[发明专利]基于多压电振子串联的垂吊式振动俘能器

说明书

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种基于多压电振子串联的垂吊式振动俘能器，用于低频、大振幅及任意方向的振动能量回收。

背景技术

利用压电陶瓷材料回收环境振动能量的微小型俘能器已经成为国内外持续多年的研究热点。压电式振动俘能器成功开发与利用，不仅可以解决便携式微功率电子产品以及远程埋植传感监测系统的供电问题，还有助于减少大量废弃电池污染环境和生产电池所造成的资源浪费问题。针对环境振动特点及应用目的的不同，目前国内外均已提出了较多类型的压电俘能器。但由于压电陶瓷为脆性材料，且其所构成的弯曲型压电振子具有变形方向单一和谐振频率较高的特点，因此现有压电俘能器在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，难以在实际中推广应用。

众所周知，对于压电振动俘能器，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，因此直接利用压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为降低压电振子的固有频率，目前采用的方法是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。另一方面，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，以行进中的各类交通工具为例，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。因此，采用单一、或几个可不同方向变形压电振子构成的俘能器都不能满足多方向振动能量的有效回收。国内学者曾经提出了几种结构的多方向振动俘能器，其实现方案是：在中空的多面体的各顶角处连接有弯曲型PVDF压电振子，各压电振子的另一端均与一个质量块相连，希望由此实现多方向的振动能量收集。但实际中，由于各压电振子与多面体框架及质量块间所构成的是一个空间桁架结构，从而使压电振子及桁架的总体刚度都大幅度增加，无法实现低频振动的能量收集；另一方面，弯曲型压电振子仅能在其长度方向产生伸缩变形并发电，而宽度方向上无法产生形变；因此，多个弯曲型压电振子通过一个质量块相互连接后势必造成彼此间的变形干涉，不利于较多方向的振动能量回收，更不可能实现任意方向的振动能量回收。

发明内容

本发明提供一种基于多压电振子串联的垂吊式振动俘能器，以解决现有压电振动俘能器发电能力及可靠性低、不适于低频及任意方向振动能量回收等问题。

本发明采取的技术方案是：球销通过螺母固定在挂架上，所述球销上自上而下依次套有蝶形弹簧和球销套，所述蝶形弹簧压接在球销套和挂架之间；顶板通过螺钉固定在球销套上，框架和吊件通过螺钉固定在顶板的下面、且所述吊件置于所述框架的内部；2-50个压电换能器通过空心销钉串联，其上端与吊件铆接、下端与销轴铆接；所述压电换能器由钵型压电振子和铆钉铆接而成，所述钵型压电振子由钵型壳与环形压电晶片粘接而成；所述销轴通过框架底板上的通孔穿出，其上依次套有第一及第二限位弹簧、端部安装有质量块；所述第一及第二弹簧分别通过框架底板与压电振子和质量块压接；所述同一个压电换能器上的两个环形压电晶片通过导线一连接，相邻两个压电换能器上的压电晶片通过导线二连接，电路上并联后的压电振子经再通过导线组三与安装在框架上的电路板连接。

本发明中，蝶形弹簧的作用是限制框架的摆角、并加速框架的复位速度；球销及球销套的作用是实现框架任意方向摆动；第一弹及第二限位弹簧的作用是限制压电振子的变形量、避免因受拉/受压变形过大而损坏，第二限位弹簧还承受质量块的静态力。为确保压电振子在静止状态下不受外力作用、且当质量块振幅过大时不致损坏，质量块的质量的计算公式为                                                ，其中和分别为第一及第二限位弹簧的刚度，、分别为俘能器静止时第一及第二限位弹簧的压缩量，为重力加速度；动态工作时两个限位弹簧的最大可压缩量相等、且计算公式为，其中为单个压电振子可承受的最大变形量。