基于多压电振子串联的垂吊式振动俘能器

摘要

本发明涉及一种基于多压电振子串联的垂吊式振动俘能器，属于新能源和发电技术领域。球销固定在挂架上，球销上套有蝶形弹簧和球销套，蝶形弹簧压接在球销套和挂架之间；顶板固定在球销套上，框架和吊件通过固定在顶板的下面、且吊件置于所述框架的内部；2-50个压电换能器通过空心销钉串联，其上端与吊件铆接、下端与销轴铆接；压电换能器由钵型压电振子和铆钉铆接而成，钵型压电振子由钵型壳与环形压电晶片粘接而成；销轴通过框架底板上的通孔穿出，其上依次套有第一及第二限位弹簧、端部安装有质量块；第一及第二弹簧分别通过框架底板与压电振子和质量块压接。优点是：可收集任意振动方向的能量，发电量及可靠性高。

说明书

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种基于多压电振子串联的垂吊式振动俘能器，用于低频、大振幅及任意方向的振动能量回收。

背景技术

利用压电陶瓷材料回收环境振动能量的微小型俘能器已经成为国内外持续多年的研究热点。压电式振动俘能器成功开发与利用，不仅可以解决便携式微功率电子产品以及远程埋植传感监测系统的供电问题，还有助于减少大量废弃电池污染环境和生产电池所造成的资源浪费问题。针对环境振动特点及应用目的的不同，目前国内外均已提出了较多类型的压电俘能器。但由于压电陶瓷为脆性材料，且其所构成的弯曲型压电振子具有变形方向单一和谐振频率较高的特点，因此现有压电俘能器在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，难以在实际中推广应用。

众所周知，对于压电振动俘能器，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，因此直接利用压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为降低压电振子的固有频率，目前采用的方法是在悬臂梁压电振子端部或圆形压电振子中心处安装集中惯性块，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。另一方面，现实中非结构环境下的振源具有多方向性、且其振动方向和振幅大小还具时变性，以行进中的各类交通工具为例，其振源包括道路不平引起的纵向振动、速度变化引起的前后振动、运行方向漂移引起横向振动等，且上述各个振源之间存在振动耦合与叠加效果。因此，采用单一、或几个可不同方向变形压电振子构成的俘能器都不能满足多方向振动能量的有效回收。国内学者曾经提出了几种结构的多方向振动俘能器，其实现方案是：在中空的多面体的各顶角处连接有弯曲型PVDF压电振子，各压电振子的另一端均与一个质量块相连，希望由此实现多方向的振动能量收集。但实际中，由于各压电振子与多面体框架及质量块间所构成的是一个空间桁架结构，从而使压电振子及桁架的总体刚度都大幅度增加，无法实现低频振动的能量收集；另一方面，弯曲型压电振子仅能在其长度方向产生伸缩变形并发电，而宽度方向上无法产生形变；因此，多个弯曲型压电振子通过一个质量块相互连接后势必造成彼此间的变形干涉，不利于较多方向的振动能量回收，更不可能实现任意方向的振动能量回收。

发明内容

本发明提供一种基于多压电振子串联的垂吊式振动俘能器，以解决现有压电振动俘能器发电能力及可靠性低、不适于低频及任意方向振动能量回收等问题。

本发明采取的技术方案是：球销通过螺母固定在挂架上，所述球销上自上而下依次套有蝶形弹簧和球销套，所述蝶形弹簧压接在球销套和挂架之间；顶板通过螺钉固定在球销套上，框架和吊件通过螺钉固定在顶板的下面、且所述吊件置于所述框架的内部；2-50个压电换能器通过空心销钉串联，其上端与吊件铆接、下端与销轴铆接；所述压电换能器由钵型压电振子和铆钉铆接而成，所述钵型压电振子由钵型壳与环形压电晶片粘接而成；所述销轴通过框架底板上的通孔穿出，其上依次套有第一及第二限位弹簧、端部安装有质量块；所述第一及第二弹簧分别通过框架底板与压电振子和质量块压接；所述同一个压电换能器上的两个环形压电晶片通过导线一连接，相邻两个压电换能器上的压电晶片通过导线二连接，电路上并联后的压电振子经再通过导线组三与安装在框架上的电路板连接。

本发明中，蝶形弹簧的作用是限制框架的摆角、并加速框架的复位速度；球销及球销套的作用是实现框架任意方向摆动；第一弹及第二限位弹簧的作用是限制压电振子的变形量、避免因受拉/受压变形过大而损坏，第二限位弹簧还承受质量块的静态力。为确保压电振子在静止状态下不受外力作用、且当质量块振幅过大时不致损坏，质量块的质量的计算公式为                                                ，其中和分别为第一及第二限位弹簧的刚度，、分别为俘能器静止时第一及第二限位弹簧的压缩量，为重力加速度；动态工作时两个限位弹簧的最大可压缩量相等、且计算公式为，其中为单个压电振子可承受的最大变形量。

根据本发明的俘能器结构及工作原理，在无振动的自然状态下，质量块在第一及第二弹簧的作用下处于平衡状态，压电振子不受外力作用、不发生弯曲变形；当挂架受外界任一方向振动激励时，质量块在其自身惯性力的作用下将产生相对球销的球头中心的相对运动，从而使第一弹簧压缩、压电换能器拉伸，或使第二弹簧及压电换能器压缩，压电换能器的交替伸缩过程中将机械能转换成电能。当质量块的惯性力过大且使压电振子的变形量达到可承受最大时，第一或第二弹簧达到压缩极限，质量块的惯性力直接通过第一或第二弹簧传递到框架，从而避免压电振子进一步变形。

本发明的特点及优势在于：采用垂吊式结构并辅以球销万向节，可实现任意方向的振动能量收集； 采用多压电振子串联同步工作，发电量大；采用较重的集中质量块与两个限位弹簧相结合，可有效降低系统频率、提高可靠性。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器自然状态下的结构剖面示意图；

图2是本发明一个较佳实施例中压电振子的结构剖面示意图；

图3是图2的俯视图；

图4本发明一个较佳实施例中压电换能器的安装过程示意图。

具体实施方式：

如图1、图2、图3所示，球销1通过螺母2固定在挂架3上，所述球销1上自上而下依次套有蝶形弹簧19和球销套4，所述蝶形弹簧19压接在球销套4和挂架3之间；顶板5通过螺钉固定在球销套4上，框架6和吊件7通过螺钉固定在顶板5的下面、且所述吊件7置于所述框架6的内部；2-50个压电换能器8通过空心销钉16串联，其上端与吊件7铆接、下端与销轴13铆接；所述压电换能器8由钵型压电振子8-2和铆钉8-1铆接而成，所述钵型压电振子8-2由钵型壳8-2-2与环形压电晶片8-2-1粘接而成；所述销轴13通过框架6的底板6-1上的通孔穿出，其上依次套有第一弹簧10和第二弹簧11、端部通过螺母12固定有质量块14；所述第一弹簧10和第二弹簧11分别通过框架6的底板6-1与压电振子8-2和质量块14压接；所述同一个压电换能器8上的两个环形压电晶片8-2-1通过导线一15连接，相邻两个压电换能器8上的压电晶片8-2-1通过导线二9连接，压电振子8-2经电路上并联后再通过导线组17与安装在框架6上的电路板18连接。

如图4所示，本发明中各压电换能器4的安装过程是这样的：首先将压电振子8-2与吊件7、或销轴13或空心铆钉16铆接，然后再通过铆钉8-1将两个相邻的压电振子8-2铆接。

在本发明中，蝶形弹簧19的作用是限制框架6的摆角、并加速框架6的复位速度；球销1及球销套4的作用是实现框架6任意方向摆动；第一弹簧10和第二弹簧11的作用是限制压电振子的变形量、避免因受拉/受压变形过大而损坏，第二弹簧11还承受质量块14的静态重力。为确保压电振子8-2在静止状态下不受外力作用、且当质量块振幅过大时不致损坏，质量块的质量的计算公式为，其中和分别为第一弹簧10和第二弹簧11的刚度，、分别为俘能器静止时第一弹簧10和第二弹簧11的压缩量，为重力加速度；动态工作时两个弹簧的最大可压缩量相等、且计算公式为，其中为单个压电振子所能承受的最大变形量，n为压电振子数量。

根据本发明的俘能器结构及工作原理，在无振动的自然状态下，质量块14在第一弹簧10和第二弹簧11的作用下处于平衡状态，压电振子8-2不受外力作用、不发生弯曲变形；当挂架3受外界任一方向振动激励时，质量块14在其自身惯性力的作用下将产生相对球销1的球头1-1中心的相对运动，从而使第一弹簧10压缩、压电换能器8拉伸，或使第二弹簧11及压电换能器8压缩，压电换能器8的交替拉伸与压缩过程中将机械能转换成电能。当质量块14的惯性力过大且使压电振子8-2的变形量达到可承受最大时，第一弹簧10或第二弹簧11达到压缩极限，质量块14的惯性力通过第一弹簧10或第二弹簧11直接传递到框架6，从而避免压电振子8-2因变形过大而损毁。