專利名稱：基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動俘能器的制作方法
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，具體涉及一種基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動俘能器，用于低頻、大振幅及任意方向的振動能量回收。
背景技術(shù)：
利用壓電陶瓷材料回收環(huán)境振動能量的微小型俘能器已經(jīng)成為國內(nèi)外持續(xù)多年的研究熱點(diǎn)。壓電式振動俘能器成功開發(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)測系統(tǒng)的供電問題，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)問題。針對環(huán)境振動特點(diǎn)及應(yīng)用目的的不同，目前國內(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。眾所周知，對于壓電振動俘能器，僅當(dāng)壓電振子固有頻率與環(huán)境振動頻率相等時方能達(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，即使在非工作狀態(tài)時壓電振子就已產(chǎn)生較大變形，工作中極易因變形過大而損毀。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、且其振動方向和振幅大小還具時變性，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、速度變化引起的前后振動、運(yùn)行方向漂移引起橫向振動等，且上述各個振源之間存在振動耦合與疊加效果。因此，采用單一、或幾個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能量的有效回收。國內(nèi)學(xué)者曾經(jīng)提出了幾種結(jié)構(gòu)的多方向振動俘能器，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質(zhì)量塊相連，希望由此實(shí)現(xiàn)多方向的振動能量收集。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，無法實(shí)現(xiàn)低頻振動的能量收集；另一方面，彎曲型壓電振子僅能在其長度方向產(chǎn)生伸縮變形并發(fā)電，而寬度方向上無法產(chǎn)生形變；因此，多個彎曲型壓電振子通過一個質(zhì)量塊相互連接后勢必造成彼此間的變形干涉，不利于較多方向的振動能量回收，更不可能實(shí)現(xiàn)任意方向的振動能量回收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動俘能器，以解決現(xiàn)有壓電振動俘能器發(fā)電能力及可靠性低、不適于低頻及任意方向振動能量回收等問題。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是球銷通過螺母固定在掛架上，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；頂板通過螺釘固定在球銷套上，框架和吊件通過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個壓電換能器通過空心銷釘串聯(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框架底板與壓電振子和質(zhì)量塊壓接；所述同一個壓電換能器上的兩個環(huán)形壓電晶片通過導(dǎo)線一連接，相鄰兩個壓電換能器上的壓電晶片通過導(dǎo)線二連接，電路上并聯(lián)后的壓電振子經(jīng)再通過導(dǎo)線組三與安裝在框架上的電路板連接。本發(fā)明中，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；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)量塊振幅過大時不致?lián)p壞，質(zhì)量塊的質(zhì)量的計(jì)
算公式為《 = (AJh - S ,其中《和A2分別為第一及第二限位彈簧的剛度，、S2J
分別為俘能器靜止時第一及第二限位彈簧的壓縮量，I為重力加速度；動態(tài)工作時兩個限
位彈簧的最大可壓縮量相等、且計(jì)算公式為·= 4，其中;為單個壓電振子可承受的最
大變形量。根據(jù)本發(fā)明的俘能器結(jié)構(gòu)及工作原理，在無振動的自然狀態(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激勵時，質(zhì)量塊在其自身慣性力的作用下將產(chǎn)生相對球銷的球頭中心的相對運(yùn)動，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程中將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)質(zhì)量塊的慣性力過大且使壓電振子的變形量達(dá)到可承受最大時，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。本發(fā)明的特點(diǎn)及優(yōu)勢在于①采用垂吊式結(jié)構(gòu)并輔以球銷萬向節(jié)，可實(shí)現(xiàn)任意方向的振動能量收集；②采用多壓電振子串聯(lián)同步工作，發(fā)電量大采用較重的集中質(zhì)量塊與兩個限位彈簧相結(jié)合，可有效降低系統(tǒng)頻率、提高可靠性。


圖I是本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中俘能器自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)剖面示意 圖2是本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中壓電振子的結(jié)構(gòu)剖面示意 圖3是圖2的俯視 圖4本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中壓電換能器的安裝過程示意圖。
具體實(shí)施例方式 如圖I、圖2、圖3所示，球銷I通過螺母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通過螺釘固定在球銷套4上，框架6和吊件7通過螺釘固定在頂板5的下面、且所述吊件7置于所述框架6的內(nèi)部；2-50個壓電換能器8通過空心銷釘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；所述同一個壓電換能器8上的兩個環(huán)形壓電晶片8-2-1通過導(dǎo)線一 15連接，相鄰兩個壓電換能器8上的壓電晶片8-2-1通過導(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，本發(fā)明中各壓電換能器4的安裝過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，然后再通過鉚釘8-1將兩個相鄰的壓電振子8-2鉚接。在本發(fā)明中，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；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)量塊振幅過大時不
致?lián)p壞，質(zhì)量塊的質(zhì)量的計(jì)算公式為^ =,其中與和分別為第一彈簧10
和第二彈簧11的剛度，分別為俘能器靜止時第一彈簧10和第二彈簧11的壓縮量，g為重力加速度；動態(tài)工作時兩個彈簧的最大可壓縮量相等、且計(jì)算公式為4 = ，其中^為單個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)本發(fā)明的俘能器結(jié)構(gòu)及工作原理，在無振動的自然狀態(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激勵時，質(zhì)量塊14在其自身慣性力的作用下將產(chǎn)生相對球銷I的球頭1-1中心的相對運(yùn)動，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的慣性力過大且使壓電振子8-2的變形量達(dá)到可承受最大時，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)的垂吊式振動俘能器，其特征在于球銷通過螺母固定在掛架上，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；頂板通過螺釘固定在球銷套上，框架和吊件通過螺釘固定在頂板的下面、且所述吊件置于框架內(nèi)部；2-50個壓電換能器通過空心銷釘串聯(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框架底板與壓電振子和質(zhì)量塊壓接；同一個壓電換能器上的兩個環(huán)形壓電晶片通過導(dǎo)線一連接，相鄰兩個壓電換能器上的壓電晶片通過導(dǎo)線二連接，電路上并聯(lián)后的壓電振子經(jīng)再通過導(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)的垂吊式振動俘能器，其特征在于質(zhì)量塊的質(zhì)量計(jì)算方法為- = iAJh-SJhVE，其中&和4分別為第一彈簧及第二彈簧剛度，分別為俘能器靜止時第一彈簧和第二彈簧的壓縮量，g為重力加速度；其特征還在于，動態(tài)工作時第一、第二彈簧的最大可壓縮量相等，即，其中為單個壓電振子所能承受的最大變形量，η為壓電振子數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于多壓電振子串聯(lián)的垂吊式振動俘能器，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，框架和吊件通過固定在頂板的下面、且吊件置于所述框架的內(nèi)部；2-50個壓電換能器通過空心銷釘串聯(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)是可收集任意振動方向的能量，發(fā)電量及可靠性高。
文檔編號H02N2/18GK102710169SQ20121018209
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者凌榮華, 曾平, 王淑云, 程光明, 闞君武, 陳宇航 申請人:浙江師范大學(xué)