[發(fā)明專利]一種多振子串聯(lián)式壓電俘能器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210183169.6
• 申請(qǐng)日: 2012-06-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102684552A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王淑云;闞君武;王鴻云;程光明;曾平;黃芳勝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18
• 代理公司: 吉林長(zhǎng)春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

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)明提供一種多振子串聯(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。

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??，其中和分別為第一彈簧和第二彈簧的剛度，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，n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，其中、分別為俘能器靜止時(shí)第一彈簧和第二彈簧的壓縮量，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)量塊的慣性力通過(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：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。

附圖說(shuō)明

圖1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；

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；

圖3是圖2的俯視圖；

圖4是本發(fā)明較佳實(shí)施例中卡銷的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖4的A-A剖視圖；

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；