[发明专利]螺旋弹簧型低频压电俘能器

权利要求书

1.一种螺旋弹簧型低频压电俘能器，包括由俘能元件和集中质量块振子(5)组成的俘能结构系统，其特征在于，该俘能元件由带电极的压电管(1)构成，所述压电管(1)螺旋弯曲成螺旋弹簧形状，正电极(2)和负电极(3)以一定的螺旋升角螺旋间隔镶嵌于该压电管(1)管体上，两电极与耗能元件或能量储存单元相连，所述压电管(1)的两端中一端连接环境振动源，另一端连接所述集中质量块振子(5)。

2.根据权利要求1所述的低频压电俘能器，其特征在于，所述螺旋弹簧形状可以为圆柱螺旋弹簧型、圆锥弹簧型、面内螺旋型或其中至少两种的组合型。

3.根据权利要求1或2所述的低频压电俘能器，其特征在于，所述负电极(2)和正电极(3)既是工作电极也是极化电极，所述压电管(1)的极化方向分别垂直于正负电极，而且在两电极的左右两边存在180°的方向改变。

4.根据权利要求1-3之一所述的低频压电俘能器，其特征在于，所述环境振动源和集中质量块振子的位置可以互换。

5.根据权利要求1-4之一所述的低频压电俘能器，其特征在于，通过改变集中质量块振子的质量，以调节俘能元件的固有频率。

6.一种制作权利要求1-5之一所述的螺旋弹簧型低频压电俘能器的方法，具体包括如下步骤：

(1)选择压电管(1)的压电材料，并确定出工作坐标系下压电材料的材料常数矩阵；

(2)确定压电管(1)正电极和负电极的螺旋升角θ：

计算压电管(1)的扭转能与轴向伸缩能之间的比值，获得与该比值最大时所对应的螺旋升角，即确定为正电极和负电极的螺旋升角θ；

(3)确定俘能元件的螺旋弹簧型式，包括圆柱螺旋弹簧型、圆锥弹簧型、面内螺旋型或其中至少两种的组合型；

(4)确定俘能器的最优频率，该最优频率与环境振动频率相等，具体为：

(4.1)根据公式求得使固有频率ω_C与环境振动频率差值在一定范围内的集中质量块振子的质量m和螺旋弹簧的等效刚度K；

(4.2)确定最优频率

首先，求出俘能元件的输出电压幅值

然后，计算压电俘能器输出功率P_out随频率的变化关系，找到输出功率最大时所对应的频率，即俘能结构系统的最优频率ω_n；

最后，根据最优频率ω_n对振子质量m和/或螺旋弹簧结构的等效刚度K进行微调，直至使最优频率与环境振动频率相等。

(5)计算压电俘能器的等效静态电容值C_p，设计结构参数，具体为：

首先，计算俘能器输出功率随外阻抗/内阻抗比值Z/(iZ₀)变化曲线，得到最大输出功率对应的最优阻抗比值Z/(iZ₀)，其中所对应的Z₀为最优等效内阻抗Z0(op);]]>

其次，计算最优等效静态电容

然后，调节所述压电管的半径R、厚度h和/或压电管的弹簧螺旋半径b，使等效静态电容值其中，所述等效静态电容值C_p通过如下公式计算：

CP=2ShπRcos2θ(ϵ‾11sin2θ+2ϵ‾13sinθcosθ+ϵ‾33cos2θ)]]>

上式中，和分别为等效介电系数，R为压电管半径，h为压电管壁厚，S为压电管的总长；

最后，微调所述振子质量m，直至重新使最优频率与环境振动频率相等；

(6)校核俘能器结构是否符合安全条件，具体为：

首先，利用下式求出俘能器结构的最大剪应力：

T5=[KδA+mg2πR2h-2V‾αd(e‾15sinθ+e‾35cosθ)]bmax]]>

式中，b为压电管弹簧螺旋半径，b_max为压电管最大螺旋半径，δ_A为俘能元件的伸缩幅值，和为等效压电系数，d为正负电极之间的垂直距离，β为螺旋弹簧压电管总盘绕角度，n为压电管盘绕总圈数；

然后，判断是否满足安全条件，即是否满足：T₅＜[τ]，

其中，[τ]为许用剪应力，如果不满足上述安全条件，则调整b，R，h，m和/或n，重复执行步骤(4)-(6)，直至满足上述安全条件，即完成制作。