CN110752781B - 一种两用压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种两用压电发电机，属新能源技术领域。主体体腔的右壁外侧设有两个横梁，惯性体两端的耳板经簧片与主体的横梁相连，惯性体上经调节块安装有主磁铁；体腔上端装有端盖，导销两端分别置于端盖的沉孔和体腔底壁的沉孔内，导销上自下而上依次套有平衡簧、激励器和缓冲簧；激励器左右侧面上都对称地设有两个或两组凸轮，激励器的右侧面中心处的凸块上装有副磁铁；凸轮面由依次相连的底面、斜面及顶面构成；体腔的左右壁上都装有带倾斜安装面的座板，安装面上装有压电振子，压电振子为由基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，压电振子自由端装有顶块，顶块顶靠在凸轮面上，主副磁铁间无相互作用力时顶块与凸轮的斜面的中点接触。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种两用压电发电机，用于振动与流体动能回收。
背景技术
近年来，随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在环境监测、建筑物及桥梁的健康监测、工业、军事及公共安全等领域应用的普及，为其提供持续能源供应的微小型压电发电机的研究受到国内外学者的广泛关注。目前已提出的微小型压电发电机可成功用于振动能、风能、水流能及海浪能等的有效回收。但现有这些压电发电机的功能单一，即通常仅能用于一种环境能量的回收，且其可靠性及环境适应性都十分有限，不利于压电发电技术的推广应用。
发明内容
本发明提出一种两用压电发电机，本发明采用的实施方案是：主体上设有体腔，体腔的左右壁上各设有一组安装孔，体腔的右壁外侧设有两个相互平行的横梁；惯性体两端都设有耳板，耳板上经压板安装有簧片，簧片的另一端经压板和螺钉安装在主体的横梁上；惯性体上经螺钉和调节块安装有主磁铁，惯性体为柱体，惯性体中心到体腔的右壁外侧的距离为惯性体直径的0.5～3.5倍；体腔上端经螺钉安装有端盖，导销两端分别置于端盖的沉孔和体腔底壁的沉孔内，导销上自下而上依次套有平衡簧、激励器和缓冲簧，激励器的销孔套在导销上；激励器的左右侧面上沿销孔轴向都对称地设有两个或两组凸轮，激励器的右侧面中心处的凸块上经螺钉安装有副磁铁，主副磁铁同性或异性磁极相对安装，无外力作用时凸块与惯性体的几何中心线位于同一水平面内；凸轮的凸轮面由依次相连的底面、斜面及顶面构成，底面与顶面间的距离为凸轮升程，底面与斜面间所构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；体腔的左右壁上都经螺钉安装有座板，座板置于安装孔内，座板上设有倾斜的安装面，安装面与体腔的左右壁形成的锐角为安装角，安装角为30～50度；座板的安装面上经螺钉和压条安装有压电振子，压电振子为由基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，基板靠近激励器安装，压电振子自由端经螺钉安装有顶块，顶块顶靠在凸轮面上；主副磁铁间无相互作用力时顶块与凸轮的斜面的中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用变形量的一半，压电振子的许用变形量大于凸轮升程。
本发明中，发电机可用于收集振动能和流体能；①作为流体能发电机时，惯性体中心到体腔的右壁外侧的距离为惯性体直径的0.5～3.5倍，即应根据实际流体种类和速度调节惯性体与主体的右壁间的距离，使振幅增加或减小；工作中，风或水流由惯性体流向主体的右壁，流体流经惯性体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使惯性体上下两侧的压力交替变化从而产生使惯性体往复摆动的激振力，摆动方向与来流方向垂直；②作为振动发电机时，环境中的纵向振动都会使惯性体和激励器产生相应的振动。
振动及流体环境下，惯性体n上下振动时主副磁铁间的相对位置及相互作用力发生变化，副磁铁受力时带动激励器沿导销往复运动，进而迫使压电振子沿凸轮的斜面往复弯曲变形，压电振子d往复弯曲变形过程中即将机械能转换成电能；压电振子的具体变形过程如下：①激励器离开平衡位置并使压电振子自由端的顶块沿凸轮的斜面上升时，压电振子变形量逐渐增加；激励器移动并使顶块与凸轮的顶面接触时，压电振子变形量达到最大、不再随激励器的继续移动而增加；②激励器离开平衡位置并使顶块沿凸轮的斜面下降时，压电振子变形量逐渐减小；激励器移动并使顶块与凸轮的底面接触时，压电振子的变形量达最小、不再随激励器的继续移动而降低。上述的工作过程中：激励器同步激励多个或多组压电振子，发电能力强；各压电振子的最大变形都小于凸轮升程，可靠性高；激励器同侧的两组压电振子与激励器间的相互作用力方向相反，总的阻力小、易于驱动；发电机为两自由度系统，且其振动响应特性易于通过平衡簧、缓冲簧及簧片的刚度调节，故环境适应性强、频带宽。
本发明中，基板和压电片厚度相等，压电振子安装前的自然状态下为预弯结构，基板的预弯半径小于压电片的预弯半径，二者粘接面处的预弯半径为
其中：h为压电振子总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明中，基板和压电片厚度相等，压电振子安装前的自然状态下也可为平直结构，压电振子固定端双层被夹持时其自由端的许用变形量为
其中l和h分别为压电振子的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
优势与特色：①可用于振动能和流体动能回收；②发电机为2自由度系统，激励器同步激励多个压电振子，激励器振动响应特性易于通过系统刚度调节，故发电能力强、有效频带宽、可靠性高；③压电振子单向弯曲变形且变形量可控，其最大变形都小于凸轮的升程，故发电能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；
图2是采用平直压电振子时图1的A-A剖视图；
图3是采用预弯压电振子时图1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示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图。
具体实施方式
主体a上设有体腔a1，体腔a1的左壁a2和右壁a3上各设有一组安装孔a6，体腔a1的右壁a3的外侧设有两个相互平行的横梁a5；惯性体n的两端都设有耳板n1，耳板n1上经压板o安装有簧片p，簧片p的另一端经压板o和螺钉安装在主体a的横梁a5上；惯性体n上经螺钉和调节块安装有主磁铁j，调节块q位于惯性体n和主磁铁j之间；惯性体n为柱体，惯性体n的中心到体腔a1的右壁a3外侧的距离L是惯性体n的直径D的0.5～3.5倍；体腔a1的上端经螺钉安装有端盖b，导销h的两端分别置于端盖b的沉孔和体腔底壁a4的沉孔内，导销h上自下而上依次套有平衡簧f、激励器k和缓冲簧g，激励器k的销孔k1套在导销h上；激励器k的左右侧面上沿销孔k1轴向都对称地设有两个或两组凸轮k2，激励器k的右侧面中心处的凸块k6上经螺钉安装有副磁铁i，副磁铁i与主磁铁j的同性或异性磁极相对安装，无外力作用时凸块k6与惯性体n的几何中心线位于同一水平面内；凸轮k2的凸轮面由依次相连的底面k3、斜面k4及顶面k5构成，底面k3与顶面k5间的距离为凸轮升程k7，底面k3与斜面k4间所构成的锐角k0为凸轮升角，k0＝30～50度；体腔a1的左壁a2和右壁a3上都经螺钉安装有座板c，座板c置于安装孔a6内，座板c上设有倾斜的安装面，安装面与体腔a1的左壁a2和右壁a3形成的锐角为安装角，安装角为30～50度；座板c的安装面上经螺钉和压条e安装有压电振子d，压电振子d为由基板d1和压电片d2粘接而成的悬臂梁结构，基板d1靠近激励器k安装，压电振子d自由端经螺钉安装有顶块d3，顶块d3顶靠在凸轮面上；主磁铁j与副磁铁i间无相互作用力时顶块d3与凸轮k2的斜面k4的中点接触，压电振子d安装产生的预弯变形量为其许用变形量的一半，压电振子d的许用变形量大于凸轮升程k7。
本发明中，发电机可用于收集振动能和流体能；①作为流体能发电机时，惯性体n的中心到体腔a1的右壁a3外侧的距离L是惯性体n的直径D的0.5～3.5倍，即应根据实际流体种类和速度调节惯性体n与主体a的右壁a3间的距离，使振幅增加或减小；工作中，风或水流由惯性体n流向主体a的右壁a3，流体流经惯性体n后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使惯性体n上下两侧的压力交替变化从而产生使惯性体n往复摆动的激振力，摆动方向与来流方向垂直；②作为振动发电机时，环境中的纵向振动都会使惯性体n和激励器k产生相应的振动。
振动及流体环境下，惯性体n上下振动时主磁铁j与副磁铁i间的相对位置及相互作用力发生变化，副磁铁i受力时带动激励器k沿导销h往复运动，进而迫使压电振子d产生沿凸轮k2的斜面k4往复弯曲变形，压电振子d往复弯曲变形过程中即将机械能转换成电能；压电振子d的具体变形过程如下：①激励器k离开平衡位置并使压电振子d自由端的顶块d3沿凸轮k2的斜面k4上升时，压电振子d变形量逐渐增加；激励器k移动并使顶块d3与凸轮k2的顶面k5接触时，压电振子d的变形量达到最大、不再随激励器k的继续移动而增加；②激励器k离开平衡位置并使顶块d3沿凸轮k2的斜面k4下降时，压电振子d变形量逐渐减小；激励器k移动并使顶块d3与凸轮k2的底面k3接触时，压电振子d的变形量达最小、不再随激励器k的继续移动而降低。上述的工作过程中：激励器k同步激励多个或多组压电振子d，发电能力强；各压电振子d的最大变形都小于凸轮升程k7，可靠性高；激励器k同侧的两组压电振子d与激励器k间的相互作用力方向相反，总的阻力小、易于驱动；发电机为两自由度系统，且其振动响应特性易于通过平衡簧f、缓冲簧g及簧片p的刚度调节，故环境适应性强、频带宽。
本发明中，基板d1和压电片d2厚度相等，压电振子d安装前的自然状态下为预弯结构，基板d1的预弯半径小于压电片d2的预弯半径，二者粘接面处的预弯半径为
其中：h为压电振子d的总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明中，基板d1和压电片d2厚度相等，压电振子d安装前的自然状态下也可为平直结构，压电振子d固定端双层被夹持时其自由端的许用变形量为
其中l和h分别为压电振子d的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。
Claims (1)
1.一种两用压电发电机，用于收集振动能和流体能，其特征在于：主体上设有体腔，体腔的右壁外侧设有两个相互平行的横梁，惯性体两端的耳板经簧片与主体的横梁相连，惯性体上经调节块安装有主磁铁，惯性体中心到体腔的右壁外侧的距离为惯性体直径的0.5～3.5倍；体腔上端装有端盖，导销两端分别置于端盖的沉孔和体腔底壁的沉孔内，导销上自下而上依次套有平衡簧、激励器和缓冲簧；激励器的左右侧面上都对称地设有两个或两组凸轮，激励器的右侧面中心处的凸块上装有副磁铁；凸轮面由依次相连的底面、斜面及顶面构成，底面与顶面间的距离为凸轮升程，底面与斜面间所构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；体腔的左右壁上都装有带倾斜安装面的座板，安装面上装有压电振子，压电振子为由基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，基板靠近激励器安装，压电振子自由端装有顶块，顶块顶靠在凸轮面上；主副磁铁间无相互作用力时顶块与凸轮的斜面的中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用变形量的一半，压电振子的许用变形量大于凸轮升程。
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