CN114244185A - 一种基于mfc的圆板型振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于MFC的圆板型振动能量采集器，包括底座(8)，固定在底座(8)上的导柱(1)，与所述导柱(1)连接的呈上下对称设置的上部中心质量块(3)、下部中心质量块(7)，以及设于所述上部中心质量块(3)与所述下部中心质量块(7)之间的层合圆板，所述层合圆板包括上、下两片具有相同结构尺寸的圆形的MFC(4)以及设于两片MFC(4)之间的黄铜基板(6)。与现有技术相比，本发明具有有效拓宽采集器的响应频带、减少振动时产生摩擦、采集稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量回收技术领域，尤其是涉及一种基于MFC的圆板型振动能量采集器。
背景技术
目前能源问题是世界各国最为关注的问题之一，能源问题主要包括不可再生资源的匮乏、不可再生资源使用过程中产生的污染、可再生资源的利用等，世界众多科学家和学者一直致力于寻找和开发新能源以替代目前使用较广泛的传统能源。在环境中，潜在可利用的资源主要有太阳能、风能、振动能、噪声能量等。其中，振动几乎无处不在，且具有较高的能量密度，又不易受自然环境影响，其发电功率目前也能满足许多设备的需求，因此研究对振动能量的采集是有意义的。
目前研究的振动能量采集器主要有三种转换形式：压电式、电容式与电磁式。其中，压电式使用比较普遍，其通过利用压电陶瓷片来实现振动的能量转换。然而由于压电陶瓷片非常脆、易风化，在采集器工作过程中容易崩裂，影响采集器正常运行。此外，为了避免被短路，采用M2的非金属螺丝固定倒锥形质量块，强度不足，容易断裂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于MFC的圆板型振动能量采集器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于MFC的圆板型振动能量采集器，包括底座，固定在底座上的导柱，与所述导柱连接的呈上下对称设置的上部中心质量块、下部中心质量块，以及设于所述上部中心质量块与所述下部中心质量块之间的层合圆板，所述层合圆板包括上、下两片具有相同结构尺寸的圆形的MFC以及设于两片MFC之间的黄铜基板。
所述上部中心质量块与所述下部中心质量块的结构及尺寸相同，且二者呈上、下对称配合连接，所述上部中心质量块的顶部与所述下部中心质量块的底部的截面为圆形。
所述MFC的外径尺寸与上部中心质量块的顶部、下部中心质量块的底部的截面尺寸相同。
进一步地，所述黄铜基板为圆形板，所述黄铜基板的外径大于所述MFC的外径。
进一步地，所述层合圆板的中央开有圆形孔，所述下部中心质量块通过该圆形孔贯穿层合圆板固定，所述上部中心质量块的底部与所述下部中心质量块的顶部通过螺纹旋紧配合。
进一步地，所述上部中心质量块、所述下部中心质量块与所述导柱通过若干滚珠连接，所述滚珠围绕导柱均匀分布，所述上部中心质量块与所述下部中心质量块的中心均开有用以容置滚珠的孔。
进一步地，所述黄铜基板的顶部边缘设有压环。
进一步地，所述底座为圆盘型底座，该圆盘型底座的中央位置设有向下凹进的圆柱形凹槽，所述导柱垂直固定在底座的凹槽的中央位置顶部。所述压环的内径与所述底座的凹槽的内径不同，且所述黄铜基板的外径与所述压环和所述底座的外径相同。
进一步地，两片MFC均采用d31模式，且二者极化方向相反，内设有电极。
本发明提供的基于MFC的圆板型振动能量采集器，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
(1)本发明利用圆板型振动能量采集器对垂向振动能量进行采集，将垂向振动的机械能转换为电能，达到高效回收振动能量的目的，该结构具有轴对称性，加工容易，应用方便，且存在双向应变，有助于提高机电耦合系数；另外，层合圆板还具有非线性特性，可以有效拓宽采集器的响应频带。
(2)本发明采用MFC(压电陶瓷纤维片)代替普通的压电陶瓷片，能提供更高的性能、灵活性以及可靠性，不易短路、风化、崩裂，使用寿命长，机电转换效率高，刚度较小，且内藏电极，保证了采集器工作的稳定性。
(3)本发明利用导柱以及两中心质量块的配合稳定上下振动，保证采集器在工作过程中不会因质量块横向晃动而被干扰，同时在导柱周围设置了若干均匀分布的滚珠，从而减少振动时产生的摩擦。
(4)本发明在黄铜基板上设有若干小孔，且小孔的大小和数量可以按需设置，以调整黄铜基板的刚度，减小空气阻尼，从而提高采集器的工作效率。
(5)本发明中压环的内径与底座的凹槽的宽度不等，从而使上部中心质量块、下部中心质量块向上运动和向下运动过程中层合圆板产生的形变量不同，以拓宽采集器的响应频带。
附图说明
图1为实施例中基于MFC的圆板型振动能量采集器的侧视剖面结构示意图；
图2为实施例中基于MFC的圆板型振动能量采集器的俯视结构示意图；
图中标号所示：
1、导柱；2、滚珠；3、上部中心质量块；4、MFC；5、压环；6、黄铜基板；7、下部中心质量块；8、底座；9、小孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明涉及一种基于MFC的圆板型振动能量采集器，主要采用压电转换的方法将振动的机械能转换为电能输出。压电转换具有结构简单、较高功率密度和较高的输出电压等优点，因此，利用压电效应来进行振动能量采集是较好的途径。
具体地，如图1、图2所示，本发明基于压电陶瓷纤维片MFC(Macro FiberComposite)的圆板型振动能量采集器包括层合圆板、压环5、底座8、上部中心质量块3、下部中心质量块7和导柱1。底座8为圆盘型底座，且该圆盘型底座的中央位置设有向下凹进的圆柱形凹槽，导柱1垂直固定在底座8的凹槽的中央位置顶部，导柱1的外壁周向安装有多列竖直排列的若干滚珠2。底座8的凹槽中设有环绕导柱1设置的且与导柱1通过滚珠2连接的上部中心质量块3、下部中心质量块7。上部中心质量块3、下部中心质量块7的结构、尺寸相同，且二者呈上、下对称配合连接；上部中心质量块3的顶部与下部中心质量块7的底部的截面为圆型，上部中心质量块3的底部与下部中心质量块7的顶部之间设置层合圆板。
本发明的层合圆板具有轴对称性，该层合圆板是由MFC(压电陶瓷纤维片)4、黄铜基板6组成的复合结构，具体包括上、下两片具有相同结构尺寸的MFC4以及设于两片MFC4之间的黄铜基板6。MFC4的外径尺寸与上部中心质量块3的顶部、下部中心质量块7的底部的截面尺寸相同。黄铜基板6同样为圆形板，该板的外径尺寸大于MFC4的外径尺寸，使层合圆板形成一个表面阶梯结构。
黄铜基板6超出MFC4的边缘周向均匀开有若干小孔9。进一步地，小孔9为近似椭圆形孔，其由四段圆弧组成，其中两段圆弧与黄铜基板6的圆心相同，多个小孔9呈圆周阵列。小孔9的数量和大小可以根据采集器的实际需求进行调整，从而调整系统的刚度，并减小空气阻尼对采集器的影响。上、下两片MFC 4互相平行，且二者利用环氧胶水粘贴在黄铜基板6的上、下两侧。两片MFC4均采用d31模式，且极化方向相反，内藏电极，接线时既可以构成串联连接又可以构成并联连接。MFC 4的主要优点是：使用寿命长，机电转换效率高，刚度小，不易短路。
进一步地，层合板的中央开有圆形小孔，下部中心质量块7通过该圆孔贯穿层合板进行固定，上部中心质量块3的底部与下部中心质量块7的顶部通过螺纹旋紧配合，以保证垂向振动的稳定。具体地，上部中心质量块3的最下端外圈设有螺纹，下部中心质量块7的最上端呈“凹”字型，内设有螺纹，以保证上部中心质量块3与下部中心质量块7之间的配合，且不影响中心质量块3、7受到激励时的正常振动。本实施例中，上部中心质量块3、下部中心质量块7与层合圆板之间通过若干滚珠2与一根安装在底座8上的导柱1连接，具体地，上部中心质量块3、下部中心质量块7的中心均开有小孔，且配套设置有若干滚珠2，通过滚珠2与导柱1配合，滚珠2围绕导柱1均匀分布，以达到直线轴承的效果，从而减小上部中心质量块3、下部中心质量块7上下振动时与导柱1之间的摩擦。
黄铜基板6的边缘被压环5和底座8夹紧构成固定边界，通过螺栓连接(螺栓未画出)，压环5的内径与底座的凹槽的内径不同，作为优选方案，压环5的内径d1>底座8的凹槽的内径d2，且黄铜基板6的外径与压环5和底座8的外径相同。
本发明基于MFC的圆板型振动能量采集器的工作原理如下：
在使用时，底座8固定在振动物体上，当受到外部激励时，上部中心质量块3会发生上下振动，从而带动下部中心质量块7的上下振动。当上部中心质量块3与下部中心质量块7向下运动时，层合圆板向下弯曲，MFC4发生形变，同时受到固定在振动物体上的底座8的基础激励作用；当上部中心质量块3与下部中心质量块7向上运动时，层合圆板向上弯曲，MFC4发生形变，同时受到压环5上环的基础激励作用。由于压电效应的存在，随着上部、下部的中心质量块的不断振动，MFC4上的电荷不断地向两边的电极定向移动，从而产生持续、稳定的电压输出。由于d1>d2，当上部中心质量块3与下部中心质量块7向上运动时，层合圆板的形变程度会比向下运动时大，因此当上部中心质量块3向上运动时产生的电流将会比向下运动时大一些，从而有效拓宽频带。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，包括底座(8)，固定在底座(8)上的导柱(1)，与所述导柱(1)连接的呈上下对称设置的上部中心质量块(3)、下部中心质量块(7)，以及设于所述上部中心质量块(3)与所述下部中心质量块(7)之间的层合圆板，所述层合圆板包括上、下两片具有相同结构尺寸的圆形的MFC(4)以及设于两片MFC(4)之间的黄铜基板(6)。
2.根据权利要求1所述的基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，所述上部中心质量块(3)与所述下部中心质量块(7)的结构及尺寸相同，且二者呈上、下对称配合连接，所述上部中心质量块(3)的顶部与所述下部中心质量块(7)的底部的截面为圆形。
3.根据权利要求2所述的基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，所述MFC(4)的外径尺寸与上部中心质量块(3)的顶部、下部中心质量块(7)的底部的截面尺寸相同。
4.根据权利要求3所述的基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，所述黄铜基板(6)为圆形板，所述黄铜基板(6)的外径大于所述MFC(4)的外径。
5.根据权利要求4所述的基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，所述层合圆板的中央开有圆形孔，所述下部中心质量块(7)通过该圆形孔贯穿层合圆板固定，所述上部中心质量块(3)的底部与所述下部中心质量块(7)的顶部通过螺纹旋紧配合。
6.根据权利要求1所述的基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，所述上部中心质量块(3)、所述下部中心质量块(7)与所述导柱(1)通过若干滚珠(2)连接，所述滚珠(2)围绕导柱(1)均匀分布，所述上部中心质量块(3)与所述下部中心质量块(7)的中心均开有用以容置滚珠(2)的孔。
7.根据权利要求1所述的基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，所述黄铜基板(6)的顶部边缘设有压环(5)。
8.根据权利要求7所述的基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，所述底座(8)为圆盘型底座，该圆盘型底座的中央位置设有向下凹进的圆柱形凹槽，所述导柱(1)垂直固定在底座(8)的凹槽的中央位置顶部。
9.根据权利要求8所述的基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，所述压环(5)的内径与所述底座(8)的凹槽的内径不同，且所述黄铜基板(6)的外径与所述压环(5)和所述底座(8)的外径相同。
10.根据权利要求1所述的基于MFC的圆板型振动能量采集器，其特征在于，两片MFC(4)均采用d31模式，且二者极化方向相反，内设有电极。
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