CN114172406A - 一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器，属于振动俘能技术领域，本发明是为了解决传统压电俘能器受振动频率限制，俘能效率低，俘能模式单一的问题。压电梁的一端通过螺栓螺母和连接板固定在上框架内壁，上框架和下框架通过螺栓螺母连接，移动凸轮的两侧导向杆穿过固定在框架定位槽的圆法兰型直线轴承，缓冲弹簧套在移动凸轮导向杆上，防止移动凸轮与框架直接撞击造成损坏，压电梁末端圆柱嵌入移动凸轮凹槽处，将移动凸轮的直线往复运动转为压电材料所受交替变化的应力并实现俘能。本发明可通过改变移动凸轮凹槽曲线和弹性基体负泊松比形状提高系统俘能性能，具有激励方式简单、结构新颖、输出稳定、俘能效率高和设计灵活等优点。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种压电俘能器，具体涉及一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器，属于振动俘能技术领域。
背景技术
目前，随着微电子和微加工技术的技术进步，大规模无线传感器网络、可移动电子设备及物联网得到快速发展，被广泛应用于军事国防、远程控制以及环境监测等领域。而目前的无线传感器依然多数采用化学电池作为能量源，但化学电池在体积、寿命、集成及环保等方面的限制给微电子设备在应用中带来许多不便。因此，亟需一种具有长寿命和稳定持续特性的独立微电源。近年来，许多学者采用将振动能量转变为电能的方式作为一种替代方案，其常见机制有三种：静电式、电磁式和压电式。其中，压电式具有结构体积小，易与微机电系统加工工艺兼容，且相比于电磁式转换机制，其具有更高的输出电压和功率密度。此外，压电式转换机制还具有无污染、不发热、无电磁干扰以及易于实现微型化和集成化等特点。
然而，现有技术中的压电俘能器多数需要保证在一定频率带宽内才可有效俘能，当环境激励频率等于俘能器谐振频率时，压电材料所受应力或应变最大，俘能器输出功率最佳，如文献“J Pan,W Qin,W Deng,et al.Harvesting weak vibration energy byintegrating piezoelectric inverted beam and pendulum[J].Energy.2021,227∶120374.”和“Eshtehardiha R,Tikani R,Ziaei-Rad S.Experimental and numericalinvestigation of energy harvesting from double cantilever beams with internalresonance[J].Journal of Sound and Vibration.2021,500∶116022.”等，此类俘能器对使用场所的振动频率要求较高，因此限制了俘能器的使用广泛性。
目前的梁式压电俘能器的弹性基体多数为正泊松比结构，其压电材料工作模式多为d31形式，如文献“T Tan,L Zuo,Z Yan.Environment coupled piezoelectric gallopingwind energy harvesting[J].Sensors and Actuators A:Physical.2021,323∶112641.”和“Dhote S,H Li,Z Yang.Multi-frequency responses of compliant orthoplanarspring designs for widening the bandwidth of piezoelectric energy harvesters[J].International Journal of Mechanical Sciences.2019,157-158:684-691.”等，弹性基体所受的轴向应力为拉(压)应力时，其径向应力为压(拉)应力，故其压电材料所受的总应力会下降，致使压电材料俘能有损耗且俘能模式单一。
发明内容
本发明的目的是提供一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器，以解决传统压电俘能器受振动频率限制，俘能效率低，俘能模式单一的问题。
一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器包括上框架、下框架、移动凸轮、缓冲弹簧和压电梁组件；
压电梁的一端通过螺栓螺母和连接板固定在上框架内壁，上框架和下框架通过螺栓螺母连接，移动凸轮的两侧导向杆穿过固定在框架定位槽的圆法兰型直线轴承，缓冲弹簧套在移动凸轮导向杆上，压电梁末端圆柱嵌入移动凸轮凹槽处。
优选的：压电梁包括弹性基体和压电材料，压电材料粘贴在弹性基体的负泊松比位置处，且二者宽度相等，弹性基体末端开有螺纹孔，螺栓螺母通过弹性基体末端螺纹孔将压电梁固定在连接板上。
优选的：上框架的内侧面开有螺纹孔用于固定连接板，螺钉通过连接板螺纹孔和上框架螺纹孔使安装有压电梁的连接板固定在上框架内壁上。
优选的：缓冲弹簧套在移动凸轮导向杆上，用于防止移动凸轮与框架直接撞击，移动凸轮导向杆穿过固定在框架定位槽的圆法兰型直线轴承，圆法兰型直线轴承通过螺钉与框架连接，弹性基体末端圆柱嵌入在移动凸轮凹槽处。
优选的：上框架和下框架通过螺栓螺母连接，压电梁所俘获的电能通过导线穿过导线孔引出。
本发明与现有产品相比具有以下效果：
1、一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器通过移动凸轮的直线往复运动，使与其连接的压电梁实现定幅度变形，由于压电材料的正压电效应，其将机械能转为电能，该俘能器不受环境振动频率限制，压电梁的应变可直接达到或超过传统压电梁共振时的最大应变值，故本发明具有激励方式简单、结构新颖和输出稳定等优点；
2、本发明的移动凸轮凹槽可以扩展设计成不同的曲线形状，如等加速等减速运动曲线、余弦加速度曲线和多项式运动曲线等，并可以根据移动凸轮的直线速度设计不同周期的凹槽曲线，同时可阵列安装多个压电梁，故该俘能器具有空间利用率高、设计灵活、可系列化的优点；
3、本发明的压电梁弹性基体具有负泊松比结构特性，弹性基体所受的轴向应力和径向应力符号始终相同，使压电材料受到的总应力变大，相比传统的正泊松比梁式压电d31模式，本发明的压电模式为d31和d32复合形式俘能，故此俘能器有助于提高俘能效率。
附图说明
图1是一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器的结构示意图；
图2是压电梁与连接板的爆炸示意图；
图3是移动凸轮与直线轴承的相对位置爆炸图；
图4是压电梁和上框架连接方式爆炸示意图；
图5是压电梁安装在上框架的走线示意图。
图中：1—上框架、2—下框架、3—移动凸轮、4—压电梁、5—连接板、6—圆法兰型直线轴承、7—弹性基体末端圆柱、8—移动凸轮凹槽、9—弹性基体、10—压电材料、11—弹性基体末端螺纹孔、12—连接板螺纹孔、13—框架直线轴承定位槽、14—缓冲弹簧、15—移动凸轮导向杆、16—导线孔、17—上框架螺纹孔。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
如图1至图4所示，本发明所述的一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器包括上框架1、下框架2、移动凸轮3、缓冲弹簧14和压电梁4组件；
压电梁4的一端通过螺栓螺母和连接板5固定在上框架1内壁，上框架1和下框架2通过螺栓螺母连接，移动凸轮3的两侧导向杆15穿过固定在框架定位槽13的圆法兰型直线轴承6，缓冲弹簧14套在移动凸轮导向杆15上，压电梁末端圆柱7嵌入移动凸轮凹槽8处。
进一步：压电梁4包括弹性基体9和压电材料10，压电材料10粘贴在弹性基体9的负泊松比位置处，且二者宽度相等，弹性基体9末端开有螺纹孔，螺栓螺母通过弹性基体末端螺纹孔11将压电梁4固定在连接板5上。
进一步：上框架1的内侧面开有螺纹孔用于固定连接板5，螺钉通过连接板螺纹孔12和上框架螺纹孔17使安装有压电梁4的连接板5固定在上框架1内壁上。
进一步：缓冲弹簧14套在移动凸轮导向杆15上，用于防止移动凸轮3与框架直接撞击，移动凸轮导向杆15穿过固定在框架定位槽13的圆法兰型直线轴承6，圆法兰型直线轴承6通过螺钉与框架连接，弹性基体末端圆柱7嵌入在移动凸轮凹槽8处。
进一步：上框架1和下框架2通过螺栓螺母连接，压电梁所俘获的电能通过导线穿过导线孔16引出。
弹性基体9的负泊松比处形状不限，可以为内六角阵列形式、手性结构或旋转刚体负泊松比结构等图形。
弹性基体末端圆柱7使移动凸轮3的直线往复运动转为压电梁4受到交替变化的应力及应变，由于压电材料10的正压电效应，将其机械能转为电能并通过导线供给耗电设备。
压电梁4的运动形式受移动凸轮凹槽8曲线的影响，移动凸轮凹槽形状不限，可以为等加速等减速运动曲线、余弦加速度曲线和多项式运动曲线等。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只是没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (4)
1.一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器，其特征在于：上框架(1)、下框架(2)、移动凸轮(3)、缓冲弹簧(14)和压电梁(4)组件；
压电梁(4)的一端通过螺栓螺母和连接板(5)固定在上框架(1)内壁，上框架(1)和下框架(2)通过螺栓螺母连接，移动凸轮(3)的两侧导向杆(15)穿过固定在框架定位槽(13)的圆法兰型直线轴承(6)，缓冲弹簧(14)套在移动凸轮导向杆(15)上，压电梁末端圆柱(7)嵌入移动凸轮凹槽(8)处。
2.根据权力要求1所述的一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器，其特征在于：所述压电梁(4)包括弹性基体(9)和压电材料(10)，压电材料(10)粘贴在弹性基体(9)的负泊松比位置处，且二者宽度相等，弹性基体(9)末端开有螺纹孔，螺栓螺母通过弹性基体末端螺纹孔(11)将压电梁(4)固定在连接板(5)上。
3.根据权力要求1所述的一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器，其特征在于：所述上框架(1)的内侧面开有螺纹孔用于固定连接板(5)，螺钉通过连接板螺纹孔(12)和上框架螺纹孔(17)使安装有压电梁(4)的连接板(5)固定在上框架(1)内壁上。
4.根据权力要求1所述的一种直线型移动凸轮式负泊松比压电俘能器，其特征在于：所述缓冲弹簧(14)套在移动凸轮导向杆(15)上，用于防止移动凸轮(3)与框架直接撞击，移动凸轮导向杆(15)穿过固定在框架定位槽(13)的圆法兰型直线轴承(6)，圆法兰型直线轴承(6)通过螺钉与框架连接，弹性基体末端圆柱(7)嵌入在移动凸轮凹槽(8)处，压电梁所俘获的电能通过导线穿过导线孔(16)引出。
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| CN115242126A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-10-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器 |
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| US10224835B1 (en) * | 2015-04-09 | 2019-03-05 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Broad spectrum and wide amplitude range vibration energy harvester: bistable piezoelectric transduction, synchronized extraction, self-actuated adaptation |
| CN113258826A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-08-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器 |
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