CN110798097B - 一种多用途压电振动发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多用途压电振动发电机，属新能源技术领域。壳体底壁装有导销、侧壁端部装有端盖，端盖上经绳索系有气囊；支架横梁两端设有带倾斜的安装面纵梁；激励器上下两端设有相连通的上下导孔、左右两侧都设有凸轮；阶梯轴自上而下依次设有细轴、中轴及粗轴，粗轴端部设有导孔，导孔套在导销上并将支撑簧压接在导销上；激励器的上下导孔分别套在阶梯轴的中轴和粗轴上，粗轴将下簧压接在下导孔的顶壁上；支架的横梁及上调频块装在阶梯轴的细轴上，上调频块将缓冲簧压接在端盖上，激励器将套在中轴上的上簧压接在横梁上；支架的安装面上装有由等厚度基板和压电片粘接而成的悬臂梁型压电振子，非工作时基板的翻边压接在凸轮斜面的中点处。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种多用途压电振动发电机，用于多向振动、定向流及海浪能等的回收。
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
本发明提出一种多用途压电振动发电机，本发明采用的实施方案是：壳体的侧壁端部经螺钉安装有端盖、底壁内侧装有导销，导销的座板经螺钉安装在底壁上，端盖上经绳索系有气囊；支架的横梁上设有销孔，横梁左右两端的下方都设有纵梁，纵梁上设有安装孔，安装孔的侧壁上设有倾斜的安装面，安装面与纵梁间形成的锐角为安装角，安装角大于30度；激励器自上而下设有相互连通且同轴的上下导孔，激励器左右两侧各设有一组凸轮，凸轮为移动凸轮，凸轮的凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，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；阶梯轴自上而下依次设有细轴、中轴及粗轴，细轴端部设有螺纹，粗轴端部设有与其同轴的导孔，导孔套在导销上并将支撑簧压接在导销上；激励器的上下导孔分别套在阶梯轴的中轴和粗轴上，粗轴的轴肩将下簧压接在下导孔的顶壁上，激励器上经螺钉安装有下调频块：支架的横梁及上调频块经螺母安装在阶梯轴的细轴上，横梁上的销孔套在细轴上，上调频块将缓冲簧压接在端盖上，激励器将套在中轴上的上簧压接在横梁上；支架的安装面上经螺钉和压条装有压电振子，压电振子为由等厚度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，基板自由端的翻边顶靠在凸轮面上；非工作时基板的翻边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值的一半，压电振子的许用变形量大于凸轮升程。
本发明中，压电振子安装前的自然状态下为预弯结构，基板预弯半径小于压电片预弯半径，压电振子的预弯半径即基板与压电片粘接面的预弯半径为
压电振子预弯半径为无穷大即压电振子为平直结构且固定端两层都被夹持时，其许用变形量为
上述公式中：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d2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，发电机可用于收集不同类型的环境能：利用绳索悬挂时可收集多方向振动能、风能及河水动能，经绳索系有气囊并置于海面时收集波浪能；当环境中动能使壳体产生振动时，支架及其上所安装的上调频块、阶梯轴及压电振子在惯性力的作用下将产生相对于壳体的运动；支架运动时，激励器及其所安装的下调频块在惯性力的作用下将产生相对于支架的运动，从而使压电振子与激励器产生相对运动，即使基板的翻边与凸轮面的接触点发生变化，压电振子沿凸轮的斜面的往复弯曲变形并将机械能转换成电能；具体过程为：①激励器离开平衡位置并使基板的翻边沿凸轮的斜面上升时，压电振子变形量逐渐增加；基板的翻边与凸轮的顶面接触时，压电振子变形量达最大、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基板的翻边沿凸轮的斜面下降时，压电振子变形量逐渐减小；基板的翻边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；下簧被压死时基板的翻边与凸轮的顶面保持接触，上簧被压死时基板的翻边与凸轮的底面保持接触。本发明中，激励器同步激励多组压电振子，发电能力强；压电振子的最大变形小于凸轮升程且压电片仅承受压应力，可靠性高；发电机为两自由度系统，且其振动响应特性易于通过相关弹簧和调频块加以调整，故环境适应性强、频带宽。
优势与特色：①可用于多向振动能、风、水及波浪能等的能回收；②发电机为两自由度系统，激励器同步激励多个压电振子，发电机振动响应特性易于通过相关弹簧刚度及系统质量调节，故发电能力强、有效频带宽；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是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中阶梯轴的结构示意图。
具体实施方式
壳体a的侧壁a1端部经螺钉安装有端盖b、底壁a2的内侧装有导销j，导销j的座板经螺钉安装在底壁a2上，端盖b上经绳索y系有气囊x；支架c的横梁c1上设有销孔c5，横梁c1左右两端的下方都设有纵梁c2，纵梁c2上设有安装孔c3，安装孔c3的侧壁上设有倾斜的安装面c4，安装面c4与纵梁c2间形成的锐角c6为安装角，安装角大于30度；激励器f自上而下设有相互连通且同轴的上导孔f5和下导孔f4，激励器f的左右两侧各设有一组凸轮f0，凸轮f0为移动凸轮，凸轮f0的凸轮面由依次相连的底面f1、斜面f2和顶面f3构成，底面f1与顶面f3间的距离f7为凸轮升程，底面f1与斜面f2间所构成的锐角f6为凸轮升角，f6＝30～50度；阶梯轴g自上而下依次设有细轴g1、中轴g2及粗轴g3，细轴g1端部设有螺纹，粗轴g3端部设有与其同轴的导孔g4，导孔g4套在导销j上并将支撑簧k1压接在导销j上；激励器f的上导孔f5和下导孔f4分别套在阶梯轴g的中轴g2和粗轴g3上，粗轴g3的轴肩将下簧k4压接在下导孔f4的顶壁上，激励器f上经螺钉安装有下调频块i；支架c的横梁c1及上调频块h经螺母安装在阶梯轴g的细轴g1上，横梁c1上的销孔c5套在细轴g1上，上调频块h将缓冲簧k2压接在端盖b上，激励器f的上端将套在中轴g2上的上簧k3压接在横梁c1上；安装面c4上经螺钉和压条e装有压电振子d，压电振子d为由等厚的基板d1和压电片d2粘接而成的悬臂梁结构，基板d1靠近激励器f安装，基板d1的自由端的翻边顶靠在凸轮面上；非工作时基板d1的翻边与凸轮f0的斜面f2的中点接触，压电振子d安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子d的许用变形量大于凸轮升程。
本发明中，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，压电振子d的预弯半径即基板d1与压电片d2粘接面的预弯半径为
压电振子d的预弯半径为无穷大即压电振子d为平直结构且固定端两层都被夹持时其许用变形量为
上述公式中：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，发电机可用于收集不同类型的环境能：利用绳索y悬挂时可收集多方向振动能、风能及河水动能，经绳索y系有气囊x并置于海面时收集波浪能；当环境中动能使壳体a产生振动时，支架c及其上所安装的上调频块h、阶梯轴g及压电振子d在惯性力的作用下将产生相对于壳体a的运动；支架c运动时，激励器f及其所安装的下调频块i在惯性力的作用下将产生相对于支架c的运动，从而使压电振子d与激励器f产生相对运动，即使基板d1的翻边与凸轮面的接触点发生变化，压电振子d沿凸轮f0的斜面f2的往复弯曲变形并将机械能转换成电能；具体过程为：①激励器f离开平衡位置并使基板d1的翻边沿凸轮f0的斜面f2上升时，压电振子d变形量逐渐增加；基板d1的翻边与凸轮f0的顶面f3接触时，压电振子d的变形量达最大、不再随激励器f的继续移动而增加；②激励器f离开平衡位置并使基板d1的翻边沿凸轮f0的斜面f2下降时，压电振子d变形量逐渐减小；基板d1的翻边与凸轮f0的底面f1接触时，压电振子d的变形量达最小、不再随激励器f的继续移动而降低；下簧k4被压死时基板d1的翻边与凸轮f0的顶面f3保持接触，上簧k3被压死时基板d1的翻边与凸轮f0的底面f1保持接触。本发明中，激励器f同步激励多组压电振子d，发电能力强；压电振子d的最大变形小于凸轮升程且压电片d2仅承受压应力，可靠性高；发电机为两自由度系统，且其振动响应特性易于通过相关弹簧和调频块加以调整，故环境适应性强、频带宽。
Claims (1)
1.一种多用途压电振动发电机，其特征在于：壳体的底壁内侧装有导销、侧壁端部装有端盖，端盖上经绳索系有气囊；支架的横梁左右两端的下方都设有纵梁，纵梁上安装孔的侧壁上设有倾斜的安装面；激励器自上而下设有相互连通且同轴的上下导孔，激励器左右两侧各设有一组凸轮，凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，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；阶梯轴自上而下依次设有细轴、中轴及粗轴，粗轴端部设有与其同轴的导孔，导孔套在导销上并将支撑簧压接在导销上；激励器的上下导孔分别套在阶梯轴的中轴和粗轴上，粗轴的轴肩将下簧压接在下导孔的顶壁上，激励器上装有下调频块；支架的横梁及上调频块装在阶梯轴的细轴上，上调频块将缓冲簧压接在端盖上，激励器将套在中轴上的上簧压接在横梁上；支架的安装面上装有压电振子，压电振子为由等厚度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，基板自由端的翻边顶靠在凸轮面上；非工作时基板的翻边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值的一半，压电振子的许用变形量大于凸轮升程。
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