[发明专利]一种多振子串联式压电俘能器

说明书

技术领域

    本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种多振子串联式压电俘能器，用于低频、高强度振动能量回收。

背景技术

用于环境振动能量回收的微小型压电俘能器的研究已成为国内外的新热点，其目的是：为便携式微功率电子产品、远程传感监测系统等提供实时的能量供应，减少电池电量不足或电能耗尽所带来的使用不便、以及废弃电池造成的环境污染。已有研究成果表明，仅当压电俘能器的基频与环境振动频率相适应是才具有较高的发电能力和机电能量转换效率。但现实环境中的振源频率通常较低，如各类交通工具运行及人体运动等诱发振动通常仅十几或几十赫兹，且振幅较大；而压电振子自身的基频通常较高，通常为数百甚至上千赫兹，无法直接用于低频振动能量回收，即使自身基频较低的悬臂梁压电振子也需采用端部安装集中质量块方能实现降低频率。悬臂梁压电振子端部加装质量块的方式目前应用最为普遍，其弊端是当集中质量较大时，压电振子在非工作状态时既已产生较大变形，极易因环境过大振幅、振动强度过高而损毁。为提高压电振子的承载能力和可靠性、实现大振幅及高强度振动能量回收，圆形及叠堆型压电振子也常被用于构造振动俘能器，但此类压电振子的谐振频率更高，单个圆形压电振子的谐振频率为几千赫兹，而压电叠堆的基频高达十几千赫兹。此外，目前的压电俘能器基本由单个压电振子构成，因其发电能力有限，无法实现真正意义上的实时供电，只能采用储能-间歇供电方式工作。

发明内容

本发明提供一种多振子串联式压电俘能器，以解决现有压电振动俘能器谐振频率高、可靠性低、发电能力及频带宽度有限的问题。

本发明采用的技术方案是：壳体通过螺钉安装在底座上，卡座通过螺钉安装在底座上、且置于所述壳体内，1-50个压电换能器串联置于所述壳体内；所述压电换能器由两个压电振子通过铆钉铆接在环形骨架上构成；所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；所述第一个串联的压电换能器与所述卡座卡接，所述的两个相邻的压电换能器通过卡销卡接；所述的最后一个串联的压电换能器与销轴的卡爪卡接，所述销轴通过壳体上端的通孔伸出壳体外，所述销轴的螺纹上通过螺母安装有质量块；所述销轴自下而上依次套有第一弹簧和第二弹簧，且所述第一弹簧通过销轴的轴肩压接在换能器壳体上、所述第二弹簧通过质量块压接在换能器壳体上；电路板通过螺钉安装在换能器壳体的侧壁，同一个压电换能器上的两个压电振子通过导线组一相连，不同压电换能器的两个压电振子通过导线组二相连，再通过导线组三与电路板连接。

本发明中，第一弹簧和第二弹簧分别起拉伸限位和压缩限位作用，避免压电振子因受变形过大损坏，且所述第二弹簧还承受质量块的重力。所述第一弹簧、第二弹簧及压电换能器在机械上为并联结构，其等效刚度为                                               ，俘能器的谐振频率为  ，其中和分别为第一弹簧和第二弹簧的刚度，为多个压电振子串联后的等效刚度， 为单个压电振子的刚度，m为质量块的质量，n为压电振子的数量。根据俘能器谐振频率的计算公式，增加质量块的质量及压电振子数量均可有效降低俘能器的谐振频率。

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、分别为俘能器静止时第一弹簧和第二弹簧的压缩量，为重力加速度；动态工作时两个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所能承受的最大变形量。

在自然状态下，压电振子不受外力作用，此时质量的重力由第二弹簧承受。当壳体受环境振动激励时，质量块带动销轴以及压电换能器上下振动，从而使压电振子产生弯曲变形，并将机械能转换成电能。当质量块的实际振幅大于时，第一弹簧或第二弹簧达到最大的压缩量，即不再被压缩，质量块的惯性力通过第一弹簧或第二弹簧传递给壳体，从而避免压电振子因变形过大而损坏。

本发明的特点及优势在于：采用多个压电振子串联及较大质量块，系统谐振频率较低、发电能力强；采用两个弹簧限位，可避免压电振子因变形过大损坏，可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中压电俘能器静态时的结构示图；

图2是本发明一个较佳实施例中压电换能器的剖示图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明较佳实施例中卡销的结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6是本发明一个较佳实施例中不同集中质量时俘能器的电压-频率特性曲线；