CN112701957A - 一种变刚度调谐的压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变刚度调谐的压电俘能器，所述俘能器由变刚度调谐模块和压电俘能模块组成，其中，变刚度调谐模块由基座、压电陶瓷块、T型铰链、刚度调整环、曲柄滑块柔顺机构等组成。其特征在于基于附加弹簧曲柄滑块机构的运动学奇异性原理，当机构从运动学非奇异位置开始运动，经过奇异位置再到非奇异位置，机构的刚度会有一个正刚度‑零刚度‑负刚度‑零刚度‑正刚度的变化过程。采用刚体替换综合法，设计出具有上述变刚度特性的曲柄滑块柔顺机构，大大简化了俘能器的结构，且曲柄滑块柔顺机构具有的变刚度调谐特性使得俘能器可以在宽频带振动情况下进行减振吸振，拓宽了应用场景，提高了吸能效率。
Description
技术领域
本发明属于俘能技术领域，尤其涉及一种变刚度可调谐的压电俘能器。
背景技术
随着复合材料、动力系统、传感技术和飞行控制等的高速发展，尤其在军用场合，直升机的机动性、可靠性、安全性、经济性等性能都经受着愈发严峻的考验。而其飞行中受到的非定常气流载荷、发动机振动载荷和强噪声载荷等激励引发的结构振动疲劳和声疲劳问题，所致后果严重，因此日益受到重视。
压电俘能技术是利用能量收集技术将自然环境中其他形式的能量转化成电能，进而为无线传感器或微机电系统等提供电力，成为了人们研究的热点。与传统结构相比，智能材料结构技术能做到实时感知环境以及自身状态的变化，并实现自适应和自修复。压电材料、形状记忆材料和磁流变材料等广泛应用于航空航天中的振动控制、噪声控制和状态感知等。其中，压电材料具有良好的宽频可控特性及机电耦合特性,适用于开发飞机智能结构实现减振降噪。Chennault等人给出了不同能源功率密度和电压的对比，可以看出压电式能量收集性能可媲美薄膜锂离子电池和热力发电机。另外，相比于静电式和磁电式俘能器，压电式的材料本身特性可以直接转换，不需外部电压输入，功率密度大且结构简单，因此在能量收集中具有独特的优势。
变刚度调谐的压电俘能器有以下优势：其一、在能量管理优化配置方面，通过结合俘能器与减振降噪技术，将振动机械能回收利用，在抑制振动的同时回收部分振动能量，可以提高设备的续航能力；其二、宽频带吸振新型结构方面，通过改变固定结构刚度的减振降噪元器件，可以实现宽频带吸振效果，扩大了本身的应用需求。
目前的减振降噪元器件存在自身基体结构重量大，固定刚度的减振降噪元器件适用频带窄，不能实现振动机械能的回收利用等问题。针对这些问题，有必要提出一种结构紧凑、宽频带吸振和能量可回收利用的压电俘能器。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种结构轻量化、宽频带吸振和能量可回收利用的压电俘能器。
针对上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种变刚度调谐的压电俘能器，所描述的俘能器包括变刚度调谐模块和压电俘能模块；其中，变刚度调谐模块包括基座、压电陶瓷块、T型铰链、刚度调整环、调节螺钉、垫片，压电俘能模块包括铜箔和PVDF压电薄膜；基座内部为圆环形的空腔，且刚度调整环容纳在该空腔中，刚度调整环通过T型铰链与基座连接；压电陶瓷块安装在基座内并倾斜的抵靠在调整环外侧，通过压电陶瓷块的伸缩变形推动调整环相对基座转动一个角度；所述刚度调整环内部为中空的，且设有三根固定导向梁、分别位于固定导向梁中间的连接块、自连接块向内延伸的柔性梁，柔性梁前端通过圆形柔性铰链固定于曲柄环上；三根固定导向梁围成三角形结构。
在上述的变刚度调谐的压电俘能器，三个压电陶瓷块由调节螺钉固定在刚度调整环上，通过旋动调节螺钉能够将压电陶瓷块固定在由基座和刚度调整环组成的凹槽中，还能够调节压电陶瓷与刚度调整环之间的预紧力，提高压电陶瓷的输出性能。
在上述的变刚度调谐的压电俘能器，PVDF压电薄膜在上铜箔与下铜箔之间进行粘结连接，采用同向反面引出PVDF的上下两极面的方法，在铜箔两面添加保护层，选择聚酰亚胺材料绝缘材料对压电薄膜进行封装，将封装好的压电薄膜与曲柄环下表面通过有机硅密封胶进行粘结。
在上述的变刚度调谐的压电俘能器，三个曲柄滑块柔顺机构均布在圆周上，并且刚度调整环通过T型铰链与基座固连；将滑块设计成“凹”字形，可有效缩小整个俘能器的整体尺寸，使其更加紧凑；在调节螺钉和压电陶瓷块之间垫有垫片以保护压电陶瓷不受损伤。
在上述的变刚度调谐的压电俘能器，一个固定导向梁、连接块及柔性梁构成曲柄滑块柔顺机构；曲柄滑块柔顺机构基于运动学奇异性原理实现变刚度，初始位置的角度为θ，以初始角度位置为非奇异点，运动过程通过运动学奇异位置再到非奇异位置，即为整个结构刚度变化过程，进而实现宽频带吸振效果。其中，θ为”凹”型连接块的中点与曲柄环中心连线和柔性梁的初始角度。
在上述的变刚度调谐的压电俘能器，压电俘能器根据压电材料的正压电效应将振动能量转换为电能，这种压电效应可以方便的用于动能到电能的转换，而且压电元件用于振动能量俘获时具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于实现结构微型化等优点。
本发明还提供了上述变刚度调谐的压电俘能器的变刚度控制方法的技术方案，包括以下步骤：
步骤1：判断被安装设备的振动状况，确定振动频带；此时振动通过基座传递至该压电俘能器；
步骤2：根据频带，向压电陶瓷块输入电压信号，使曲柄滑块柔顺机构发生旋转位移并改变轴向刚度，进而改变机构的固有频率，使机构在该振动频段下具有最大化的振动能，实现了变刚度调谐；
步骤3：压电陶瓷持续通电，使得刚度调整环运动到合适位置后保持固定；
步骤4：振动传导至由电极和PVDF组成的俘能机构，根据压电材料的正压电效应将振动能量转换为电能，并通过转换电路储存能量。
有益效果：由上述技术方案可知，本发明提供变刚度调谐的压电俘能器，主要实现宽频带吸振和能量可回收利用的功能。基座吸收外界振动后，利用曲柄滑块柔顺机构的运动奇异性来实现结构刚度的改变，实现调谐过程，使得俘能器可以在宽频带振动情况下拥有强大的减振吸振能力，拓宽了应用场景，提高了吸能效率，且装置为一体式结构，结构简单紧凑。
附图说明
图1为本发明中压电俘能器的整体结构示意图。
图2为本发明中曲柄滑块柔顺机构结构示意图。
图3为本发明中曲柄滑块柔顺机构原理图。
图4为本发明中附加弹簧曲柄滑块机构的刚度特性图。
图5为本发明中压电俘能模块的结构示意图。
图6为本发明中压电块的结构示意图。
具体实施方式
为了更加直观清楚的表述本发明实例中的结构原理和工作方法，下面将结合相关的附图对所实施例进行介绍，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明中的压电俘能器包括变刚度调谐模块和压电俘能模块，其中，变刚度调谐模块包括基座1、压电陶瓷块2、T型铰链3、刚度调整环4、曲柄滑块柔顺机构5、调节螺钉6、垫片7。通过旋动调节螺钉6可以将压电陶瓷块2固定在基座1和刚度调整环4形成的压电陶瓷凹槽中，还可以调节压电陶瓷块2与刚度调整环4之间的预紧力。其中，曲柄滑块柔顺机构5采用的是圆周方向上均布化分布的结构，结构简单，并且保证了俘能器调谐的一致性。其中，调谐的一致性是指驱动压电陶瓷块在相同信号的驱动下，三个曲柄滑块柔顺机构的变形量具有一致性，即刚度变化具有一致性。此外，调节螺钉6与压电陶瓷块2之间由垫片隔开，可以防止调节螺钉损坏压电陶瓷块；调节压电陶瓷块2与刚度调整环4之间的预紧力可以提高驱动陶瓷块的工作频率。
如图2所示，曲柄滑块柔顺机构5包括固定导向梁8、连接块9、柔性梁10、圆形柔性铰链11、曲柄环12。
如图3所示，通过刚体替换综合法，对曲柄滑块柔顺机构5进行运动学分析和刚度设计。柔性梁10受力变形情况可以等效为由刚性杆BC和扭转弹簧共同组合作用，四个固定导向梁8受力变形情况可以等效为线性弹簧，圆形柔性铰链11和曲柄环12中心的连线等效为曲柄AB。其中，θa为曲柄AB与水平方向之间的夹角。当压电陶瓷块通以线性增加的电压时，压电陶瓷也近似的产生线性伸长，刚度调整环产生角位移，曲柄滑块柔顺机构产生变形，由初始位置向奇异位置运动。
如图4所示，当附加弹簧曲柄滑块机构从负角度θa0开始运动，经过奇异位置再到非奇异位置，Td与θa为非线性关系。由刚度公式K＝dTd/dθa可知，此机构的刚度呈现一个正刚度(i)-零刚度-负刚度(ii)-零刚度-正刚度(iii)的变化过程。其中，Td为曲柄AB的输入扭矩。
所述的压电俘能器的变刚度是基于附加弹簧曲柄滑块机构的运动学奇异性原理来实现的，当机构从运动学非奇异位置开始运动，经过奇异位置再到非奇异位置，柔性梁等效的扭转弹簧具有正刚度特性，固定导向梁等效的线性弹簧具有双稳态特性。因此，各运动构件的等效弹簧刚度叠加后是一个正刚度-零刚度-负刚度-零刚度-正刚度的变刚度过程。当外界激励以中频振荡时，俘能器结构调整为中刚度，使固有频率处在中频范围内，产生共振从而吸收的振动能最大化，同理，当外界激励以低频或高频振荡时，对应俘能器结构增加或减小刚度。
如图5所示压电俘能模块包括铜箔13和PVDF压电薄膜14。其中，PVDF压电薄膜14在上铜箔13a与下铜箔13b之间进行粘结连接，采用同向反面引出PVDF的上下两极面的方法。为了避免压电薄膜在工作中损坏，需要在铜箔两面添加保护层，选择聚酰亚胺材料绝缘材料对压电薄膜进行封装，将封装好的压电薄膜与曲柄环下表面通过有机硅密封胶进行粘结。
所述压电俘能器的变刚度实施过程：
首先，向压电陶瓷块输入电压信号，输入信号的幅值大小由所需驱动的位移决定，压电陶瓷块伸长，刚度调整环从初始角度θa0开始沿顺时针方向有一定角位移；
然后，柔性梁产生弯曲变形，带动”凹”型连接块产生直线位移，进而使固定导向梁产生弯曲拉伸变形，实现一个从正刚度-零刚度-负刚度-零刚度-正刚度的变刚度过程；
最后，刚度调整环运动到合适位置后，压电陶瓷需持续通电，以使旋转环保持固定，使得柔顺机构具有俘能器所需的最佳刚度。
所述压电俘能器的俘能实施过程：
判断被安装设备的运动状况，确定振动频带；根据频带，向驱动压电陶瓷块输入电压信号，使曲柄滑块柔顺机构发生旋转位移并改变轴向刚度，进而改变机构的固有频率，使机构在该振动频段下具有最大化的振动能，实现了变刚度调谐；
压电陶瓷持续通电，使得刚度调整环运动到合适位置后保持固定；
振动传导至由电极和PVDF组成的俘能机构，压电材料在外界振动作用下会发生变形，此时压电材料的内部元件也会随之产生变形，从而发生电极化现象，在压电材料上下表面形成极性相反的电荷，电能通过转换电路得到储存。
Claims (7)
1.一种变刚度调谐的压电俘能器，其特征在于，所描述的俘能器包括变刚度调谐模块和压电俘能模块；其中，变刚度调谐模块包括基座(1)、压电陶瓷块(2)、T型铰链(3)、刚度调整环(4)、调节螺钉(6)、垫片(7)，压电俘能模块包括铜箔(13)和PVDF压电薄膜(14)；基座(1)内部为圆环形的空腔，且刚度调整环(4)容纳在该空腔中，刚度调整环(4)通过T型铰链(3)与基座(1)连接；压电陶瓷块(2)安装在基座(1)内并倾斜的抵靠在调整环(4)外侧，通过压电陶瓷块(2)的伸缩变形推动调整环(4)相对基座(1)转动一个角度；所述刚度调整环(4)内部为中空的，且设有三根固定导向梁(8)、分别位于固定导向梁(8)中间的连接块(9)、自连接块(9)向内延伸的柔性梁(10)，柔性梁(10)前端通过圆形柔性铰链(11)固定于曲柄环(12)上；三根固定导向梁(8)围成三角形结构。
2.根据权利要求1所述的变刚度调谐的压电俘能器，其特征在于，三个压电陶瓷块(2)由调节螺钉(6)固定在刚度调整环(4)上，通过旋动调节螺钉能够将压电陶瓷块固定在由基座和刚度调整环组成的凹槽中，并调节压电陶瓷与刚度调整环之间的预紧力；在调节螺钉和压电陶瓷块之间垫有垫片(7)。
3.根据权利要求1所述的变刚度调谐的压电俘能器，其特征在于，其中，PVDF压电薄膜(14)在上铜箔(13a)与下铜箔(13b)之间进行粘结连接，采用同向反面引出PVDF的上下两极面的方法，在铜箔两面添加保护层，设置聚酰亚胺材料绝缘材料对压电薄膜进行封装，将封装好的压电薄膜与曲柄环下表面通过有机硅密封胶进行粘结。
4.根据权利要求3所述的变刚度调谐的压电俘能器，其特征在于，连接块(9)为“凹”字形。
5.根据权利要求1所述的变刚度调谐的压电俘能器，其特征在于，一个固定导向梁(8)、连接块(9)及柔性梁(10)构成曲柄滑块柔顺机构；曲柄滑块柔顺机构基于运动学奇异性原理实现变刚度，初始位置的角度为θ，以初始角度位置为非奇异点，运动过程通过运动学奇异位置再到非奇异位置，即为整个结构刚度变化过程，进而实现宽频带吸振效果。其中，其中，θ为连接块(9)”凹”型连接块的中点与曲柄环中心连线和柔性梁(10)的初始角度。
6.根据权利要求1所述的变刚度调谐的压电俘能器，其特征在于，压电俘能器根据压电材料的正压电效应将振动能量转换为电能。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述变刚度调谐的压电俘能器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：判断被安装设备的运动状况，确定振动频带；
步骤2：根据频带，向压电陶瓷块输入电压信号，使曲柄滑块柔顺机构发生旋转位移并改变轴向刚度，进而改变机构的固有频率，使机构在该振动频段下具有最大化的振动能，实现了变刚度调谐；
步骤3：压电陶瓷持续通电，使得刚度调整环运动到合适位置后保持固定；
步骤4：振动传导至由电极和PVDF组成的俘能机构，根据压电材料的正压电效应将振动能量转换为电能，并通过转换电路储存能量。
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