[发明专利]基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器及设计方法

权利要求书

1.一种基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器，其特征在于：包括转盘(1)、壳体(2)、一级压电集能衬底(3)、一级压电集能压电材料层(4)、弹簧(5)、二级压电集能衬底(6)、二级压电集能压电材料层(7)、电磁集能线圈(9)及自由激励球(10)；所述转盘(1)上同轴固定安装所述壳体(2)，所述壳体(2)的两端对称安装有一级压电集能衬底(3)，所述一级压电集能衬底(3)的外部粘接设置所述一级压电集能压电材料层(4)，所述一级压电集能压电材料层(4)外侧通过弹簧(5)与二级压电集能衬底(6)连接，所述二级压电集能衬底(6)上连接所述二级压电集能压电材料层(7)，所述二级压电集能衬底(6)一侧的壳体两端均设置有固定波动触点(8)，所述壳体(2)内壁侧面上设置有电磁集能线圈(9)，所述电磁集能线圈(9)覆盖所述壳体(2)的全程，所述壳体(2)内置有自由激励球(10)；集能器旋转时，所述自由激励球受到重力加速度作用而在所述壳体中作往复运动，与电磁集能线圈发生相对位移而产生电能，当自由激励球运动到集能器的两侧时，自由激励球与二级压电集能压电材料层相互作用，二级压电集能衬底被挤压而与拨动触点接触产生形变，实现动能向电能和弹簧势能的转化，并通过弹簧作用于一级压电集能压电材料层，实现一级压电结构换能；当集能器继续翻转时，弹簧势能将以机械力形式推动自由激励球获得更高向速度，随后进入后半周期重复以上过程。

2.根据权利要求1所述基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器，其特征在于：所述转盘(1)为可旋转的任意结构，所述转盘(1)的旋转轴平行于地面，转盘(1)平面垂直于地面。

3.根据权利要求1所述基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器，其特征在于：所述壳体(2)为圆柱形或者立方体。

4.根据权利要求1所述基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器，其特征在于：所述一级压电集能衬底(3)为金属弯曲结构，为长方形或圆钹形，一级压电集能衬底(3)两侧与壳体(2)边缘连接；所述二级压电集能衬底(6)为金属平面结构，为长方形或圆形。

5.根据权利要求1所述基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器，其特征在于：所述一级压电集能压电材料层(4)为PZT或PVDF，其面积略小于一级压电集能衬底(3)；所述二级压电集能压电材料层(7)为PZT或PVDF，其面积略小于二级压电集能衬底(6)。

6.根据权利要求1所述基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器，其特征在于：所述所述固定拨动触点(8)为三角形弹性材料，如ABS，其高度略大于壳体宽度减去二级压电集能衬底(6)的长度，与二级压电集能衬底(6)有重合。

7.根据权利要求1所述基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器，其特征在于：所述自由激励球(10)为磁铁小球，其直径略小于壳体(2)的最小边长。

8.根据权利要求1所述基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器，其特征在于：所述集能器一个周期的运动过程为：

(1)当集能器呈竖直朝向时，壳体内的自由激励球在重力作用下向壳体底部运动，自由激励球穿过电磁集能线圈而发电；

(2)当集能器顺时针转过90°时，在此旋转过程中，壳体内的自由激励球在重力以及离心力的作用下与底端的二级压电集能衬底、二级压电集能压电材料层、一级压电集能衬底、一级压电集能压电材料层发生碰撞，集能器会通过压电效应产生电能；

(3)当集能器顺时针转过180°时，壳体内的自由激励球在重力作用下开始从壳体的一侧向另一侧移动，在移动过程中依旧穿过电磁集能线圈而发电；

(4)当集能器顺时针旋转270°时，在此旋转过程中，壳体内的自由激励球再次在重力作用下与二级压电集能衬底、二级压电集能压电材料层、一级压电集能衬底、一级压电集能压电材料层发生碰撞，自由激励球再次位于壳体的底部，集能器依旧会通过压电效应产生电能；

(5)当集能器转过360°时，集能器回到最初始的状态，自由激励球在重力作用下回到壳体的底部，完成一个周期运动。

9.根据权利要求1～8任意一项所述基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器的设计方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)确定壳体、电磁集能线圈、自由激励球的尺寸

假设壳体的长度为L，宽度或直径为D，在该尺寸下，自由激励球应满足能够撞击到两端压电结构的条件，自由激励球在任意时刻的受力情况为：

F＝Mgsinwt-μMgcoswt-Mw²e

其中：M为自由激励球的质量，w为集能器的旋转角速度，μ为壳体内壁的滑动摩擦系数，e为自由激励球与壳体旋转中心的轴向距离，g为重力加速度；

考虑到摩擦力分量可以通过对壳体内壁进行打磨等措施控制在较小的量级，离心力分量由于移动距离和旋转频率均较小而明显小于重力，因此自由激励球在任意时刻的受力情况可以简化为：

F＝Mgsinwt

则激励球在时间内的轴向运动距离为：

激励球撞击到两端压电结构的条件为：激励球在半周期内的最大轴向运动距离大于壳体的长度L，即满足：

考虑应用环境为0～2Hz的低频旋转环境，因此，壳体长度L应满足L≤20cm，取壳体长度L为15cm，壳体宽度或直径D为25mm；考虑到壳体的厚度以及自由激励球与壳体之间应留有空隙，设置激励球的直径d_b为20mm；线圈需要覆盖壳体全程，则线圈线径取0.2mm，直径取25mm，长度取15cm，匝数取1500匝；

(2)确定弹簧的尺寸

假设弹簧的线径为d_t，弹簧中径为D_t，弹簧有效圈数为n，弹簧材料的剪切模量为G，则弹簧常数k_t为：

当弹簧刚度与压电集能压电材料层的刚度相等时，压电结构可获得比较大的输出电压，当压电集能压电材料层结构为圆盘结构时，压电圆盘的刚度为：

其中，E表示压电圆盘的弹性模量，h表示压电圆盘的厚度，d_f表示压电圆盘的直径；

因此，弹簧的有效圈数n可通过以下公式确定：

考虑实际应用，设置弹簧线径为0.5mm，弹簧中径为10mm；

(3)设计一级压电集能衬底、一级压电集能压电材料层、二级压电集能衬底、二级压电集能压电材料层的尺寸

一级压电集能衬底、一级压电集能压电材料层尺寸略大于壳体宽度或直径D，本发明设计为28mm，并将其弯曲后与两侧固定连接，一级压电集能衬底和一级压电集能压电材料层通过环氧树脂胶连接；二级压电集能衬底和二级压电集能压电材料层尺寸略小于壳体宽度或直径D，本发明设计为20mm，以上结构的厚度没有固定要求；

(4)设计固定拨动触点尺寸

触点为等边三角形，其高度略大于壳体宽度或直径D减去二级压电集能压电材料层尺寸，在本发明中即25mm-20mm＝5mm，触点高度设计为7mm。