[发明专利]一种扭摆式压电俘能器

说明书

本发明涉及一种扭摆式压电俘能器，属压电发电领域。框架由立壁和两个耳板构成，立壁的凸台上装有换能器和簧片，换能器位于簧片上下两侧；换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近簧片安装；换能器自由端顶靠在激励器凸轮上、簧片自由端装在激励器的摇臂左端，激励器的销孔套在销轴上，销轴两端装在耳板上；凸轮被摇臂分隔成两部分，凸轮轮廓曲线包含与销孔同心的圆弧段轮廓，圆弧段轮廓是凸轮轮廓曲线上距销孔中心距离最短的；换能器安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；簧片未发生弯曲变形时，换能器自由端与凸轮的接触点是凸轮轮廓曲线上距离销孔中心距离最长的，摇臂右端受外力作用使凸轮顺时针或逆时针转动时换能器自由端的变形都减小。

技术领域

本发明属于压电发电与能量回收技术领域，具体涉及一种扭摆式压电俘能器。

背景技术

利用压电材料的正压电效应收集环境能量发电、构造微小型俘能器的研究已成为国内外的热点，其目的是替代电池为远程传感、埋植监测系统及便携式微功率电子产品供电。目前，利用压电材料可有效回收的环境能量多达10余种，其中研究较多的有：环境振动能，机床、车辆、发动机及发电机主轴和轴承等的旋转动能，人的肢体及器官运动能，波浪、风、河流等流体能。虽然针对上述各类能量所提出的压电俘能器的结构、原理、特点等不同，但基本都是利用换能器双向弯曲变形发电的，工作中压电膜承受交替的拉-压应力作用；因脆性压电材料耐压不耐拉，其许用拉应力远低于许用压应力，工作中压电膜易因拉应力过大而损毁，故可靠性低；此外，现有压电俘能器基本都是利用换能器上附加质量的惯性力实现弯曲变形发电的，激励频率接近其基频时振幅较大、其它频率时振幅很小，从而易导致超低频-大振幅环境下变形量过大损毁，而其它频率时发电能力差或不发电。故为使压电俘能器得以推广应用，首先需解决其可靠性及有效带宽等问题。

发明内容

针对现有俘能器利用单体换能器双向弯曲变形导致可靠性低、环境适应性差等弊端，本发明提出一种扭摆式压电俘能器。本发明采用的实施方案是：框架由立壁和两个耳板构成，立壁的凸台上经螺钉和压块安装有换能器和簧片，换能器位于簧片上下两侧，换能器与簧片的固定端之间压接有垫片；换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近簧片安装；换能器的自由端顶靠在激励器的凸轮上、簧片的自由端经螺钉安装在激励器的摇臂左端，激励器的销孔套在销轴上，销轴两端安装在耳板上，销轴位于换能器与凸轮接触点的右侧；凸轮被摇臂分隔成两部分，凸轮的轮廓曲线包含与销孔同心的圆弧段轮廓，圆弧段轮廓是凸轮轮廓曲线上距销孔中心距离最短的；换能器安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；簧片未发生弯曲变形时，换能器自由端与凸轮的接触点是凸轮轮廓曲线上距离销孔中心距离最长的，摇臂右端受外力作用使凸轮顺时针或逆时针转动时换能器自由端的变形都减小；换能器自由端与圆弧段轮廓相接触时换能器不发生弯曲变形，压电膜上的应力相等且均为零。

簧片不发生弯曲变形时，换能器的弯曲变形量最大，此时压电膜上的最大压应力小于其许用压应力、换能器端部的弯曲变形量不大于许用变形量其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为基板的厚度，H为换能器的总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电膜材料的杨氏模量，k₃₁和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器的长度。

簧片不发生弯曲变形时，簧片上下两侧的换能器的变形和受力状态分别相同；当摇臂右端受外力作用使激励器转动时，凸轮轮廓上与换能器接触点的回转半径逐渐减小，换能器的弯曲变形量及压电膜上的压应力逐渐减小；相反，摇臂受簧片弹性力作用复位过程中，凸轮轮廓上与换能器接触点的半径逐渐增加，换能器的弯曲变形量及压电膜上的压应力逐渐增加，压电膜所受压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转变成电能。

本发明中，非工作时换能器的变形量最大，摇臂转角越大换能器的变形量越小、直至不发生弯曲变形，从而确保压电膜仅承受大小可控的压应力。