專利名稱：一種多振子串聯(lián)式壓電俘能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能 源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種多振子串聯(lián)式壓電俘能器，用于低頻、高強(qiáng)度振動(dòng)能量回收。
背景技術(shù)：
用于環(huán)境振動(dòng)能量回收的微小型壓電俘能器的研究已成為國(guó)內(nèi)外的新熱點(diǎn)，其目的是為便攜式微功率電子產(chǎn)品、遠(yuǎn)程傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等提供實(shí)時(shí)的能量供應(yīng)，減少電池電量不足或電能耗盡所帶來(lái)的使用不便、以及廢棄電池造成的環(huán)境污染。已有研究成果表明，僅當(dāng)壓電俘能器的基頻與環(huán)境振動(dòng)頻率相適應(yīng)是才具有較高的發(fā)電能力和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率。但現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的振源頻率通常較低，如各類交通工具運(yùn)行及人體運(yùn)動(dòng)等誘發(fā)振動(dòng)通常僅十幾或幾十赫茲，且振幅較大；而壓電振子自身的基頻通常較高，通常為數(shù)百甚至上千赫茲，無(wú)法直接用于低頻振動(dòng)能量回收，即使自身基頻較低的懸臂梁壓電振子也需采用端部安裝集中質(zhì)量塊方能實(shí)現(xiàn)降低頻率。懸臂梁壓電振子端部加裝質(zhì)量塊的方式目前應(yīng)用最為普遍，其弊端是當(dāng)集中質(zhì)量較大時(shí)，壓電振子在非工作狀態(tài)時(shí)既已產(chǎn)生較大變形，極易因環(huán)境過(guò)大振幅、振動(dòng)強(qiáng)度過(guò)高而損毀。為提高壓電振子的承載能力和可靠性、實(shí)現(xiàn)大振幅及高強(qiáng)度振動(dòng)能量回收，圓形及疊堆型壓電振子也常被用于構(gòu)造振動(dòng)俘能器，但此類壓電振子的諧振頻率更高，單個(gè)圓形壓電振子的諧振頻率為幾千赫茲，而壓電疊堆的基頻高達(dá)十幾千赫茲。此外，目前的壓電俘能器基本由單個(gè)壓電振子構(gòu)成，因其發(fā)電能力有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的實(shí)時(shí)供電，只能采用儲(chǔ)能-間歇供電方式工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供ー種多振子串聯(lián)式壓電俘能器，以解決現(xiàn)有壓電振動(dòng)俘能器諧振頻率高、可靠性低、發(fā)電能力及頻帶寬度有限的問(wèn)題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是殼體通過(guò)螺釘安裝在底座上，卡座通過(guò)螺釘安裝在底座上、且置于所述殼體內(nèi)，1-50個(gè)壓電換能器串聯(lián)置于所述殼體內(nèi)；所述壓電換能器由兩個(gè)壓電振子通過(guò)鉚釘鉚接在環(huán)形骨架上構(gòu)成；所述壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成；所述第一個(gè)串聯(lián)的壓電換能器與所述卡座卡接，所述的兩個(gè)相鄰的壓電換能器通過(guò)卡銷卡接；所述的最后一個(gè)串聯(lián)的壓電換能器與銷軸的卡爪卡接，所述銷軸通過(guò)殼體上端的通孔伸出殼體外，所述銷軸的螺紋上通過(guò)螺母安裝有質(zhì)量塊；所述銷軸自下而上依次套有第一彈簧和第二彈簧，且所述第一彈簧通過(guò)銷軸的軸肩壓接在換能器殼體上、所述第二彈簧通過(guò)質(zhì)量塊壓接在換能器殼體上；電路板通過(guò)螺釘安裝在換能器殼體的側(cè)壁，同一個(gè)壓電換能器上的兩個(gè)壓電振子通過(guò)導(dǎo)線組ー相連，不同壓電換能器的兩個(gè)壓電振子通過(guò)導(dǎo)線組二相連，再通過(guò)導(dǎo)線組三與電路板連接。本發(fā)明中，第一彈簧和第二彈簧分別起拉伸限位和壓縮限位作用，避免壓電振子因受變形過(guò)大損壞，且所述第二彈簧還承受質(zhì)量塊的重力。所述第一彈簧、第二彈簧及壓電換能器在機(jī)械上為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其等效剛度為 ,，俘能器的諧振頻率為=JkI+;土せ，其中か和t分別為第一彈簧
和第二彈簧的剛度，ち=ち/.H為多個(gè)壓電振子串聯(lián)后的等效剛度，-為單個(gè)壓電振子的
剛度，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，η為壓電振子的數(shù)量。根據(jù)俘能器諧振頻率的計(jì)算公式，增加質(zhì)量塊的質(zhì)量及壓電振子數(shù)量均可有效降低俘能器的諧振頻率。為確保壓電振子在靜止?fàn)顟B(tài)下不受外力作用、且當(dāng)質(zhì)量塊振幅過(guò)大時(shí)不致?lián)p壞，
質(zhì)量塊的質(zhì)量的計(jì)算公式為挪~其中Λ > 分別為俘能器靜止時(shí)第一彈簧
和第二彈簧的壓縮量，S為重力加速度；動(dòng)態(tài)工作時(shí)兩個(gè)彈簧的最大可壓縮量相等、且計(jì)算公式為4= ら，其中ら為單個(gè)壓電振子所能承受的最大變形量。在自然狀態(tài)下，壓電振子不受外力作用，此時(shí)質(zhì)量的重力由第二彈簧承受。當(dāng)殼體受環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，質(zhì)量塊帶動(dòng)銷軸以及壓電換能器上下振動(dòng)，從而使壓電振子產(chǎn)生彎曲
變形，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)質(zhì)量塊的實(shí)際振幅大于4 =A時(shí)，第一彈簧或第二彈簧
達(dá)到最大的壓縮量，即不再被壓縮，質(zhì)量塊的慣性カ通過(guò)第一彈簧或第二彈簧傳遞給殼體，從而避免壓電振子因變形過(guò)大而損壞。本發(fā)明的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)在于①采用多個(gè)壓電振子串聯(lián)及較大質(zhì)量塊，系統(tǒng)諧振頻率較低、發(fā)電能力強(qiáng)采用兩個(gè)彈簧限位，可避免壓電振子因變形過(guò)大損壞，可靠性高。


圖I是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中壓電俘能器靜態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)示 圖2是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中壓電換能器的剖示 圖3是圖2的俯視 圖4是本發(fā)明較佳實(shí)施例中卡銷的結(jié)構(gòu)示意 圖5是圖4的A-A剖視 圖6是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中不同集中質(zhì)量時(shí)俘能器的電壓-頻率特性曲線；
圖7是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中不同壓電振子數(shù)量時(shí)俘能器的電能-頻率特性曲線。
具體實(shí)施例方式 殼體I通過(guò)螺釘安裝在底座2上，卡座3的底板3-1通過(guò)螺釘安裝在底座2上、且置于所述殼體I內(nèi)；1_50個(gè)壓電換能器4串聯(lián)置于所述殼體I內(nèi)，所述壓電換能器4由兩個(gè)環(huán)形壓電振子4-2通過(guò)鉚釘4-3鉚接在環(huán)形骨架4-1上構(gòu)成；所述壓電振子4-2由環(huán)形金屬基板4-2-1和環(huán)形壓電晶片4-2-2粘接而成；所述第一個(gè)串聯(lián)的壓電換能器4通過(guò)其上的一個(gè)通孔H與所述卡座3的卡爪3-2卡接，所述的兩個(gè)相鄰的壓電換能器4通過(guò)卡銷5卡接；所述的最后一個(gè)串聯(lián)的壓電換能器4的一個(gè)通孔H與銷軸6的卡爪6-1卡接，所述銷軸6通過(guò)殼體I上端的通孔1-1伸出殼體Iタト，所述銷軸6的螺紋6-3上通過(guò)螺母9安裝有質(zhì)量塊10 ;所述銷軸6自下而上依次套有第一彈簧7和第二彈簧8，且所述第一彈簧7通過(guò)銷軸6的軸肩6-2壓接在換能器殼體I上、所述第二彈簧8通過(guò)質(zhì)量塊10壓接在換能器殼體I上；電路板11通過(guò)螺釘安裝在換能器殼體I的側(cè)壁，同一個(gè)壓電換能器4上的兩個(gè)壓電振子4-2通過(guò)導(dǎo)線組ー 12相連，不同壓電換能器4的兩個(gè)壓電振子4-2通過(guò)導(dǎo)線組ニ13相連，壓電振子4-2再通過(guò)導(dǎo)線組三14與電路板11連接。本發(fā)明中，第一彈簧7和第二彈簧8分別起拉伸限位和壓縮限位作用，避免壓電振子4-2因受變形過(guò)大損壞，所述第二彈簧還承受質(zhì)量塊10的重力。所述第一彈簧7、第二彈
簧8及壓電換能器4在機(jī)械上為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其等效剛度為r = + ^+A3 ,俘能器的諧振頻軸^x=參^^ ,其中ち和，分別為第一彈簧7和第二彈簧8的剛度，，..k η
為多個(gè)壓電振子4-2串聯(lián)后的等效剛度，為單個(gè)壓電振子4-2的剛度，m為質(zhì)量塊10的
質(zhì)量，η為壓電振子4-2的數(shù)量。根據(jù)俘能器諧振頻率的計(jì)算公式，增加質(zhì)量塊的質(zhì)量及壓電振子數(shù)量均可有效降低俘能器的諧振頻率。
為確保壓電振子4-2在靜止?fàn)顟B(tài)下不受外力作用、且當(dāng)質(zhì)量塊10振幅過(guò)大時(shí)不致?lián)p壞，質(zhì)量塊10的質(zhì)量的計(jì)算公式為M = ____________________=_______^，其中Λ 、只分別為俘能器靜止時(shí)
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第一彈簧7和第二彈簧8的壓縮量，S為重力加速度；動(dòng)態(tài)工作時(shí)兩個(gè)彈簧的最大可壓縮量相等、且計(jì)算公式為4= ら，其中ら為單個(gè)壓電振子4-2所能承受的最大變形量。在自然狀態(tài)下，壓電振子4-2不受外力作用，此時(shí)質(zhì)量塊10的重力由第二彈簧承受。當(dāng)殼體受環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)吋，質(zhì)量塊10帶動(dòng)銷軸6以及壓電換能器4上下振動(dòng)，從而使壓
電振子4-2產(chǎn)生彎曲變形，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)質(zhì)量塊10的實(shí)際振幅大于ち=
時(shí)，第一彈簧7或第二彈簧8達(dá)到最大的壓縮量，即不再被壓縮，質(zhì)量塊10的慣性カ通過(guò)第ー彈簧7或第二彈簧8傳遞給殼體I，從而避免壓電振子4-2因變形過(guò)大而損壞。
權(quán)利要求
1.一種多振子串聯(lián)式壓電俘能器，其特征在于殼體通過(guò)螺釘安裝在底座上，卡座通過(guò)螺釘安裝在底座上，1-50個(gè)壓電換能器串聯(lián)置于所述殼體內(nèi)；壓電換能器由兩個(gè)壓電振子通過(guò)鉚釘鉚接在骨架上構(gòu)成；壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成；第一個(gè)串聯(lián)的壓電換能器與卡座卡接，兩個(gè)相鄰的壓電換能器通過(guò)卡銷卡接；所述的最后一個(gè)串聯(lián)的壓電換能器與銷軸一端的卡爪卡接，銷軸通過(guò)殼體上的通孔伸出殼體外，銷軸的另一端安裝有質(zhì)量塊；所述銷軸自下而上依次套有第一彈簧和第二彈簧，且所述第一彈簧通過(guò)銷軸軸肩壓在換能器殼體上、所述第二彈簧通過(guò)質(zhì)量塊壓在換能器殼體上；電路板通過(guò)螺釘安裝在換能器殼體側(cè)壁，同一壓電換能器上的兩個(gè)壓電振子通過(guò)導(dǎo)線組一相連，不同壓電換能器的兩個(gè)壓電振子通過(guò)導(dǎo)線組二相連，再通過(guò)導(dǎo)線組三與電路板連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多振子串聯(lián)式壓電俘能器，其特征在于俘能器的諧振頻率按下式計(jì)算
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種多振子串聯(lián)式壓電俘能器，其特征在于當(dāng)彈簧剛度確定后，質(zhì)量塊的質(zhì)量計(jì)算方法為
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種多振子串聯(lián)式壓電俘能器，其特征在于動(dòng)態(tài)工作時(shí)第一、第二彈簧的最大可壓縮量相等，即為& ，其中為單個(gè)壓電振子所能承受的最大變形量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多振子串聯(lián)式壓電俘能器，屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。殼體通過(guò)螺釘安裝在底座上，1-50個(gè)壓電換能器串聯(lián)置于所述殼體內(nèi)；壓電換能器由兩個(gè)壓電振子通過(guò)鉚釘鉚接在骨架上構(gòu)成；壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成；壓電換能器與卡座卡接，兩個(gè)相鄰的壓電換能器通過(guò)卡銷卡接，壓電換能器再與銷軸一端的卡爪卡接，銷軸另一端伸出殼體外且裝有質(zhì)量塊；所述銷軸自下而上依次套有第一彈簧和第二彈簧，且所述第一彈簧通過(guò)銷軸軸肩壓在換能器殼體上、所述第二彈簧通過(guò)質(zhì)量塊壓在換能器殼體上；電路板通過(guò)螺釘安裝在換能器殼體側(cè)壁。優(yōu)點(diǎn)是采用多個(gè)壓電振子串聯(lián)、并由兩個(gè)彈簧限位，可實(shí)現(xiàn)低頻、高強(qiáng)度、大功率振動(dòng)能量回收。
文檔編號(hào)H02N2/18GK102684552SQ201210183169
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者曾平, 王淑云, 王鴻云, 程光明, 闞君武, 黃芳勝 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)