CN110768573B - 一种多功能压电发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能压电发电机，属新能源技术领域。主体的体腔顶壁上方经立柱装有顶板，惯性体经弹性杆安装在顶板上，惯性体下方装有主磁铁；体腔上壁和顶板间还装有扰流板，扰流板的底部装有悬浮磁铁，悬浮磁铁与主磁铁间为排斥力；体腔左右两端装有端盖，导销两端置于端盖的沉孔内，导销上套有一个激励器和两个弹簧，弹簧位于激励器两端；激励器顶面和底面上沿都对称地设有两个或两组凸轮，激励器顶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；体腔的顶壁和底壁上都装有带倾斜的安装面的座板；座板的安装面上装有端部带顶块的压电振子，压电振子为由基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，顶块顶在凸轮面上。

Description

一种多功能压电发电机
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种多功能压电发电机，用于多向振动、定向流及海浪能回收。
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
本发明提出一种多功能压电发电机，本发明采用的实施方案是：主体上设有体腔，体腔的顶壁的上方经4根立柱安装有顶板；惯性体经弹性杆安装在顶板上，弹性杆的底座经螺钉固定在顶板上，弹性杆与惯性体通过螺纹连接并经螺母锁紧，惯性体为圆柱或多边形柱体，惯性体下方经螺钉安装有主磁铁；体腔的上壁和顶板间还经螺钉安装有扰流板，扰流板的底部经螺钉安装有悬浮磁铁，悬浮磁铁与主磁铁间为排斥力；体腔左右两端经螺钉安装有端盖，导销两端分别安装在两个端盖的沉孔内，导销上套有一个激励器和两个弹簧，激励器的销孔套在导销上，弹簧位于激励器两端；激励器的顶面和底面上沿销孔轴向都对称地设有两个或两组凸轮，激励器的顶面中心处的凸块上经螺钉安装有副磁铁，主副磁铁的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重叠；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；体腔的顶壁和底壁上都经螺钉安装有座板，座板上设有倾斜的安装面，安装面与体腔的顶壁和底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，压电振子为由等厚度的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，压电振子许用变形量大于凸轮升程。
本发明中，发电机可用于收集不同类型的环境能，如多方向振动能、定向流体能及海浪能；①作为定向流体能发电机时，需要安装扰流板，扰流板的平面与来流方向垂直，且：L/D＝0.5～3.5、H/D＝0～3，其中D、L及H分别为惯性体直径、惯性体轴心与扰流板间距离以及扰流板宽度；工作中，定向的风或水流由惯性体吹向扰流板，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左右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，扰流板的功能是调节惯性体的摆动幅度，即使振幅增加或减小；②作为海浪发电机时无需扰流板，其激励原理与定向流发电的原理相似，即海浪从任意方向冲击惯性体时惯性体产生相应的摆动；③作为振动发电机时也要卸下扰流板，环境中任一方向的振动都会使惯性体的状态发生不同程度的变化，静止状态下弹性杆因受磁力作用产生弯曲变形并使惯性体的轴心线不与水平面垂直，故环境中的纵向振动也会改变惯性体的状态。
上述环境下，惯性体摆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，进而迫使压电振子产生沿凸轮的斜面往复弯曲变形，压电振子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：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压电振子自由端的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；压电振子许用变形量大于凸轮升程，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弹簧及弹性杆刚度调节，故环境适应性强、频带宽。
本发明中，压电振子安装前的自然状态下为平直或预弯结构，安装前为预弯结构时其基板的预弯半径小于压电片的预弯半径，安装前其基板与压电片粘接面处的预弯半径为
Figure BSA0000183774560000021
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；压电振子安装前为平直结构且压电振子固定端两层都被夹持时，压电振子许用变形量为
Figure BSA0000183774560000022
其中l为压电振子悬臂长度，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。
优势与特色：①可用于多向振动能、水及风等定向流体能及方向实时变化的海浪能回收；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左右弹簧刚度调节，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的左视图；
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a3，体腔a3的顶壁a4的上方经4根立柱a2安装有顶板a1；惯性体p经弹性杆b安装在顶板a1上，弹性杆b的底座b1经螺钉固定在顶板a1上，弹性杆b与惯性体p通过螺纹连接并经螺母锁紧，惯性体p为圆柱或多边形柱体，惯性体p下方经螺钉安装有主磁铁x；体腔a3的上壁a4和顶板a1间还经螺钉安装有扰流板y，扰流板y的底部经螺钉安装有悬浮磁铁z，悬浮磁铁z与主磁铁x间为排斥力；体腔a3的左右两端经螺钉安装有端盖e，导销i的两端分别安装在两个端盖e的沉孔内，导销i上套有一个激励器k和两个弹簧f，激励器k的销孔k1套在导销i上，弹簧f位于激励器k两端；激励器k的顶面和底面上沿销孔k1轴向都对称地设有两个或两组凸轮k2，激励器k的顶面中心处的凸块k6上经螺钉安装有副磁铁j，副磁铁j与主磁铁x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p的几何中心线重叠；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a3的顶壁a4和底壁a5上都经螺钉安装有座板g，座板g上设有倾斜的安装面，安装面与体腔a3的顶壁a4和底壁a5形成的锐角为安装角，安装角为30～50度；座板g的安装面上经螺钉和压条h安装有压电振子d，压电振子d为由等厚度的基板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x与副磁铁j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。
本发明中，发电机可用于收集不同类型的环境能，如多方向振动能、定向流体能及海浪能；①作为定向流体能发电机时，需要安装扰流板y，扰流板y的平面与来流方向垂直，且：L/D＝0.5～3.5、H/D＝0～3，其中D、L及H分别为惯性体p的直径、惯性体p的轴心与扰流板y间距离以及扰流板y的宽度；工作中，定向的风或水流由惯性体p吹向扰流板y，流体流经惯性体p后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使惯性体p左右两侧的压力交替变化从而产生使惯性体p往复摆动的激振力，摆动方向与来流方向垂直，扰流板y的功能是调节惯性体p的摆动幅度，即使振幅增加或减小；②作为海浪发电器时无需扰流板y，其激励原理与定向流发电的原理相似，即海浪从任意方向冲击惯性体p时惯性体p产生相应的摆动；③作为振动发电机时也要卸下扰流板y，环境中任一方向的振动都会使惯性体p的状态发生不同程度的变化，静止状态下弹性杆b因受磁力作用产生弯曲变形并使惯性体p的轴心线不与水平面垂直，故环境中的纵向振动也会改变惯性体p的状态。
上述环境下，惯性体p摆动时主磁铁x与副磁铁j间的相对位置及相互作用力发生变化，副磁铁j受力时带动激励器k沿导销i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：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移动并使压电振子d自由端的顶块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离开平衡位置并使压电振子d自由端的顶块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移动并使压电振子d自由端的顶块d3与凸轮k2的底面k3接触时，压电振子d的变形量达到最小、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的许用变形量大于凸轮升程，可靠性高；激励器k同侧的两组压电振子d与激励器k间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弹簧f及弹性杆b的刚度调节，故环境适应性强、频带宽。
本发明中，压电振子d安装前的自然状态下为平直或预弯结构，压电振子d安装前为预弯结构时其基板d1的预弯半径小于压电片d2的预弯半径，基板d1与压电片d2粘接面处的预弯半径为
Figure BSA0000183774560000031
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；压电振子d安装前为平直结构且压电振子d固定端两层都被夹持时，压电振子d的许用变形量为
Figure BSA0000183774560000032
其中l为压电振子d的悬臂长度，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。

Claims (1)

1.一种多功能压电发电机，其特征在于：主体的体腔的顶壁上方经立柱装有顶板，惯性体经弹性杆安装在顶板上，惯性体下方装有主磁铁；体腔的上壁和顶板间还装有扰流板,扰流板的底部装有悬浮磁铁,悬浮磁铁与主磁铁间为排斥力；体腔左右两端装有端盖，导销两端置于端盖的沉孔内，导销上套有一个激励器和两个弹簧，弹簧位于激励器两端；激励器的顶面和底面上沿都对称地设有两个或两组凸轮，激励器的顶面中心处的凸块上装有副磁铁；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；体腔的顶壁和底壁上都装有带倾斜的安装面的座板，安装面与体腔的顶壁和底壁形成的锐角及凸轮升角均为30～50度；座板的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，压电振子许用变形量大于凸轮升程；收集定向流体能发电时，扰流板的平面与来流方向垂直，且惯性体轴心与扰流板间距离与惯性体直径之比为0.5～3.5、扰流板宽度与惯性体直径之比为0～3。
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