CN115242126A - 一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器，属于振动俘能技术领域，包括发电部分、锁结构、直线运动部分、支撑部分和保护部分。本发明有停机和工作两种模式，在停机模式下俘能器不输出任何电能，在工作模式下可以通过调整工作档位来改变双稳态阱间势垒，还可以调整大滑块上的质量块附加重量以适应于不同频率与加速度的环境振动，使俘能器可以适应多种不同的工作场合。本发明拥有激励方式简单、运行稳定、携带方便、频带宽、效率高等优点，可广泛应用于俘获汽车振动能、海浪动能、人体运动能(肢体运动)等能量而转换为电能，从而为交通工具状态监测、气象监测、人体健康监测等低功耗设备供电。

Description

一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器

所属技术领域

本发明涉及一种压电俘能器，具体涉及一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器，属于振动俘能技术领域。

背景技术

近年来，微电子和便携式设备在日常生活和国防建设中得到了愈发广泛的应用，这些设备目前通常使用化学电池来进行持续供电。然而由于化学电池寿命有限、更换困难和环境污染等原因，实际的供能效果往往并不尽如人意，因此我们期望一种从周围环境中提取能量的方式来对小型电气设备进行持续供电。在周围环境中各种形式的振动源和自然能源包括机械振动、潮汐能、风能和太阳能等，而在以上能源中机械振动能受环境限制最小，存在也极为普遍，受到了人们的广泛关注。目前将振动能转化为电能的方法主要包括电磁俘能、静电俘能、压电俘能等，而压电俘能具有功率密度大和应用方便等优点而被广泛使用。此外，压电式转换机制还具有无污染、不发热、无电磁干扰以及易于实现微型化和集成化等特点。

然而，现有的压电俘能器大多是谐振式的，当环境激励频率等于俘能器的谐振频率时才能输出最大功率的电能，当环境激励频率等于俘能器谐振频率时，压电材料所受应力或应变最大，俘能器输出功率最佳，如文献“Qiuyu Xu,Anran Gao,Yigui Li,YanJin.Design and Optimization of Piezoelectric Cantilever Beam Vibration EnergyHarvester[J].Micromachines,2022,13(5),675.”和“YulongZheng,ShilongSun.Globaloptimization of excitation directions for scavenging energy based on a cross-jointed L-shape multidirectional piezoelectric energy harvester[J].Sensorsand Actuators A:Physical,2022,342.”等，此类俘能器对环境中振动频率要求较高，尤其是在低频时输出功率很低，大大限制了俘能器的使用广泛性。

发明内容

本发明的目的是提供一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器，以解决传统俘能器俘能带宽窄，无法对低频振动能有效转化，俘能效率低的问题。

一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器包括压电梁、连杆、上铰链、滑块、下铰链、光轴、直线轴承、底座、端盖及外壳；

压电梁一端固定在上铰链中，上铰链顶端可绕着底座旋转，上铰链中间则通过短连杆与套在固定光轴上的上滑块连接。压电梁另外一端与下铰链固定，下铰链通过长连杆与下滑块进行连接，下滑块通过螺栓与直线轴承固连，以实现在光轴上的直线运动。

优选的：压电梁包括弹性基体和压电材料，压电材料粘贴在弹性基体上，且压电材料宽度略小于弹性基体的宽度，弹性基体的两端通过强力胶与上铰链和下铰链固连，以减少安装间隙。

优选的：上滑块上竖直分布三个通孔，在光轴上存在一个通孔，在工作时使用圆锥销将上滑块上的某一通孔与光轴上的通孔相连接，以改变工作档位。

优选的：在下滑块上开设通孔，螺栓螺母通过下滑块孔和质量块孔将质量块固定在下滑块上。

优选的：俘能器外部设计外壳及外壳盖以起到保护作用。

优选的：在外壳正面开设旋转门以便于调整圆锥销的位置和改变下滑块上质量块的质量，外壳背面与透明塑料板用强力胶固定以便于观察工作状态。

优选的：底座侧面开设螺纹孔，螺钉通过端盖螺纹孔和底座螺纹孔使端盖固定在底座上。

优选的：底座和外壳通过螺栓螺母连接，端盖和外壳盖通过螺栓螺母连接，在外壳侧面开设螺纹孔，螺钉通过外壳螺纹孔和外壳盖螺纹孔使外壳盖固定在外壳上。

本发明与现有产品相比具有以下效果：

1、本发明通过下滑块沿着光轴的直线运动，使与其连接的的压电梁发生周期性弹性变形，由于压电材料的正压电效应，其将机械能转为电能，这种直线型双稳态俘能器在环境中存在振动时可实现双稳态阱间运动或单稳态阱内运动，本发明有激励方式简单、运行稳定、结构简单、携带方便、频带宽、效率高的优点；

2、本发明可以改变圆锥销的位置使之匹配不同的通孔，对下滑块的零势能点位置进行改变，从而调整俘能器稳态间的势垒，使俘能器能应对不同频率、加速度的环境振动，这样的双稳态俘能器具有应用型更强的优点；

3、本发明可以改变滑块上质量块的重量，从而改变***的固有频率，使俘能器可以更好的适应不同情况下的环境振动，这样的双稳态俘能器具有适应性和可扩展性更强的优点。

附图说明

图1是一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器的结构示意图；

图2是去除外壳后俘能器的结构示意图；

图3是去除外壳后俘能器的***示意图；

图4是俘能器在不同工作档位的结构示意图；

图5是俘能器在停机模式下的结构示意图

图6是光轴与底座和端盖连接方式的示意图；

图7是俘能器与外壳和外壳盖连接方式的示意图。

图8是压电梁的走线示意图。

图中：1—压电梁、2—弹性基体、3—压电材料、4—上铰链、5—底座、6—上滑块、7—短连杆、8—圆锥销、9—光轴、10—下铰链、11—长连杆、12—直线轴承、13—质量块、14—下滑块、15—端盖、16—外壳、17—旋转门、18—门上铰链、19—外壳盖、20—透明塑料板、21—底座中心孔、22—上铰链首端通孔、23—上铰链中端通孔、24—底座上端通孔、25—短连杆上通孔、26—短连杆下通孔、27—下铰链通孔、28—长连杆上通孔、29—长连杆下通孔、30—上滑块侧通孔、31—上滑块顶部通孔、32—下滑块侧通孔、33—直线轴承孔、34—端盖中心孔、35—端盖侧通孔、36—上滑块上通孔、37—上滑块中通孔、38—上滑块下通孔、39—光轴上通孔、40—光轴下通孔、41—下滑块正通孔、42—底座顶部通孔、43—外壳顶部通孔、44—端盖通孔、45—外壳盖通孔、46—端盖螺纹孔、47—底座螺纹孔、48—外壳螺纹孔、49—外壳盖螺纹孔、50—下滑块通孔、51—质量块通孔、52—导线孔。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。

如图1至图8所示，本发明所述的一种直线型双稳态低频俘能器包括压电梁1、下下铰链10、长连杆11、短连杆7、下滑块14、上滑块6、底座5、端盖15组件；

压电梁1包括弹性基体3和压电材料2，压电材料2粘贴在弹性基体3上，压电材料2的宽度略小于弹性基体3，压电梁1首端通过强力胶与上铰链4相固定，上铰链4首端通孔22与底座5上端通孔24同轴心连接，上铰链中端通孔23与短连杆7上通孔25同轴心连接，压电梁1末端通过强力胶与下铰链10相固定，下铰链10的通孔27与长连杆11的上通孔28连接，压电梁1、上铰链4、下铰链10共同构成俘能器的发电部分；

进一步：短连杆7下通孔26与上滑块6侧通孔30同轴心连接，上滑块6顶部通孔31与光轴9同轴心连接；上滑块6上竖直分布三个通孔36、37、38，光轴9上存在上通孔39和下通孔40，下滑块14正面存在通孔41，工作时使用圆锥销8将上滑块6上某一通孔和光轴9上的上通孔39相连接，上滑块6、短连杆7和圆锥销8共同构成俘能器的锁结构；

进一步：长连杆11的下通孔29与下滑块14的侧通孔32同轴心连接，下滑块14与方法兰直线轴承12用螺栓螺母连接，直线轴承12中心孔33与光轴9同轴心连接，下滑块14顶部开有通孔50，质量块13顶部开有通孔51，下滑块14和质量块13通过螺栓螺母连接，长连杆11、直线轴承12、质量块13和下滑块14共同构成俘能器的直线运动部分；

进一步：光轴9首端与底座中心孔21过盈配合，尾端与端盖中心通孔34过渡配合，端盖侧面开通孔35，螺栓螺母通过通孔35改变端盖中心通孔34的大小，使光轴9与端盖15固定，在端盖15侧面开有螺纹孔46，底座5侧面开有螺纹孔47，端盖15和底座5通过螺钉连接，底座5、光轴9、端盖15共同构成俘能器的支撑部分；

进一步：底座5顶部开有通孔42，外壳16顶部开有通孔43，底座5和外壳16之间通过螺栓螺母连接，端盖15开有通孔44，外壳盖19开有通孔45，端盖15和外壳盖19之间通过螺栓螺母连接，外壳16侧面开有螺纹孔48，外壳盖19侧面开有螺纹孔49，外壳16和外壳盖19通过螺钉连接，外壳16正面和旋转门17通过门上铰链18同轴心连接，外壳16背面与透明塑料板20用强力胶固定，外壳16、旋转门17、门上铰链18、外壳盖19、透明塑料板20共同构成俘能器的保护部分；

进一步：压电梁1所俘获的电能通过导线由外壳导线孔52引出。

本实施例中俘能器存在工作模式和停机模式，在工作前使用圆锥销8将上滑块6和光轴9固定时，俘能器进入工作模式，此时可以通过调整圆锥销8的位置改变上滑块6与光轴9的相对位置来更改工作档位，上滑块6通过短连杆7确定上铰链4相对于底座5的位置，改变***零势能时俘能器的结构，从而改变俘能器的双稳态间的阱间势垒；结合图2以及本领域的相关知识可以得出，无外力静态平衡时，下滑块14的位置为***零势能点，有外力静态平衡时，下滑块14和下铰链10在同一直线上时为***势能峰值点；在***的零势能点，下滑块14与下铰链10的垂直距离越大，下滑块14直线运动时遇到压电梁1提供的弹性力越大；而圆锥销8不与上滑块6上的通孔连接时，俘能器进入停机模式，该模式分为两种情况：当圆锥销8被拔出时，此时上铰链4可以相对于底座5可以自由旋转，下滑块14的直线移动将不会引起压电梁1的形变，因此不会输出任何电能；当圆锥销8连接光轴下通孔40和下滑块正通孔41时，下滑块14被完全固定，此时俘能器全部组件相对外壳均处于静止状态，压电梁1与外壳16侧面平行，此时俘能器发电部分的体积很小，同样也不会输出任何电能；除此之外通过改变质量块13的重量可以改变俘能器的固有频率。

如图4所示的俘能器处于工作模式时，其工作环境中的振动传递给外壳16，致使下滑块14沿光轴9做直线运动，当积累的振动能足够突破阱间势垒时下滑块14做双稳态阱间运动，反之则做单稳态阱内运动；上铰链4相对底座5固定，限制压电梁1首端的位置，而下滑块14的运动经过长连杆11和下铰链10传递给压电梁1末端，将周期性的直线运动转换为梁末端的周期性摆动，压电梁1发生周期性弹性变形，梁上的压电材料2可将振动能转为电能并通过导线供给耗电设备。对称分布的压电梁1在工作模式中发生了弹性变形，为直线运动部分提供了几何型非线性回复力，代替了传统双稳态俘能器中线性伸缩弹簧和磁铁的使用，使得俘能器结构简单紧凑、工作平稳、有效避免了磁铁产生的电磁干扰，较于线性回复力，非线性回复力可以拓宽俘能器的工作频带，使其环境适应能力、工作性能提高。

当俘能器处于上档位时，此时上铰链4与光轴9之间的夹角较其它档位的时候最小，下滑块14零势能点与势能峰值点距离最远，双稳态间的势垒最大，在双稳态运动时压电梁的形变大，产生的电能多。

当俘能器处于下档位时，此时上铰链4与光轴9之间的夹角较其它档位的时候最大，下滑块14零势能点与势能峰值点距离最近，双稳态间的势垒最小，对环境振动的加速度和频率要求更低，但是在双稳态运动时压电梁的形变小，产生的电能也相应减小，因此在俘能器工作过程中应合理选择工作档位，使其在能实现双稳态的前提下使压电梁形变更大，转换更多电能。

本发明在可以改变上滑块6上孔的位置与数量，也可以改变长连杆11和短连杆7的长度与结构，从而调整俘能器双稳态间的阱间势垒，也可以改变压电梁1和压电材料2的位置和数量及连接方式，使俘能器实现大发电量，具有应用性更强的特点。本发明具有激励方式简单、运行稳定、结构简单、携带方便、频带宽、效率高的优点，可广泛应用于俘获汽车振动能、海浪动能、人体运动能(肢体运动)等，从而为交通工具状态监测、气象监测、人体健康监测等低功耗设备供电。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器，其特征在于：俘能器由发电部分、锁结构、直线运动部分、支撑部分和保护部分五大部分组成；其中发电部分包括压电梁(1)、上铰链(4)、下铰链(10)，压电梁(1)包括弹性基体(3)和压电材料(2)；锁结构包括上滑块(6)、短连杆(7)和圆锥销(8)；直线运动部分由长连杆(11)、直线轴承(12)、质量块(13)和下滑块(14)组成；支撑部分由底座(5)、光轴(9)、端盖(15)组成；保护部分由外壳(16)、旋转门(17)、门上铰链(18)、外壳盖(19)、透明塑料板(20)组成。

2.根据权利要求1所述的一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器，其特征在于：在锁结构中当圆锥销(8)被拔出时，发电部分和运动部分分别发生刚体转动和直线运动，组成一个折叠结构，压电梁(1)没有弹性形变；当圆锥销(8)将运动部分和光轴(9)固定，压电梁(1)同样没有弹性形变，这两种情况均为俘能器的停机模式，不输出电能。

3.根据权利要求1所述的一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器，其特征在于：调整锁结构中圆锥销(8)的位置，可以改变俘能器的工作档位，此时上滑块(6)和光轴(9)相对固定，导致上铰链(4)和底座(5)相对固定，锁机构发挥锁功能，运动部分发生直线运动强迫发电部分的压电梁(1)发生弹性变形，此时为俘能器的工作模式，可输出电能。

4.根据权利要求1所述的一种可折叠的直线型双稳态低频压电俘能器，其特征在于：在俘能器的工作模式下，对称分布的压电梁(1)发生弹性变形，为直线运动部分提供了几何型非线性回复力，使得俘能器运行稳定，结构简单紧凑。

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