CN110912450B - 一种限幅激励式低频压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种限幅激励式低频压电发电机，新能源与汽车电子技术领域。主体由激励腔及其左右两侧的换能腔构成，换能腔顶壁和底壁上设有沉腔；激励腔和换能腔间的侧壁上设有内导孔，与内导孔相对的换能腔侧壁上设有外导孔；导销端帽装在激励腔侧壁顶部，导销自上而下套有限位簧、惯性块和支撑簧；惯性块左右两侧设有凸轮面，滑块上下两侧设有窄槽、左右两侧设有导块或顶块，导块和顶块上分别套有复位簧和缓冲簧，顶块套在内导孔中、导块经座板装在外导孔内；上下沉腔侧壁上装有压电振子，压电振子为由基板和压电片粘接而成的悬臂梁型预弯结构且其自由端靠在滑块窄槽侧壁上；非工作时压电振子预压变形量为其许用值的一半，顶块与凸轮面斜面中点接触。
Description
技术领域
本发明属于汽车电子技术与新能源技术领域，具体涉及一种限幅激励式低频压电发电机，为车载定位跟踪系统提供能源。
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，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振动发电装置，但由于结构原理或器件特性的原因，现有压电振动发电装置都不能承受高强度振动冲击且固有频率普遍较高，不能很好地适应低频及大振幅车载环境需求，行驶在颠簸的山路、驶过隔离带及强烈撞击等低频大振幅时压电振子会因变形过大而损毁。
发明内容
为满足低频、大振幅车载振动环境的应用需求，本发明提出一种限幅激励式低频压电发电机，本发明采用的实施方案是：主体由激励腔及其左右两侧的换能腔构成，换能腔顶壁上设有上沉腔和使上沉腔与换能腔连通的上通腔，换能腔底壁上设有下沉腔和使下沉腔与换能腔连通的下通腔；激励腔和换能腔间的侧壁上设有内导孔，换能腔上与内导孔相对的侧壁上设有外导孔；导销的端帽经螺钉安装在激励腔的侧壁顶部，导销下端置于激励腔底壁上的定位孔内，导销自上而下依次套有限位簧、惯性块和支撑簧，限位簧上下两端分别顶靠在导销的端帽和惯性块上，支撑簧上下两端分别顶靠在惯性块和激励腔底壁上。
惯性块的导孔为方孔或圆孔，惯性块前后两侧经螺钉安装有质量块，惯性块左右两侧设有凸轮面，凸轮面由顶面、底面及连接顶面和底面的斜面构成，凸轮面的底面靠近支撑簧安装；同一凸轮面上的底面与顶面间的距离为凸轮升程，凸轮升程不大于压电振子的许用变形量，凸轮面的斜面的升角为30～45度。
滑块的块体上下两侧对称地设有窄槽，块体左右两侧的一侧设有导块、另一侧设有顶块，导块和顶块上分别套有复位簧和缓冲簧，顶块套在内导孔中、导块套在座板的导孔内，座板经螺钉安装在外导孔内；顶块端部与凸轮面接触的表面为圆弧面，顶块端部的宽度方向上设有用于降低接触面积进而减小摩擦力的凹槽。
上下沉腔的侧壁上都经压板和螺钉安装有一组压电振子，压电振子为由基板和压电片粘接而成的悬臂梁型预弯结构，基板的预弯半径小于压电片的预弯半径，压电振子自由端的基板顶靠在滑块的窄槽的侧壁上，滑块上下两侧压电振子数量相等且安装方向相反，即惯性块同侧上方的压电振子向左弯曲变形、下方的压电振子向右弯曲变形，或惯性块同侧上方的压电振子向右弯曲变形、下方压电振子向左弯曲变形；基板和压电片厚度相等，压电振子安装前的自然状态下基板与压电片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。
非工作时，各个压电振子自由端与滑块的窄槽侧壁接触所产生的预压变形量为其许用值的一半，滑块上下两侧压电振子作用在滑块上的作用力大小相等且方向相反，顶块与凸轮面的斜面的中点接触；压电振子的预弯半径无穷大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
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。
车辆行驶过程中产生的颠簸带动惯性块沿导销上下往复振动，滑块上的顶块与惯性块的凸轮面接触位置发生变化，滑块随惯性块上下往复振动而左右往复振动，从而迫使压电振子往复弯曲变形：顶块与凸轮面的斜面中间处接触时，压电振子变形量为其许用值的一半，顶块与凸轮面的底面接触时，压电振子的变形量为0；顶块与凸轮面的顶面接触时，压电振子的变形量达到最大、即为凸轮升程；顶块与凸轮面的顶面接触后，其左右振动幅值及压电振子的变形量不再随惯性块振幅的增加而增加，故可避免压电振子因变形量过大而损毁，可靠性高。本发明中，可通过支撑簧和限位簧的刚度及惯性块前后两侧所安装的质量块质量调节发电机的固有频率，从而使发电机的固有频率与环境振动频率相适应、提高发电能力。
优势与特色：①压电振子的变形量由惯性块上的凸轮升程决定、不直接受环境振动强度及频率的影响，压电振子的最大变形量即为凸轮升程，振幅较大时也不至使压电振子因变形过大损毁，可靠性高；②系统固有频率主要由支撑簧和限位簧及惯性块质量确定，易于通过相关弹簧刚度和质量块质量调整获得所需的动态性能；③压电振子承受使压电片受压的单向激励且压电片长度方向上的应力均匀，进一步提高了可靠性及发电能力。
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主体的结构示意图；
图3是图2的左视图；
图4是图2的俯视图；
图5是本发明一个较佳实施例中惯性块结构示意图；
图6是图5的仰视图；
图7是本发明一个较佳实施例中滑块的结构示意图；
图8是图7的俯视图。
具体实施方式
主体a的激励腔a1左右两侧各设有一个换能腔a2，换能腔a2的顶壁上设有上沉腔a4和使上沉腔a4与换能腔a2连通的上通腔a5，换能腔a2的底壁a8上设有下沉腔a9和使下沉腔a9与换能腔a2连通的下通腔a10；激励腔a1和换能腔a2间的侧壁上设有内导孔a6，换能腔a2上与内导孔a6相对的侧壁上设有外导孔a7；导销f上端的端帽经螺钉安装在激励腔a1的侧壁顶部，导销f的下端置于激励腔a1底壁上的定位孔a11内，导销f自上而下依次套有限位簧g、惯性块i和支撑簧h，限位簧g上下两端分别顶靠在导销f的端帽和惯性块i上，支撑簧h的上下两端分别顶靠在惯性块i和激励腔a1的底壁上。
惯性块i的导孔i1为方孔或圆孔，惯性块i的前后两侧经螺钉安装有质量块，惯性块i的左右两侧设有凸轮面i2，凸轮面i2由顶面i3、底面i4及连接顶面i3和底面i4的斜面i5构成，凸轮面i2的底面i4靠近支撑簧h安装；同一凸轮面i2上的底面i4与顶面i3间的距离i0为凸轮升程，凸轮升程i0不大于压电振子d的许用变形量，凸轮面i2的斜面i5的升角i6为30～45度。
滑块c的块体c1的上下两侧对称地设有窄槽c4，块体c1左右两侧的一侧设有导块c2、一侧设有顶块c3，导块c2和顶块c3上分别套有复位簧j和缓冲簧k，顶块c3套在内导孔a6中、导块c2套在座板b的导孔内，座板b经螺钉安装在外导孔a7内；顶块c3的端部与凸轮面i2接触的表面为圆弧面，顶块c3的端部的宽度方向上设有用于降低接触面积进而减小摩擦力的凹槽c5。
上沉腔a4和下沉腔a9的侧壁上都经压板e和螺钉安装有一组压电振子d，压电振子d为由基板d1和压电片d2粘接而成的悬臂梁型预弯结构，基板d1的预弯半径小于压电片d2的预弯半径，压电振子d自由端的基板d1顶靠在滑块c的窄槽c4的侧壁上，滑块c上下两侧压电振子数量相等且安装方向相反，即惯性块i同侧上方的压电振子d向左弯曲变形、下方压电振子向右弯曲变形，或惯性块i同侧上方的压电振子d向右弯曲变形、下方的压电振子向左弯曲变形；基板d1和压电片d2的厚度相等，压电振子d安装前的自然状态下基板d1与压电片d2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。
非工作时，各个压电振子d自由端与滑块c的窄槽c4的侧壁接触所产生的预压变形量为其许用变形量的一半，滑块c上下两侧压电振子d作用在滑块c上的作用力大小相等且方向相反，顶块c3与凸轮面i2的斜面i5的中点接触；压电振子d的预弯半径无穷大且压电振子d固定端两层都被夹持时，压电振子d的许用变形量为
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。
车辆行驶过程中产生的颠簸带动惯性块i沿导销f上下往复振动，滑块c上的顶块c3与惯性块i的凸轮面i2的接触位置发生变化，滑块c随惯性块i上下往复振动而左右往复振动，从而迫使压电振子d往复弯曲变形：顶块c3与凸轮面i2的斜面i5中间处接触时，压电振子d的变形量为其许用值的一半，顶块c3与凸轮面i2的底面i4接触时，压电振子d的变形量为0；顶块c3与凸轮面i2的顶面i3接触时，压电振子d的变形量达到最大、即为凸轮升程i0；顶块c3与凸轮面i2的顶面i3接触后，其左右振动幅值及压电振子d的变形量不再随惯性块i振幅的增加而增加，故可避免压电振子d因变形量过大而损毁，可靠性高。本发明中，可通过支撑簧h和限位簧g的刚度及惯性块前后两侧所安装的质量块质量调节发电机的固有频率，从而使发电机的固有频率与环境振动频率相适应、提高发电能力。
Claims (1)
1.一种限幅激励式低频压电发电机，其特征在于：主体由激励腔及其左右两侧的换能腔构成，换能腔顶壁上设有上沉腔和上通腔，换能腔底壁上设有下沉腔和下通腔；激励腔和换能腔间的侧壁上设有内导孔，与内导孔相对的换能腔侧壁上设有外导孔；导销的端帽安装在激励腔的侧壁顶部，导销自上而下依次套有限位簧、惯性块和支撑簧；惯性块左右两侧设有凸轮面，凸轮面由顶面、底面及连接顶面和底面的斜面构成，凸轮面的底面靠近支撑簧安装，同一凸轮面上的底面与顶面间的距离为凸轮升程，凸轮升程不大于压电振子的许用变形量，凸轮面的斜面的升角为30～45度；滑块的块体上下两侧对称地设有窄槽，块体左右两侧的一侧设有导块、另一侧设有顶块，导块和顶块上分别套有复位簧和缓冲簧，顶块套在内导孔中、导块经座板安装在外导孔内；上下沉腔的侧壁上都装有压电振子，压电振子为由基板和压电片粘接而成的悬臂梁型预弯结构，基板的预弯半径小于压电片的预弯半径，压电振子自由端的基板顶靠在滑块的窄槽的侧壁上；非工作时，压电振子预压变形量为其许用值的一半，顶块与凸轮面的斜面的中点接触；顶块与凸轮面的底面接触时，压电振子的变形量为0；顶块与凸轮面的顶面接触时，压电振子的变形量达到最大。
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