CN110912453B - 一种风致回转式压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风致回转式压电俘能器，属新能源技术领域。箱体的箱底上安装有导销、箱壁上设有安装面，箱壁端部装在支座的立板上；激励器的体块两端分别设有同轴的导孔和导柱、上下两侧设有凸轮，凸轮表面由底面、斜面和顶面构成，激励器导孔套在导销上、导柱套在支座的导孔内，导柱端部装有受激磁铁；导销和导柱上分别套有用于限制激励器位置的左右弹簧；压电振子装在箱体安装面上，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，压电振子自由端的基板顶靠在凸轮表面上；转换器的盘体两端分别设有与其同轴的左半轴和右半轴，右半轴端部设有叶片，左半轴装在支座的立板上；盘体左右两端的外缘处都均布地装有激励磁铁，激励磁铁与受激磁铁相吸。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种风致回转式压电俘能器，为无线传感器节点等微功率无线系统提供实时的能量供应。
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、大型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风力发电机、亦称俘能器的研究受到国内外学者的广泛关注，其原因在于：化学电池的能量有限、其使用时间远远小于无线传感监测系统的寿命，故需经常更换，严重制约了无线传感网络监测系统在远程及危险环境中的推广应用。现有利用薄片型压电振子构造的风能俘能器主要有两大类：一是直激式，即直接利用风力吹动压电振子使其产生弯曲变形并发电；其二是旋转激励式，即首先利用风使叶片旋转、再由叶片带动转动机构拨动压电振子弯曲变形并发电。上述压电俘能器的共同特点是都直接利用压电振子端部质量的惯性力使其弯曲变形并发电，主要弊端在于：压电振子变形量不可控且双向变形，压电片承受大小不可控的交变的拉压应力作用容易损毁，压电振子尺度及系统固有频率可调节范围小，故可靠性低、环境适应性差。
发明内容
本发明提供一种风致回转式压电俘能器，本发明采用的实施方案是：支座的立板上设有导孔、镶嵌有两个轴承的轴承孔及环槽；箱体上至少两个相对的箱壁上设有安装孔，安装孔的侧壁上设有倾斜的安装面，箱壁端部安装在支座的立板上，箱壁端部置于环槽内并经螺钉固定，箱体的箱底上安装有导销，导销的端帽经螺钉安装在箱底的沉腔内。
激励器的体块的左右两端分别设有同轴的导孔导柱、上下两侧都设有一组凸轮，体块上下两侧的凸轮数量相等且对称配置；凸轮表面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，同一凸轮的底面和顶面间的距离为升程；激励器的导孔套在导销上、导柱套在支座的导孔内，导柱端部经螺母安装有受激磁铁；导销和导柱上分别套有左弹簧和右弹簧，左弹簧和右弹簧限制激励器的位置，左弹簧左右两端分别顶靠在导销的端帽和激励器上，右弹簧的左右两端分别顶靠在激励器和支架的立板上。
压电振子经压条和螺钉安装在箱体的安装面上，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，基板预弯半径小于压电片预弯半径，基板靠近激励器安装，压电振子自由端的基板的翻边处顶靠在凸轮的表面上，基板的翻边的凸起侧与凸轮表面接触；基板和压电片的厚度相等，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。
转换器的盘体两端分别设有与其同轴的左半轴和右半轴，右半轴端部设有叶片，左半轴经压板和轴承安装在支座的立板上；盘体左右两端的外缘处都均布地安装有数量相等的激励磁铁，所有激励磁铁在同一轴截面上的投影也为均布；激励磁铁与各受激磁铁之间为吸引力，激励磁铁与各受激磁铁之间作用力为零时受激磁铁距离盘体两端激励磁铁的轴向距离相等，压电振子自由端与凸轮的斜面的中点接触，压电振子预压缩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的升程；压电振子预弯半径无穷大且压电振子固定端两层都被夹持时，许用变形量为
，其中l为压电振子的悬臂长度，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。
叶片因受风力作用时带动转换器旋转，转换器将风能转换成旋转动能；转换器转动时激励磁铁转动且激励磁铁与受激磁铁间的相对位置及相互作用力发生变化，从而驱动激励器往复振动及压电振子往复弯曲变形，压电振子往复弯曲变形过程中即将机械能转换成电能；激励器向左运动时，左弹簧缩短、右弹簧伸长，压电振子与凸轮的接触点沿凸轮的斜面上升、压电振子变形量逐渐增加，压电振子自由端与凸轮的顶面接触后压电振子的变形量达到最大、不再随激励器的继续左移而增加；激励器向右运动时，左弹簧伸长、右弹簧缩短，压电振子与凸轮的接触点沿凸轮的斜面下降、压电振子的变形量逐渐减少，压电振子自由端与凸轮的底面接触后压电振子变形量达到最小、不再随激励器的继续右移而减小；左弹簧被压死时压电振子不与凸轮的顶面脱离，右弹簧被压死时压电振子不与凸轮的底面脱离；上述的工作过程中，激励器同步激励多个压电振子，且各压电振子的最大变形都小于凸轮的升程、激励器振动响应特性可通过左右弹簧刚度调节，从而有效地提升了带宽、发电量及可靠性。
特色与优势：激励器同步激励多个压电振子，且各压电振子最大变形都小于凸轮的升程、激励器振动响应特性易于通过左右弹簧刚度调节，有效地提升了带宽、发电量及可靠性。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构原理简图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明一个较佳实施例中箱体的结构示意图；
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是本发明一个较佳实施例中转换器的结构示意图；
图6是本发明一个较佳实施例中支座的结构示意图。
具体实施方式
支座a的立板a0上设有导孔a1、镶嵌有两个轴承n的轴承孔a2及环槽a3；箱体b上至少两个相对的箱壁b2上设有安装孔b3，安装孔b3的侧壁上设有倾斜的安装面b4，箱壁b2端部安装在支座a的立板a0上，箱壁b2端部置于环槽a3内并经螺钉固定，箱体b的箱底b1上安装有导销e，导销e的端帽经螺钉安装在箱底b1的沉腔内。
激励器g的体块g1的左右两端分别设有同轴的导孔g2和导柱g3，体块g1的上下两侧都设有一组凸轮g4，体块g1的上下两侧的凸轮g4数量相等且对称配置；凸轮g4的表面由依次相连的底面g5、斜面g6和顶面g7构成，同一凸轮g4的底面g5和顶面g7间的距离为升程g0；激励器g的导孔g2套在导销e上、导柱g3套在支座a的导孔a1内，导柱g3的端部经螺母安装有受激磁铁i；导销e和导柱g3上分别套有左弹簧f和右弹簧h，左弹簧f左右两端分别顶靠在导销e的端帽和激励器g上，右弹簧h的左右两端分别顶靠在激励器g和支架a的立板a1上。
压电振子d经压条c和螺钉安装在箱体b的安装面b4上，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，基板d1靠近激励器g安装，压电振子d自由端的基板d1的翻边处顶靠在凸轮g4的表面上，基板d1的翻边的凸起侧与凸轮g4表面接触；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。
转换器k的盘体k1两端分别设有与其同轴的左半轴k2和右半轴k3，右半轴k3的端部设有叶片k4，左半轴k2经压板j和轴承n安装在支座a的立板a0上；盘体k1的左右两端的外缘处都均布地安装有数量相等的激励磁铁m，所有激励磁铁m在同一轴截面上的投影也为均布；激励磁铁m与各受激磁铁i之间为吸引力，激励磁铁m与各受激磁铁i之间作用力为零时受激磁铁i距离盘体k1的两端激励磁铁m的轴向距离相等，压电振子d自由端与凸轮g4的斜面g6的中点接触，压电振子d的预压缩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g4的升程g0；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，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。
叶片k4因受风力作用时带动转换器k旋转，转换器k将风能转换成旋转动能；转换器k转动时激励磁铁m转动且激励磁铁m与受激磁铁i间的相对位置及相互作用力发生变化，从而驱动激励器g往复振动及压电振子d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；激励器g向左运动时，左弹簧f缩短、右弹簧h伸长，压电振子d与凸轮g4的接触点沿凸轮g4的斜面g6上升、压电振子d的变形量逐渐增加，压电振子d自由端与凸轮g4的顶面g7接触后压电振子d的变形量达到最大、不再随激励器g的继续左移而增加；激励器g向右运动时，左弹簧f伸长、右弹簧h缩短，压电振子d与凸轮g4的接触点沿凸轮g4的斜面g6下降、压电振子d的变形量逐渐减少，压电振子d自由端与凸轮g4的底面g5接触后压电振子d的变形量达到最小、不再随激励器g的继续右移而减小；左弹簧f被压死时压电振子d不与凸轮d4的顶面d7脱离，右弹簧h被压死时压电振子不与凸轮g4的底面g5脱离；上述的工作过程中，激励器g同步激励多个压电振子d，且各压电振子d的最大变形都小于凸轮g4的升程g0、激励器g的振动响应特性易于通过左弹簧f和右弹簧h的刚度调节，从而有效地提升了带宽、发电量及可靠性。
Claims (1)
1.一种风致回转式压电俘能器，其特征在于：箱体的箱底上安装有导销、至少两个相对的箱壁上设有带倾斜的安装面的安装孔，箱壁端部安装在支座的立板上；激励器的体块的左右两端分别设有同轴的导孔和导柱、上下两侧都设有一组凸轮，凸轮表面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，同一凸轮的底面和顶面间的距离为升程；激励器的导孔套在导销上、导柱套在支座的导孔内，导柱端部装有受激磁铁；导销和导柱上分别套有用于限制激励器位置的左弹簧和右弹簧；压电振子装在箱体的安装面上，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，基板预弯半径小于压电片预弯半径，基板靠近激励器安装，压电振子自由端的基板的翻边处顶靠在凸轮的表面上，基板的翻边的凸起侧与凸轮表面接触；转换器的盘体两端分别设有与其同轴的左半轴和右半轴，右半轴端部设有叶片，左半轴装在支座的立板上；盘体左右两端的外缘处都均布地安装有数量相等的激励磁铁；激励磁铁与各受激磁铁之间为吸引力，激励磁铁与各受激磁铁之间作用力为零时受激磁铁距离盘体两端激励磁铁的轴向距离相等，压电振子自由端与凸轮的斜面的中点接触，压电振子预压缩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的升程；左弹簧被压死时压电振子不与凸轮的顶面脱离，右弹簧被压死时压电振子不与凸轮的底面脱离。
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