[发明专利]一种拉压式振动俘能器

说明书

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种拉压式振动俘能器。

背景技术

利用压电陶瓷材料回收环境振动能量构造的微小型俘能器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。虽然某些类型压电俘能器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，不利于压电振动俘能技术的进一步推广应用。对于振动式压电俘能器而言，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惯性块，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、运行方向漂移引起横向振动等，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，现有的压电振动俘能器的可靠性及环境适应能力都有待于进一步提升。

发明内容

本发明提供一种拉压式振动俘能器，以解决现有振动式压电俘能器可靠性低、环境适应能力差等弊端。本发明采用的实施方案是：挂架的上壁经螺钉固定在振动主体上，挂架上壁上固定有拉簧，拉簧套在挂架的内腔中，拉簧下端固定在盖板上，盖板与挂架的筒壁端面相接触；盖板经螺钉固定在壳体的筒壁端部，惯性块套在壳体的内腔中；两个在其圆弧段粘接有压电片的金属片经铆钉相互铆接后构成压电振子，压电振子与其两端经铆钉铆接的支座共同构成换能器；惯性块的上下两侧分别通过螺钉与两个换能器上的支座相连接，置于惯性块上方的换能器的另一支座通过螺钉固定在盖板上，置于惯性块下方的换能器的另一支座通过螺钉固定在壳体底壁上。

为使压电振子能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，俘能器的结构应满足下列条件：①压电振子不受外力作用时金属片上圆弧外表面的最小半径为R=h0{α+12[1-α(1-β)][α2(1-β)-1-ηEpTp]},]]>②一个换能器上压电振子的圆弧段被拉直时另一个换能器上压电振子处于不受外力的自然状态，壳体内腔高度为式中α＝h_m/h₀，h₀＝h_m+h_p，h_p和h_m分别为压电片和金属片厚度，β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，和T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L_m为惯性块的高度，L_h为换能器的高度，l为金属片上圆弧的弦长，n为单个压电振子h上的圆弧数量。