CN204376760U - 一种压电式振动发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压电式振动发电机，属于发电领域。立柱与焊有挂架的上下壁板焊接，挂架侧耳上铆有销钉；链节侧耳铆有销钉、侧壁嵌有磁块；换能器由压电振子与其两端销套铆接而成，压电振子由带圆弧的金属膜与所粘接的压电膜构成；单元I中各换能器上端装在上壁板上、下端装在链节上端侧耳上；单元II中换能器下端装在下壁板挂架上、上端装在链节下端侧耳上；吊架装在上壁板上，吊架摆杆装有导柱，导柱两端经螺母压有限位磁环，导柱上套有装有质量块的激励磁环；特色与优势：两组伸缩式压电振子经铰链与框架及链节连接且变形相互制约，激励磁环带有可调质量且可任意方向运动，故可靠性高、低频特性好、发电能力强、振动方向适应能力强。

Description

一种压电式振动发电机

技术领域

本实用新型属于发电技术领域，具体涉及一种压电式振动发电机，为微功率电子产品及无线传感监测系统等提供实时的能量供应。

背景技术

利用压电陶瓷材料回收环境振动能量构造的微小型发电机被认为是便携式微功率电子产品以及远程埋植传感监测系统实时自供电的有效手段。虽然某些类型压电发电机已经在现实中获得应用，但其振动环境的适应能力、可靠性及能量转换效率等方面还有较大的局限性，不利于压电振动发电技术的进一步推广应用。对于振动式压电发电机而言，仅当压电振子固有频率与环境振动频率相等时方能达到较高的发电能力和能量转换效率。但因压电振子自身的谐振频率较高，通常为几百、甚至几千赫兹，而环境振动频率一般为十几赫兹、甚至仅有几赫兹，因此利用单一的压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为此，需在悬臂梁压电振子端部或圆形压电振子中心处安装集中质量块，其弊端是：当所安装的惯性块较大时，即使在非工作状态时压电振子就已产生较大变形，工作中极易因变形过大而损毁；压电振子弯曲变形时压电晶片承受交替变换的压应力和拉应力，环境振动强度过大时压电晶片会因拉应力过大破碎。此外，现有的压电发电机大都仅适于纵振能量回收，而现实中非结构环境下的很多振源具有低频、多方向性、且其振动方向和振幅大小还具时变性，比如：运行中的火车车厢振动包括轨道接头引起的纵向振动、速度变化引起的前后振动、风及运行方向变化引起的车体左右摇晃等，上述各种振动之间存在耦合与叠加效果、且振动频率极低，因此现有的纵振压电发电机在低频性、振动方向适应性、可靠性及发电能力等方面都有待进一步提高。

发明内容

本实用新型提供一种压电式振动发电机，以解决现有振动式压电发电机可靠性低、环境适应能力差及发电能力弱等弊端。本实用新型采用的实施方案是：上下壁板都均布地设有一组立柱定位孔和一组挂架定位孔；立柱两端分别嵌入所述立柱定位孔中并与上下壁板焊接构成框架；上下壁板的挂架定位孔中嵌有挂架，挂架底壁与上壁板或下壁板焊接，挂架侧耳上铆有销钉；链节侧耳销孔中铆有销钉，链节侧壁沉槽中嵌有磁块；换能器由压电振子与其两端所铆接的销套构成，压电振子由带圆弧凸起的S型金属膜与其圆弧凸起处所粘接的压电膜构成；单元I中各换能器上端销套经销钉安装在上壁板挂架上、下端销套经销钉安装在链节上端侧耳上；单元II中换能器下端销套经销钉安装在下壁板挂架上、上端销套经销钉安装在链节下端侧耳上；吊架的端部法兰经螺钉装在上壁板上，吊架的弹性摆杆自由端经螺纹装有导柱，导柱上下两端分别经背紧螺母压有限位磁环，导柱上套有激励磁环，激励磁环上经螺钉装有质量块；激励磁环沿径向极化、限位磁环沿轴向极化，激励磁环与限位磁环及链节上磁块的同性磁极靠近安装；磁块与激励磁环的纵向尺寸相等且对齐安装，即其上表面及下表面分别处于同一水平面内；

为使压电振子最大限度地利用振动能量发电、并避免压电膜因拉应力过大而损坏，压电振子不受外力作用时金属膜的圆弧外表面最小半径为 $R=\frac{h_m+h_p}{2}\{2\mathrm{\α}+\frac{1}{1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 单元I中压电振子上圆弧段在垂直方向被拉直时，单元II中压电振子处于不受外力的自然状态，即上下壁板上的挂架侧耳销孔间的中心距为 $L=2L1+L3+n[2R\arcsin \left(\frac{L2}{2R}\right)-L2],$ 上式中：α＝h_m/(h_m+h_p)，h_p和h_m分别为压电及金属膜厚度， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电及金属膜的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L3为链节上下两组侧耳上销孔间的距离，L1为换能器上两销套的中心距，L2为金属膜上的圆弧弦长，n为单个压电振子上的圆弧数量。

发电机在非工作的自然状态下，激励磁环及质量块在两个限位磁环的作用下处于平衡状态，链节在其上磁块与激励磁环的作用下处于平衡状态；当框架受空间任意方向的往复激励时，激励磁环及质量块都与框架产生相对运动，从而改变激励磁环与链节上磁块间的距离和相互作用力，使单元I及单元II中压电振子分别沿其长度方向伸长或缩短，如：框架垂直向上振动时，单元I中的压电振子受拉伸长、单元II中的压电振子在其自身弹性力作用下缩短；框架沿水平方向振动时，两单元中的压电振子同时伸长或缩短，等等；在上述压电振子的伸长与缩短的过程中，压电膜所受应力交替增加和减小，从而将机械能转换成电能。

特色及优势：伸缩式压电振子通过销轴及销套与框架及镶嵌有磁块的链节相连接，激励磁环套在吊架弹性摆杆端部的导柱上并通过限位磁环悬浮夹持，故可实现空间任意方向的振动能量回收；上下两个单元中压电振子的伸长与压缩相互制约，具有限位和保护作用、且应力分布均匀；此外，还可通过增加质量块的质量降低系统固有频率。因此，本实用新型优势显著：可靠性高、低频特性好、发电能力较强、振动方向适应能力强，可用于高强度、大振幅、低频及振动方向变化较大场合的能量回收。

附图说明

图1是本实用新型一个较佳实施例中发电机的结构剖面示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本实用新型一个较佳实施例中换能器的结构示意图；

图4本实用新型一个较佳实施例中链节的结构示意图；

图5是图4的左视图；

具体实施方式：

下壁板1及上壁板1’上都均布地设有一组立柱定位孔和一组挂架定位孔；立柱5的两端分别嵌入下壁板1及上壁板1’上的立柱定位孔中、并通过与下壁板1及上壁板1’焊接构成框架；下壁板1及上壁板1’上的挂架定位孔中均镶嵌有挂架2的底壁2a，挂架2的底壁2a与下壁板1或上壁板1’相互焊接，各挂架2的侧耳2b上均铆接有销钉3；链节6的上下两组侧耳6a上的销孔6b中铆接有销钉3，链节6侧壁上沉槽6c中镶嵌有磁块7；换能器H由压电振子h与其两端所铆接的销套4构成，压电振子h由带有圆弧凸起的S型金属膜h1与其圆弧凸起处所粘接的压电膜h2构成；单元I中各换能器H上端的销套4通过销钉3安装在上壁板1’的挂架2上、下端的销套4通过销钉3安装在链节6的上端的侧耳6a上；单元II中换能器H下端的销套4通过销钉3安装在下壁板1的挂架2上、上端的销套4通过销钉3安装在链节6的下端的侧耳6a上；吊架12的端部法兰12a通过螺钉安装在上壁板1’上，吊架12的弹性摆杆12b的自由端通过螺纹安装有导柱9，导柱9的上下两端分别通过背紧螺母11压接有一个限位磁环10，导柱9上套有激励磁环8，激励磁环8上通过螺钉安装有质量块13；激励磁环8沿径向极化、限位磁环10沿轴向极化，激励磁环8与限位磁环10及链节6上的磁块7的同性磁极靠近安装；磁块7与激励磁环8的纵向尺寸相等、且对齐安装，即磁块7与激励磁环8的上表面及下表面分别处于同一水平面内；

为使压电振子h最大限度地利用振动能量发电、并避免压电膜h2因拉应力过大而损坏，应满足下列条件：①压电振子h不受外力作用时金属膜h1的圆弧外表面最小半径为 $R=\frac{h_m+h_p}{2}\{2\mathrm{\α}+\frac{1}{1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ ②单元I中压电振子h上的圆弧段在垂直方向被拉直时，单元II中压电振子h处于不受外力的自然状态，即下壁板1与上壁板1’上的挂架2的侧耳2b上销孔间的中心距为 $L=2L1+L3+n[2R\arcsin \left(\frac{L2}{2R}\right)-L2];$ 上式中：α＝h_m/(h_m+h_p)，h_p和h_m分别为压电膜h2和金属膜h1的厚度， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电膜h2和金属膜h1的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L3为链节6的上下两组侧耳6a上销孔6b间的距离，L1为换能器H上两销套4的中心距，L2为金属膜h1上的圆弧弦长，n为单个压电振子h上的圆弧数量。

自然状态下，激励磁环8及质量块13在两个限位磁环10的作用下处于平衡状态，链节6在其上磁块7与激励磁环8的作用下处于平衡状态；当框架受空间任意方向的往复激励时，激励磁环8及质量块13都与框架产生相对运动，从而改变激励磁环8与链节6上磁块7间的距离和相互作用力，使单元I及单元II中压电振子h分别沿其长度方向伸长或缩短，如：框架垂直向上振动时，单元I中的压电振子h受拉伸长、单元II中的压电振子h在自身弹性力作用下缩短；框架沿水平方向振动时，两单元中的压电振子h同时伸长或缩短，等等；在上述压电振子h的伸长与缩短的过程中，压电膜h2所受应力交替增加和减小，从而将机械能转换成电能。

本实用新型中，伸缩式压电振子h通过销轴3及销套4与框架及镶嵌有磁块7的链节6相连接，激励磁环8套在吊架12的弹性杆12b端部的导柱9上并通过限位磁环10悬浮夹持，故可实现空间任意方向的振动能量回收；上下两个单元中压电振子h的伸长与压缩相互制约，具有限位和保护作用、且应力分布均匀；此外，还可通过增加质量块13的质量降低系统固有频率。因此，本实用新型优势显著：可靠性高、低频特性好、发电能力较强、振动方向适应能力强，可用于高强度、大振幅、低频及振动方向变化较大场合的能量回收。

Claims (1)

1.一种振动式压电俘能器，其特征在于：立柱两端分别与上下壁板焊接构成框架，上下壁板的挂架定位孔中嵌有挂架，挂架底壁与上壁板或下壁板焊接，挂架侧耳上铆有销钉；链节侧耳销孔中铆有销钉，链节侧壁沉槽中嵌有磁块；换能器由压电振子与其两端所铆接的销套构成，压电振子由带圆弧凸起的金属膜与所粘接的压电膜构成；单元I中各换能器上端销套经销钉安装在上壁板挂架上、下端销套经销钉安装在链节上端侧耳上；单元II中换能器下端销套经销钉安装在下壁板挂架上、上端销套经销钉安装在链节下端侧耳上；吊架的端部法兰经螺钉装在上壁板上，吊架的弹性摆杆自由端经螺纹装有导柱，导柱上下两端分别经背紧螺母压有限位磁环，导柱上套有激励磁环，激励磁环上经螺钉装有质量块；激励磁环沿径向极化、限位磁环沿轴向极化，激励磁环与限位磁环及链节上磁块的同性磁极靠近安装；磁块与激励磁环的纵向尺寸相等且对齐安装，即其上表面及下表面分别处于同一水平面内。