬臂基板(12)围在空腔内；调节台下盖(3)位于调节台基座(1)的下面，且与调节台基座(1)的下表面组成空腔结构，将第二悬臂基板(11)和第四悬臂基板(13)围在空腔内；
自上而下看，四个悬臂基板分别所在的直角U型结构依次首位排列构成正方向排列；
四个压电片设计完全相同，分别粘接在悬臂基板上并且紧贴悬臂基板表面。
2.按照权利要求1所述的一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置，其特征在于，调节轴部分的齿轮(5)技术方案为：采用直齿轮国标，模数为1.5，齿数为20，压力角为20度。
3.按照权利要求1所述的一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置，其特征在于，调节轴部分的轴套(6)技术方案为：第一段轴环作用为限制轴承轴向运动，轴面与轴承内圈相抵；第二段轴环作用为限制齿轮轴向运动，轴面与齿轮相抵；轴套设计有中心贯穿孔。
4.按照权利要求1所述的一种可伸缩式悬臂板结构压电俘能器装置，其特征在于，调节轴部分的轴承(7)技术方案为：采用角接触球轴承GB/T 292-1994。
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| CN108566120A (zh) | 2018-09-21 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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