專利名稱：基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動(dòng)俘能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動(dòng)俘能器，用于低頻、大振幅及任意方向的振動(dòng)能量回收。
背景技術(shù)：
利用壓電陶瓷材料回收環(huán)境振動(dòng)能量的微小型俘能器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外持續(xù)多年的研究熱點(diǎn)。壓電式振動(dòng)俘能器成功開(kāi)發(fā)與利用，不僅可以解決便攜式微功率電子產(chǎn)品以及遠(yuǎn)程埋植傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電問(wèn)題，還有助于減少大量廢棄電池污染環(huán)境和生產(chǎn)電池所造成的資源浪費(fèi)問(wèn)題。針對(duì)環(huán)境振動(dòng)特點(diǎn)及應(yīng)用目的的不同，目前國(guó)內(nèi)外均已提出了較多類型的壓電俘能器。但由于壓電陶瓷為脆性材料，且其所構(gòu)成的彎曲型壓電振子具有變形方向單一和諧振頻率較高的特點(diǎn)，因此現(xiàn)有壓電俘能器在振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)能力、可靠性及能量轉(zhuǎn)換效率等方面還有較大的局限性，難以在實(shí)際中推廣應(yīng)用?！0003]眾所周知，對(duì)于壓電振動(dòng)俘能器，僅當(dāng)壓電振子固有頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率相等時(shí)方能達(dá)到較高的發(fā)電能力和能量轉(zhuǎn)換效率。但因壓電振子自身的諧振頻率較高，通常為幾百、甚至幾千赫茲，而環(huán)境振動(dòng)頻率一般為十幾赫茲、甚至僅有幾赫茲，因此直接利用壓電振子收集環(huán)境振動(dòng)能量的效果并不顯著。為降低壓電振子的固有頻率，目前采用的方法是在懸臂梁壓電振子端部或圓形壓電振子中心處安裝集中慣性塊，其弊端是當(dāng)所安裝的慣性塊較大時(shí)，即使在非工作狀態(tài)時(shí)壓電振子就已產(chǎn)生較大變形，工作中極易因變形過(guò)大而損毀。另一方面，現(xiàn)實(shí)中非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的振源具有多方向性、且其振動(dòng)方向和振幅大小還具時(shí)變性，以行進(jìn)中的各類交通工具為例，其振源包括道路不平引起的縱向振動(dòng)、速度變化引起的前后振動(dòng)、運(yùn)行方向漂移引起橫向振動(dòng)等，且上述各個(gè)振源之間存在振動(dòng)耦合與疊加效果。因此，采用單一、或幾個(gè)可不同方向變形壓電振子構(gòu)成的俘能器都不能滿足多方向振動(dòng)能量的有效回收。國(guó)內(nèi)學(xué)者曾經(jīng)提出了幾種結(jié)構(gòu)的多方向振動(dòng)俘能器，其實(shí)現(xiàn)方案是在中空的多面體的各頂角處連接有彎曲型PVDF壓電振子，各壓電振子的另一端均與一個(gè)質(zhì)量塊相連，希望由此實(shí)現(xiàn)多方向的振動(dòng)能量收集。但實(shí)際中，由于各壓電振子與多面體框架及質(zhì)量塊間所構(gòu)成的是一個(gè)空間桁架結(jié)構(gòu)，從而使壓電振子及桁架的總體剛度都大幅度增力口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)的能量收集；另一方面，彎曲型壓電振子僅能在其長(zhǎng)度方向產(chǎn)生伸縮變形并發(fā)電，而寬度方向上無(wú)法產(chǎn)生形變；因此，多個(gè)彎曲型壓電振子通過(guò)一個(gè)質(zhì)量塊相互連接后勢(shì)必造成彼此間的變形干涉，不利于較多方向的振動(dòng)能量回收，更不可能實(shí)現(xiàn)任意方向的振動(dòng)能量回收。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動(dòng)俘能器，以解決現(xiàn)有壓電振動(dòng)俘能器發(fā)電能力及可靠性低、不適于低頻及任意方向振動(dòng)能量回收等問(wèn)題。本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是球銷通過(guò)螺母固定在掛架上，所述球銷上自上而下依次套有蝶形彈簧和球銷套，所述蝶形彈簧壓接在球銷套和掛架之間；頂板通過(guò)螺釘固定在球銷套上，框架和吊件通過(guò)螺釘固定在頂板的下面、且所述吊件置于所述框架的內(nèi)部；2-50個(gè)壓電換能器通過(guò)空心銷釘串聯(lián)，其上端與吊件鉚接、下端與銷軸鉚接；所述壓電換能器由缽型壓電振子和鉚釘鉚接而成，所述缽型壓電振子由缽型殼與環(huán)形壓電晶片粘接而成；所述銷軸通過(guò)框架底板上的通孔穿出，其上依次套有第一及第二限位彈簧、端部安裝有質(zhì)量塊；所述第一及第二彈簧分別通過(guò)框架底板與壓電振子和質(zhì)量塊壓接；所述同一個(gè)壓電換能器上的兩個(gè)環(huán)形壓電晶片通過(guò)導(dǎo)線一連接，相鄰兩個(gè)壓電換能器上的壓電晶片通過(guò)導(dǎo)線二連接，電路上并聯(lián)后的壓電振子經(jīng)再通過(guò)導(dǎo)線組三與安裝在框架上的電路板連接。本實(shí)用新型中，蝶形彈簧的作用是限制框架的擺角、并加速框架的復(fù)位速度；球銷及球銷套的作用是實(shí)現(xiàn)框架任意方向擺動(dòng)；第一彈及第二限位彈簧的作用是限制壓電振子的變形量、避免因受拉/受壓變形過(guò)大而損壞，第二限位彈簧還承受質(zhì)量塊的靜態(tài)力。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
m =(各/a - W g ,其中A和A2分別為第一及第二限位彈簧的剛度，sIj、&2j分別為俘 能器靜止時(shí)第一及第二限位彈簧的壓縮量，S為重力加速度；動(dòng)態(tài)工作時(shí)兩個(gè)限位彈簧的
最大可壓縮量相等、且計(jì)算公式為^ ，其中I為單個(gè)壓電振子可承受的最大變形量。根據(jù)本實(shí)用新型的俘能器結(jié)構(gòu)及工作原理，在無(wú)振動(dòng)的自然狀態(tài)下，質(zhì)量塊在第一及第二彈簧的作用下處于平衡狀態(tài)，壓電振子不受外力作用、不發(fā)生彎曲變形；當(dāng)掛架受外界任一方向振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，質(zhì)量塊在其自身慣性力的作用下將產(chǎn)生相對(duì)球銷的球頭中心的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使第一彈簧壓縮、壓電換能器拉伸，或使第二彈簧及壓電換能器壓縮，壓電換能器的交替伸縮過(guò)程中將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)質(zhì)量塊的慣性力過(guò)大且使壓電振子的變形量達(dá)到可承受最大時(shí)，第一或第二彈簧達(dá)到壓縮極限，質(zhì)量塊的慣性力直接通過(guò)第一或第二彈簧傳遞到框架，從而避免壓電振子進(jìn)一步變形。本實(shí)用新型的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)在于『I采用垂吊式結(jié)構(gòu)并輔以球銷萬(wàn)向節(jié)，可實(shí)現(xiàn)任意方向的振動(dòng)能量收集；②采用多壓電振子串聯(lián)同步工作，發(fā)電量大P采用較重的集中質(zhì)量塊與兩個(gè)限位彈簧相結(jié)合，可有效降低系統(tǒng)頻率、提高可靠性。

圖I是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中俘能器自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖2是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中壓電振子的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中壓電換能器的安裝過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖I、圖2、圖3所示，球銷I通過(guò)螺母2固定在掛架3上，所述球銷I上自上而下依次套有蝶形彈簧19和球銷套4，所述蝶形彈簧19壓接在球銷套4和掛架3之間；頂板5通過(guò)螺釘固定在球銷套4上，框架6和吊件7通過(guò)螺釘固定在頂板5的下面、且所述吊件
7置于所述框架6的內(nèi)部；2-50個(gè)壓電換能器8通過(guò)空心銷釘16串聯(lián)，其上端與吊件7鉚接、下端與銷軸13鉚接；所述壓電換能器8由缽型壓電振子8-2和鉚釘8-1鉚接而成，所述缽型壓電振子8-2由缽型殼8-2-2與環(huán)形壓電晶片8-2-1粘接而成；所述銷軸13通過(guò)框架6的底板6-1上的通孔穿出，其上依次套有第一彈簧10和第二彈簧11、端部通過(guò)螺母12固定有質(zhì)量塊14 ;所述第一彈簧10和第二彈簧11分別通過(guò)框架6的底板6-1與壓電振子8-2和質(zhì)量塊14壓接；所述同一個(gè)壓電換能器8上的兩個(gè)環(huán)形壓電晶片8-2-1通過(guò)導(dǎo)線一15連接，相鄰兩個(gè)壓電換能器8上的壓電晶片8-2-1通過(guò)導(dǎo)線二 9連接，壓電振子8-2經(jīng)電路上并聯(lián)后再通過(guò)導(dǎo)線組17與安裝在框架6上的電路板18連接。如圖4所示，本實(shí)用新型中各壓電換能器4的安裝過(guò)程是這樣的首先將壓電振子8-2與吊件7、或銷軸13或空心鉚釘16鉚接，然后再通過(guò)鉚釘8-1將兩個(gè)相鄰的壓電振子8-2鉚接。在本實(shí)用新型中，蝶形彈簧19的作用是限制框架6的擺角、并加速框架6的復(fù)位速度；球銷I及球銷套4的作用是實(shí)現(xiàn)框架6任意方向擺動(dòng)；第一彈簧10和第二彈簧11的作用是限制壓電振子的變形量、避免因受拉/受壓變形過(guò)大而損壞，第二彈簧11還承受質(zhì)量塊14的靜態(tài)重力。為確保壓電振子8-2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m- AAV g ,其中A1和4分別為
第一彈簧10和第二彈簧11的剛度，Slj、務(wù),,分別為俘能器靜止時(shí)第一彈簧10和第二彈簧
11的壓縮量，筆為重力加速度；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
，其中4為單個(gè)壓電振子所能承受的最大變形量，η為壓電振子數(shù)量。根據(jù)本實(shí)用新型的俘能器結(jié)構(gòu)及工作原理，在無(wú)振動(dòng)的自然狀態(tài)下，質(zhì)量塊14在第一彈簧10和第二彈簧11的作用下處于平衡狀態(tài)，壓電振子8-2不受外力作用、不發(fā)生彎曲變形；當(dāng)掛架3受外界任一方向振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，質(zhì)量塊14在其自身慣性力的作用下將產(chǎn)生相對(duì)球銷I的球頭1-1中心的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使第一彈簧10壓縮、壓電換能器8拉伸，或使第二彈簧11及壓電換能器8壓縮，壓電換能器8的交替拉伸與壓縮過(guò)程中將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)質(zhì)量塊14的慣性力過(guò)大且使壓電振子8-2的變形量達(dá)到可承受最大時(shí)，第一彈簧10或第二彈簧11達(dá)到壓縮極限，質(zhì)量塊14的慣性力通過(guò)第一彈簧10或第二彈簧11直接傳遞到框架6，從而避免壓電振子8-2因變形過(guò)大而損毀。
權(quán)利要求1.一種基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動(dòng)俘能器，其特征在于球銷通過(guò)螺母固定在掛架上，球銷上自上而下依次套有蝶形彈簧和球銷套，蝶形彈簧壓接在球銷套和掛架之間；頂板通過(guò)螺釘固定在球銷套上，框架和吊件通過(guò)螺釘固定在頂板的下面、且所述吊件置于框架內(nèi)部；2-50個(gè)壓電換能器通過(guò)空心銷釘串聯(lián)，其上端與吊件鉚接、下端與銷軸鉚接；壓電換能器由缽型壓電振子和鉚釘鉚接而成，缽型壓電振子由缽型殼與環(huán)形壓電晶片粘接而成；銷軸通過(guò)框架底板上的通孔穿出，其上依次套有第一及第二限位彈簧、端部安裝有質(zhì)量塊；第一及第二彈簧分別通過(guò)框架底板與壓電振子和質(zhì)量塊壓接；同一個(gè)壓電換能器上的兩個(gè)環(huán)形壓電晶片通過(guò)導(dǎo)線一連接，相鄰兩個(gè)壓電換能器上的壓電晶片通過(guò)導(dǎo)線二連接，電路上并聯(lián)后的壓電振子經(jīng)再通過(guò)導(dǎo)線組三與安裝在框架上的電路板連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動(dòng)俘能器，其特征在于質(zhì)量塊的質(zhì)量計(jì)算方法為 ，其中^和4分別為第一彈簧及第二彈簧剛度，
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動(dòng)俘能器，屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。球銷固定在掛架上，球銷上套有蝶形彈簧和球銷套，蝶形彈簧壓接在球銷套和掛架之間；頂板固定在球銷套上，框架和吊件通過(guò)固定在頂板的下面、且吊件置于所述框架的內(nèi)部；2-50個(gè)壓電換能器通過(guò)空心銷釘串聯(lián)，其上端與吊件鉚接、下端與銷軸鉚接；壓電換能器由缽型壓電振子和鉚釘鉚接而成，缽型壓電振子由缽型殼與環(huán)形壓電晶片粘接而成；銷軸通過(guò)框架底板上的通孔穿出，其上依次套有第一及第二限位彈簧、端部安裝有質(zhì)量塊；第一及第二彈簧分別通過(guò)框架底板與壓電振子和質(zhì)量塊壓接。優(yōu)點(diǎn)是可收集任意振動(dòng)方向的能量，發(fā)電量及可靠性高。
文檔編號(hào)H02N2/18GK202617038SQ20122026134
公開(kāi)日2012年12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)明者闞君武, 凌榮華, 王淑云, 曾平, 程光明, 陳宇航 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)