本發(fā)明屬于發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種擺動(dòng)俘能器，為微功率電子產(chǎn)品提供實(shí)時(shí)的能量供應(yīng)。

背景技術(shù)：

為滿足微功率電子產(chǎn)品及微小型遠(yuǎn)程傳感及埋植監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自供電需求、避免大量廢棄電池污染環(huán)境，基于電磁、靜電、熱電、電容、及壓電等原理的微小型發(fā)電機(jī)的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的前沿?zé)狳c(diǎn)。各類發(fā)電裝置都有其自身的優(yōu)勢(shì)和適用領(lǐng)域，壓電發(fā)電裝置的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化與集成化等，故適用范圍更廣，現(xiàn)已逐步用于傳感器、健康監(jiān)測(cè)及無線發(fā)射系統(tǒng)等領(lǐng)域。在利用壓電材料構(gòu)造發(fā)電機(jī)方面，國(guó)內(nèi)外均有較多專利申請(qǐng)，但能量來源主要集中在振動(dòng)能、流體能及旋轉(zhuǎn)體動(dòng)能等環(huán)境能量方面，其結(jié)構(gòu)及原理均不適于人體運(yùn)動(dòng)發(fā)電；此外，現(xiàn)有壓電發(fā)電機(jī)都是利用圓形或懸臂梁型壓電振子的彎曲變形模式進(jìn)行發(fā)電的，其最大的弊端是應(yīng)力分布差異較大所導(dǎo)致的發(fā)電能力低下和壓電材料受拉應(yīng)力過大破碎所造成的可靠性下降兩方面，同時(shí)也不適于跑步、跳躍等人體運(yùn)動(dòng)幅度較大的場(chǎng)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種擺動(dòng)俘能器，本發(fā)明采用的實(shí)施方案是：安裝有電路板的端蓋經(jīng)螺釘安裝在殼體的端部，殼體下壁內(nèi)側(cè)經(jīng)螺釘安裝有線圈，殼體后壁外側(cè)的上下兩端各設(shè)兩個(gè)安裝環(huán)；殼體上壁的凸臺(tái)上經(jīng)螺釘和壓板安裝有兩個(gè)換能器，換能器為由基板和壓電膜粘接而成的壓電換能器，兩個(gè)換能器之間壓接有隔板，基板靠近隔板安裝；銷軸的兩端分別固定在殼體前壁和殼體后壁上，激勵(lì)器的軸孔套在銷軸上，激勵(lì)器的凸輪上經(jīng)擺臂連接有懸錘；凸輪的輪廓曲面由兩個(gè)相互平行且到軸孔中心距離相等的凸輪平面及兩個(gè)與軸孔同心的凸輪圓弧面構(gòu)成；懸錘對(duì)稱地布置在激勵(lì)器的前后兩端，懸錘上鑲嵌有磁鐵。

非工作時(shí)，換能器與凸輪平面平行、換能器自由端與凸輪平面接觸但無相互作用力；激勵(lì)器繞銷軸逆時(shí)針或順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)換能器的變形量都逐漸增加，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)且使凸輪圓弧面與換能器相切時(shí)換能器變形量最大，此時(shí)壓電膜上的最大壓應(yīng)力小于其許用值、換能器端部的彎曲變形量小于其許用值

其中：b＝1-α+αβ，a＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/h，β＝em/ep，hm為基板厚度，h為換能器總厚度，em和ep分別為基板和壓電膜材料的楊氏模量，k31和分別為壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為換能器的長(zhǎng)度。

本發(fā)明提出的俘能器用于收集人行走及擺臂運(yùn)動(dòng)能，使用前需通過柔性帶及安裝環(huán)將俘能器固定在小腿或手臂上。靜止?fàn)顟B(tài)下，激勵(lì)器的擺臂在懸錘及磁鐵重力的作用下呈垂直狀態(tài)，換能器自由端與凸輪平面接觸但無相互作用力，換能器不發(fā)生彎曲變形。當(dāng)人走路或擺臂時(shí)，懸錘及磁鐵在其慣性力作用下繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，換能器變形量隨轉(zhuǎn)角增加而增加，當(dāng)換能器自由端與凸輪圓弧面相切時(shí)變形量達(dá)到最大；此后，隨小腿或手臂擺動(dòng)方向變化，激勵(lì)器繞銷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生變化，換能器變形量及壓電膜上的壓應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角的減小而逐漸降低，當(dāng)換能器自由端與凸輪平面相互平行時(shí)，換能器自由端的變形量及壓電膜上的應(yīng)力都為零。上述壓電膜上壓應(yīng)力交替增加與減小的過程中即將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，此為壓電發(fā)電過程；壓電發(fā)電的同時(shí)，磁鐵與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，此為電磁發(fā)電。上述壓電及電磁發(fā)電所得電能經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)诫娐钒迳系哪芰哭D(zhuǎn)換電路，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理及存儲(chǔ)后為微功率電子產(chǎn)品供電。

優(yōu)勢(shì)與特色：①利用壓電和電磁俘能單元同步收集走路及擺臂等人體運(yùn)動(dòng)能，發(fā)電供電能力強(qiáng)；②壓電換能器變形量由激勵(lì)器控制且壓電膜僅承受壓應(yīng)力，可靠性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中俘能器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的a-a剖視圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3的左視圖。

具體實(shí)施方式

安裝有電路板b的端蓋a經(jīng)螺釘安裝在殼體c的端部，殼體下壁c2的內(nèi)側(cè)經(jīng)螺釘安裝有線圈j，殼體后壁c4外側(cè)的上下兩端各設(shè)兩個(gè)安裝環(huán)c6；殼體上壁c1的凸臺(tái)上經(jīng)螺釘和壓板d安裝有兩個(gè)換能器e，換能器e為由基板e(cuò)1和壓電膜e2粘接而成的壓電換能器，兩個(gè)換能器e之間壓接有隔板f，基板e(cuò)1靠近隔板f安裝；銷軸g的兩端分別固定在殼體前壁c3和殼體后壁c4上，激勵(lì)器h的軸孔h1套在銷軸g上，激勵(lì)器h的凸輪h2上經(jīng)擺臂h3連接有懸錘h4；凸輪h2的輪廓曲面由兩個(gè)相互平行且到軸孔h1中心距離相等的凸輪平面h5和h5’及兩個(gè)與軸孔h1同心的凸輪圓弧面h6和h6’構(gòu)成；懸錘h4對(duì)稱地布置在激勵(lì)器h的前后兩端，懸錘h4上鑲嵌有磁鐵i。

非工作時(shí)，換能器e與凸輪平面h5和h5’平行、換能器e的自由端與凸輪平面h5或h5’接觸但無相互作用力；激勵(lì)器h繞銷軸g逆時(shí)針或順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)換能器e的變形量都逐漸增加，凸輪h2轉(zhuǎn)動(dòng)且使凸輪圓弧面h6或h6’與換能器e相切時(shí)換能器e的變形量最大，此時(shí)壓電膜e2上的最大壓應(yīng)力小于其許用壓應(yīng)力、換能器e端部的彎曲變形量不大于其許用值其中：b＝1-α+αβ，a＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/h，β＝em/ep，hm為基板e(cuò)1的厚度，h為換能器e的總厚度，em和ep分別為基板e(cuò)1和壓電膜e2材料的楊氏模量，k31和分別為壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為換能器e的長(zhǎng)度。

本發(fā)明提出的俘能器用于收集人行走及擺臂運(yùn)動(dòng)能，使用前需通過柔性帶及安裝環(huán)c6將俘能器固定在小腿或手臂上。靜止?fàn)顟B(tài)下，激勵(lì)器h的擺臂h3在懸錘h4及磁鐵i的重力的作用下呈垂直狀態(tài)，換能器e的自由端與凸輪平面h5或h5’接觸但無相互作用力，換能器e不發(fā)生彎曲變形。當(dāng)人走路或擺臂時(shí)，懸錘h4及磁鐵i在其慣性力作用下繞銷軸g轉(zhuǎn)動(dòng)，換能器e的變形量隨轉(zhuǎn)角增加而增加，當(dāng)換能器e自由端與凸輪圓弧面h6或h6’相切時(shí)變形量達(dá)到最大；此后，隨小腿或手臂擺動(dòng)方向的變化，激勵(lì)器h繞銷軸g的轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生變化，換能器e的變形量及壓電膜h2上的壓應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角的減小而逐漸降低，當(dāng)換能器e的自由端與凸輪平面h5和h5’相互平行時(shí)，換能器e自由端的變形量及壓電膜e2上的應(yīng)力都為零。上述壓電膜e2上壓應(yīng)力交替增加與減小的過程中即將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，此為壓電發(fā)電過程；壓電發(fā)電的同時(shí)，磁鐵i與線圈j相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈j切割磁力線并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，此為電磁發(fā)電。上述壓電及電磁發(fā)電所得電能經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)诫娐钒錬上的能量轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理及存儲(chǔ)后為微功率電子產(chǎn)品供電。