[發明專利]一種曲面壓電發電懸臂梁

無效

• 申請號: 201410562726.4
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104270034A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 吳越;涂前進;陳松;楊志剛;田曉超
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 郭耀輝

技術領域

本發明屬于小功率發電領域，具體涉及一種曲面壓電發電懸臂梁。

背景技術

壓電材料發現以來，其發電特性廣泛用于各種特定場合，包括用其將應力轉化為電能的性質形成的應變測試器件、直接用撞擊壓電材料產生瞬時高電壓形成的各類點火器件和電子引信器件、利用壓電陶瓷形成的壓電懸臂梁彎曲發電供給各類電子器件所形成的電子供電器件等。而壓電懸臂梁結構作為一種最簡單的壓電發電結構，已經得到了廣泛的研究與應用，壓電懸臂梁用于發電一般有兩種工作狀態，一種是工作在非共振頻率下，由其受力產生的變形引起壓電陶瓷產生應力與應變結合壓電效應形成發電能力，另外一種是工作在其共振頻率下，此時機械能轉化為電能的效率大幅提高，但在一些特殊的場合下外界激勵時刻發生變化，不容易實現壓電懸臂梁在共振狀態下工作。而在做回轉運動的裝置上安裝的壓電懸臂梁受力情況則比較特殊，可以通過特殊結構的設計使得壓電懸臂梁的固有頻率發生改變，適應外界的回轉運動，該類壓電懸臂梁發電裝置的效率有明顯的提升空間。

發明內容

為了解決目前安裝在旋轉機構上的壓電懸臂梁發電裝置固有頻率恒定、無法在變化的運動條件下保持懸臂梁系統處于共振狀態所引起的發電效率低下的問題，提出了一種曲面壓電發電懸臂梁結構，該曲面壓電懸臂梁由曲面壓電振子、自由端質量塊和固定支撐端構成，所述曲面壓電發電懸臂梁結構的固定支撐端固定在做回轉運動的機構上，系統利用回轉運動發電，在轉動速度發生變化時，所述曲面壓電振子與固定支撐端接觸，自由長度發生變化，剛度改變，系統的共振頻率隨之變化使之具有更寬的共振頻率范圍，可提高壓電發電效率。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明一種曲面壓電發電懸臂梁，包括曲面壓電振子、自由端質量塊、固定支撐端、安裝墊片和螺栓，其中：

曲面壓電振子由三部分依次相連且光滑過渡，分別為振子安裝平面、變支撐曲面和懸臂伸出平面；所述懸臂伸出平面與自由端質量塊連接；所述振子安裝平面與所述固定支撐端上的固定安裝面通過安裝墊片由螺栓連接；所述變支撐曲面與振子安裝平面相交于第一交線；所述變支撐曲面與懸臂伸出平面相交于第二交線；所述第一交線與所述第二交線平行且垂直于壓電振子的側表面。

所述曲面壓電振子的變支撐曲面為二次曲面；所述變支撐曲面長度與所述振子安裝平面長度之和小于固定支承端上的固定安裝面長度，以便最大發揮曲面壓電振子形變引起系統整體剛度變化，增加系統固有頻率范圍；所述曲面壓電振子的長度除去所述曲面壓電振子與所述自由端質量塊配合長度后剩余長度大于所述固定安裝面沿曲面壓電振子安裝方向的長度，從而保證發電裝置安裝后自由端質量塊與固定支撐端不發生干涉。

所述曲面壓電振子采用由一片壓電薄片材料粘貼在彈性基板上形成的單晶片壓電振子，或采用由兩片壓電薄片材料粘貼在彈性基板兩側形成的雙晶片壓電振子，采用雙晶片壓電振子可以提高系統的發電能力。

所述曲面壓電振子上的壓電薄片材料長度方向第一端位于所述變支撐曲面上，或與所述彈性基板第一端重合，在增加發電面積的同時保證了裝配工藝性；所述壓電薄片材料長度方向第二端位于懸臂伸出平面上。

使用時，將曲面壓電振子上的振子安裝平面布置在與回轉運動徑向垂直的方向上，同時將固定支撐端上的固定安裝面指向回轉中心。工作時，隨著回轉運動速度的增加，外界激勵頻率上升，同時在離心力的作用下曲面壓電振子發生彈性變形，所述變支撐曲面與固定支撐端上的固定安裝面接觸，壓電振子的懸臂長度減小剛度增加，系統的共振頻率上升，實現了系統的固有頻率隨著回轉運動周期與頻率的變化實現自適應調整的目的。

附圖說明

圖1是本發明一種曲面壓電發電懸臂梁結構示意圖。

圖2是本發明曲面壓電振子的示意圖。

圖3是本發明各零件與安裝關系的示意圖。

具體實施方式

參照圖1、圖2和圖3，本發明的曲面壓電發電懸臂梁由曲面壓電振子1、自由端質量塊2、固定支撐端3、安裝墊片4和螺栓5構成，其中：

曲面壓電振子1由三部分依次相連且光滑過渡，分別為振子安裝平面121、變支撐曲面122和懸臂伸出平面123；所述曲面壓電振子1一端通過粘接方式布置有自由端質量塊2，另一端固定在固定支撐端3上，通過安裝墊片4由第一螺栓51和第二螺栓52固定；所述變支撐曲面122與振子安裝平面121相交于第一交線124，所述變支撐曲面122與懸臂伸出平面123相交于第二交線125，所述第一交線124與所述第二交線125平行且垂直于壓電振子1的側表面。