一种伸缩式压电振动发电机制造技术

本发明专利技术涉及一种伸缩式压电振动发电机，属于发电技术领域。底板及顶板与立柱焊接，底板及顶板上分别设有带销孔底侧耳及顶侧耳；质量块上下两侧各设两个带有销孔的中侧耳；金属片与其弧形凸起处粘接的压电片构成压电振子，压电振子与其两端铆接的开口销套构成换能器；I组换能器的一端销套套在铆接在顶侧耳销孔内的销轴上，另一端销套套在铆接在质量块上面的中侧耳销孔内的销轴上；II组换能器的一端销套套在铆接在底侧耳销孔内的销轴上，另一端销套套在铆接在质量块下面的中侧耳销孔内的销轴上。特色与优势：两组伸缩式压电振子经销轴与框架及质量块连接且变形相互制约，故可靠性高、低频特性好、发电能力较强、振动方向适应能力强。

【技术实现步骤摘要】
一种伸缩式压电振动发电机
本专利技术属于发电
，具体涉及一种伸缩式压电振动发电机，为微功率电子产品及无线传感监测系统等提供实时的能量供应。
技术介绍
利用压电陶瓷材料回收环境振动能量构造的微小型发电机被认为是便携式微功率电子产品以及远程埋植传感监测系统实时自供电的有效手段。虽然某些类型压电发电机已经在现实中获得应用，但其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，不利于压电振动发电技术的进一步推广应用。对于振动式压电发电机而言，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，因此利用单一的压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为此，需在悬臂梁压电振子端部或圆形压电振子中心处安装集中质量块，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；压电振子弯曲变形时压电晶片承受交替变换的压应力和拉应力，环境振动强度过大时压电晶片会因拉应力过大破碎。此外，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。以行进中的汽车为例，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等，且上述各个振源之间存在振动耦合与叠加效果，其实际的振动方向并不确定。显然，压电振动发电机的可靠性及环境适应能力都有待于进一步提升。
技术实现思路
本专利技术提供一种伸缩式压电振动发电机，以解决现有振动式压电发电机可靠性低、环境适应能力差及发电能力弱等弊端。本专利技术采用的实施方案是：底板及顶板与立柱焊接构成框架，底板及顶板上分别设有两个带销孔的底侧耳和顶侧耳；质量块上下两侧各设两个带有销孔的中侧耳；带弧形凸起的金属片与其弧形凸起处所粘接的压电片构成压电振子，压电振子通过与其金属片两端所铆接的开口销套构成换能器；I组换能器的一端销套套在铆接在顶侧耳销孔内的销轴上，另一端销套套在铆接在质量块上面的中侧耳销孔内的销轴上；II组换能器的一端销套套在铆接在底侧耳销孔内的销轴上，另一端销套套在铆接在质量块下面的中侧耳销孔内的销轴上；各所述销套和销轴之间为可相互转动的间隙配合；为使压电振子最大限度地利用振动能量发电并避免压电片因拉应力过大而损坏，压电振子不受外力作用时金属片上圆弧凸起处外表面的最小半径为一组换能器中压电振子的圆弧段被拉直时另一组换能器中压电振子处于不受外力作用的自然状态，即底侧耳销孔与顶侧耳销孔间的中心距为式中：α＝hm/(hm+hp)，hp和hm分别为压电片和金属片的厚度，β＝Em/Ep，Ep和Em分别为压电片和金属片的杨氏模量，Tp分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L3为质量块的上下两组中侧耳上的销孔间距，L1为未装机时换能器两端销套间的中心距，L2为金属片上的圆弧弦长，n为单个压电振子上的圆弧数。发电机非工作状态下，质量块在I组和II组换能器的作用下处于平衡状态；当框架在某一垂直面内作任意方向的往复振动时，质量块与框架都会发生相对运动，质量块的惯性力使得I组及II组换能器中的压电振子分别沿其长度方向伸长或缩短，如：框架做垂直的上下振动时，一组换能器中的压电振子受拉伸长、另一组换能器中的压电振子缩短；框架沿水平方向振动时，两组换能器中的压电振子同时伸长或缩短；在上述压电振子的伸长与缩短的过程中，压电片所受应力交替增加和减小，从而将机械能转换成电能。特色及优势：伸缩式压电振子通过销轴及销套与框架及质量块相连接，可实现某一垂直面内任意方向的振动能量回收；两组换能器中伸缩式压电振子的伸长与压缩相互制约，具有限位和保护作用且应力分布均匀；此外，还可通过增加质量块质量降低系统固有频率。因此，本专利技术具有可靠性高、低频特性好、发电能力较强、振动方向适应能力强等优势，可用于高强度、大振幅、低频及振动方向变化较大场合的能量回收。附图说明图1是本专利技术一个较佳实施例中发电机的结构示意图；图2是图1左视图；图3是本专利技术一个较佳实施例中框架的结构示意图；图4是本专利技术一个较佳实施例中质量块的结构示意图；图5是本专利技术一个较佳实施例中换能器的结构示意图；图6是图5的俯视图。具体实施方式：底板1及顶板6通过与立柱2焊接构成框架K，底板1上设有两个带有销孔12的底侧耳11，顶板6上设有两个带有销孔62的顶侧耳61；质量块5的上下两侧各设两个带有销孔52的中侧耳51；带有弧形凸起的金属片h1与其弧形凸起处所粘接的压电片h2构成压电振子h，压电振子h通过与其金属片h1两端所铆接的开口销套4构成换能器H；I组换能器H的一端销套4套在铆接在顶侧耳61的销孔62内的销轴3上、另一端销套4套在铆接在中侧耳51上面的销孔52内的销轴3上；II组换能器H的一端销套4套在铆接在底侧耳11的销孔12内的销轴3上、另一端销套4套在铆接在中侧耳51下面的销孔52内的销轴3上；所述各销套4和销轴3之间为可相互转动的间隙配合。为使压电振子h最大限度地利用振动能量发电、并避免压电片h2因拉应力过大而损坏，应满足下列条件：①压电振子h不受外力作用时金属片h1的圆弧外表面最小半径为②I组换能器H中压电振子h上的圆弧段被拉直时，II组换能器H中压电振子h处于不受外力的自然状态，即底侧耳11的销孔12与顶侧耳61的销孔62间的中心距为上式中：α＝hm/(hm+hp)，hp和hm分别为压电片h2和金属片h1的厚度，β＝Em/Ep，Ep和Em分别为压电片h2和金属片h1的杨氏模量，Tp分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L3为质量块5的上下两组中侧耳51上销孔52间的距离，L1为未装机时换能器H两端销套4间的中心距，L2为金属片h1上的圆弧弦长，n为单个压电振子h上的圆弧数量。发电机非工作状态下，质量块5在I组和II组换能器H的作用下处于平衡状态；当框架K在XOY面内作任意方向的往复振动时，质量块5与框架K都会发生相对运动，质量块5的惯性力使得I组及II组换能器H中的压电振子h分别沿其长度方向伸长或缩短，如：框架K做垂直的上下振动时，一组换能器H中的压电振子h受拉伸长、另一组换能器H中的压电振子h缩短；框架K沿水平方向振动时，两组换能器H中的压电振子h同时伸长或缩短；在上述压电振子h的伸长与缩短的过程中，压电片h2所受应力交替增加和减小，从而将机械能转换成电能。本专利技术中，伸缩式压电振子h通过销轴3及销套4与框架K及质量块5相连接，可实现某一垂直面内任意方向的振动能量回收；两组换能器H中伸缩式压电振子h的伸长与压缩相互制约，具有限位和保护作用，且应力分布均匀；此外，还可通过增加质量块5质量降低系统固有频率。因此，本专利技术优势显著：可靠性高、低频特性好、发电能力较强、振动方向适应能力强，可用于高强度、大振幅、低频及振动方向变化较大场合的能量回收。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种伸缩式压电振动发电机，其特征在于：底板及顶板与立柱焊接构成框架，底板及顶板上分别设有两个带销孔的底侧耳和顶侧耳；质量块上下两侧各设两个带有销孔的中侧耳；带弧形凸起的金属片与其弧形凸起处所粘接的压电片构成压电振子，压电振子通过与其金属片两端所铆接的开口销套构成换能器；I组换能器的一端销套套在铆接在顶侧耳销孔内的销轴上，另一端销套套在铆接在质量块上面的中侧耳销孔内的销轴上；II组换能器的一端销套套在铆接在底侧耳销孔内的销轴上，另一端销套套在铆接在质量块下面的中侧耳销孔内的销轴上；所述各销套和销轴之间为可相互转动的间隙配合；为使压电振子最大限度地利用振动能量发电并避免压电片因拉应力过大而损坏，压电振子不受外力作用时金属片上圆弧凸起处外表面的最小半径为R=hm+hp2{2α+11-α(1-β)[α2(1-β)-1-ηEpTp]};]]>一组换能器中压电振子的圆弧段被拉直时另一组换能器中压电振子处于不受外力作用的自然状态，即底侧耳销孔与顶侧耳销孔间的中心距为L=2L1+L3+n[2Rarcsin(L22R)-L2],]]>式中：α＝hm/(hm+hp)，hp和hm分别为压电片和金属片的厚度，η=(1-α)[1-α(1-β)]+αβ/(1+k312),]]>β＝Em/Ep，Ep和Em分别为压电片和金属片的杨氏模量，Tp分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L3为质量块的上下两组中侧耳上的销孔间距，L1为未装机时换能器两端销套间的中心距，L2为金属片上的圆弧弦长，n为单个压电振子上的圆弧数。...

【技术特征摘要】
1.一种伸缩式压电振动发电机，其特征在于：底板及顶板与立柱焊接构成框架，底板及顶板上分别设有两个带销孔的底侧耳和顶侧耳；质量块上下两侧各设两个带有销孔的中侧耳；带弧形凸起的金属片与其弧形凸起处所粘接的压电片构成压电振子，压电振子通过与其金属片两端所铆接的开口销套构成换能器；I组换能器的一端销套套在铆接在顶侧耳销孔内的销轴上，另一端销套套在铆接在质量块上面的中侧耳销孔内的销轴上；II组换能器的一端销套套在铆接在底侧耳销孔内的销轴上，另一端销套套在铆接在质量块下面的中侧耳销孔内的销轴上；各所述销套和销轴之间为可相互转动的间隙配合；为使压电振子最...

【专利技术属性】
技术研发人员：王淑云，黄逸，蔡建程，阚君武，张克华，富佳伟，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33