CN117155163A - 一种双向逆振压电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向逆振压电发电机，属新能源领域；包括机架及内外动子，外动子由外摆体、外环架及换能器构成；内动子由内摆体、内定块及内弹摆构成；外摆体由外套筒与外摆臂构成；外环架的内外环板经座梁相连；外环板装在外套筒两端，换能器装在座梁上，外摆臂上装有外定块及由外弹片与外摆块构成外弹摆；内摆体由内套筒与带延展臂的内摆臂构成，内套筒两端外缘上均布有轴平面，延展臂上装有内定块及内弹摆；内外动子经定轴安装在机架上；内套筒和延展臂分别位于外筒腔的内外两侧，换能器端部顶靠在内套筒上；内外摆臂各经一对弹簧与机架相连；工作中，内外动子受惯性力作用绕定轴互逆摆转，内套筒迫使换能器往复弯曲变形发电。

Description

一种双向逆振压电发电机

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种双向逆振压电发电机，用于自然环境监测、载运工具定位跟踪及状态监测等***的自供电。

背景技术

船舶、车辆及航天器等载运工具的定位跟踪***的开发与应用已逐步获得日益广泛的关注，其推广应用将为安全行驶、及时救援、以及失联搜救等提供有力的保障。现有定位跟踪***都是基于发动机供电且外置的，发动机受损或被关闭时定位跟踪***均无法工作。故为确保载运工具定位***安全可靠地工作，需要有独立的自供电电源且需被隐秘、密闭地安装，只要载运工具正常行驶，发电机及定位跟踪***均可正常工作。此外，海洋、江河湖泊、森林及草原等生态监测也需要实时的电力供应，现有常规供电方法都不利于海洋监测技术的推广与有效利用：电池供电则需要经常更换，铺设电缆供电则成本高、可移动性差、不便大面积应用。

为实现自然环境及载运工具监测***的自供电需求，人们提出了功能各异的微小型压电式发电机用于收集环境能发电；但现有发电机大都仅适于大振幅激励发电且频带较窄，不适于微幅震荡环境的能量回收与利用。

发明内容

一种双向逆振压电发电机，由机架、外动子、内动子构成，外动子和内动子经定轴安装在机架上，定轴的两端分别固定在架前壁和架后壁上，外动子和内动子套装在定轴上并可绕定轴相对摆动；外动子和内动子分别经一对外弹簧和一对内弹簧与机架相连；外动子经外上簧和外下簧与机架相连，外上簧的上下两端分别与架顶壁和外动子相连、外下簧的上下两端分别与外动子和架底壁相连；内动子经内上簧和内下簧与机架相连，内上簧的上下两端分别与架顶壁和内动子相连，内下簧的上下两端分别与内动子和架底壁相连。

外动子由外摆体、外环架、换能器、电路板、外定块及外弹摆构成，外弹摆由外弹片与其端部的外摆块构成，外摆块经螺钉固定在外弹片的一端，外定块和外摆块为用于调节***固有频率的质量块；换能器由弹性片与其一侧的压电片粘接而成。

外摆体由外套筒与其一侧所设置的外摆臂构成，外套筒的另一侧设有外筒槽，外筒槽与外筒腔连通；外摆臂厚度方向的中界面经过外筒腔的轴线。

外环架由外环板、内环板及一组座梁构成，外环板和内环板经其圆周方向均布的座梁相连接，座梁与外环板和内环板的轴线平行；外环板的中心处设有外轴孔，座梁与内环板外缘距离外轴孔中心的距离相等，座梁上设有用于安装换能器的座槽，座槽沿座梁的长度方向开设，座槽与外环板和内环板的轴线平行。

外环架安装在外套筒的两端，外环板经螺钉安装在外套筒的端部，内环板置于外筒腔内，内环板及座梁的外缘顶靠在外套筒的内侧，外摆体两端外环架上的座槽正对安装；换能器的一端经压板和螺钉安装在座梁上，换能器的端部置于座槽内并经压板和螺钉固定；外摆体两端的换能器正对安装，即外摆体两端外环架上的换能器在外环板上的投影相互重叠；外定块及外弹摆经螺钉安装在外摆臂上，外弹摆的外弹片经螺钉安装在在外摆臂上，外定块及外摆块位于外摆臂厚度方向的同侧，外定块及外摆块位于经过外摆臂和外轴孔轴心的平面的同一侧；电路板经螺钉安装在外环板的内侧。

内动子由内摆体、内定块及内弹摆构成，内弹摆由内弹片与其端部所安装的内摆块构成，内摆块经螺钉安装在内弹片的端部；内定块和内摆块为用于调节***固有频率的质量块。

内摆体由带有内轴孔的内套筒与其一侧设置的内摆臂构成，内摆臂的端部设有延展臂，内摆臂与延展臂构成T字型结构，内摆臂与内套筒垂直；内摆臂厚度方向的中界面经过内轴孔的轴线；内套筒两端的外缘上都均布有数量相同的轴平面，轴平面与内轴孔的轴线平行，各个轴平面与内轴孔的距离相等；两个圆周方向相邻的轴平面之间经轴弧面相连，轴弧面的弧长可为零；内套筒上同一端的两个圆周方向上相邻的轴平面间的夹角为Q1=360/n，内套筒两端的轴平面间的夹角为Q2=180/n，即内套筒两端的轴平面在同一横截面的投影中的相邻轴平面间的夹角为Q2=180/n，n为内套筒一端所设置的轴平面的数量。

内定块及内弹摆经螺钉安装在内摆臂的延展臂上，内弹摆的内弹片经螺钉安装在延展臂上，内定块及内摆块位于内摆臂同侧，即内定块及内摆块位于经过内摆臂和内轴孔轴心的平面的同侧。

外动子和内动子分别经外轴孔和内轴孔安装在定轴上，即外动子的外轴孔和内动子的内轴孔套在定轴上；内套筒和延展臂分别位于外筒腔的内部和外部，内摆臂经外筒槽从外筒腔中伸出，内摆臂两侧的换能器的自由端都顶靠在内套筒的外缘上，换能器自由端的弹性片顶靠在内套筒的外缘上；内摆臂两侧的换能器的自由端不同时顶靠在内摆体轴平面或轴弧面上，即一侧的换能器顶靠在轴平面上时另一侧换能器顶靠在轴弧面上，内摆臂一侧换能器的变形量最大时另一侧换能器的变形量最小，以确保内套筒两端换能器对内套筒的反作用力矩方向相反，减小驱动阻力；换能器的变形量最小时，换能器的弹性片与轴平面接触但无相互作用力；外动子的外摆臂经一对外弹簧与架顶壁及架底壁相连，内动子的延展臂经一对内弹簧与架顶壁及架底壁相连；外动子上的质量块位于定轴的一侧、内动子上的质量块位于定轴另一侧，即：外定块及外摆块位于经过外摆臂厚度方向中界面及定轴轴线的平面的同一侧，内定块及内摆块位于经过内摆臂厚度方向中界面及定轴轴线的平面的同一侧，且外定块和外摆块与内定块和内摆块分别位于定轴两侧，如外定块和外摆块与内定块和内摆块分别位于经过定轴轴线的水平面的上下两侧，以便发电机运动过程中外动子和内动子产生相互的逆向摆动，逆向摆动是指一个动子逆时针方向摆动、另一个动子顺时针方向摆动，进而增加两个动子的相对摆动幅度。

本发明中，外动子与外弹簧构成两自由度***，内动子和内弹簧构成两自由度***，外动子、外弹簧、内动子及内弹簧构成4自由度***。

非工作的自然状态下，外摆臂和内摆臂处于经过定轴轴线的同一水平面内，即其厚度方向的对称中界面为经过定轴轴线的同一平面内；环境中存在振动时，发电机沿某一方向运动，外动子和内动子承受与机架运动方向相反的惯性力并绕定轴互逆摆转；因外动子和内动子上的质量块位于定轴的两侧，外动子和内动子产生互逆摆转；如图1所示，外动子的质量块位于定轴上方、内动子的质量块位于定轴的下方，发电机向上运动时外动子逆时针转动、内动子顺时针转动，电机向下运动时外动子顺时针转动、内动子逆时针转动；外动子和内动子产生互逆摆转的过程中，内动子的内套筒迫使换能器往复弯曲变形并发电，所生成电能经电路板上的转换电路处理后存储或输出。

本发明中，换能器的平面与内套筒的轴平面平行时换能器的变形量最小、换能器与内套筒的轴弧面接触时换能器的变形量最大，换能器变形量最大时压电片所受的压应力小于其许用值。

本发明中，内套筒一端所激励的换能器的变形量最大时、另一端所激励的换能器变形量最小，内套筒两端所激励的换能器对内套筒的反作用力矩方向相反，减小了激励阻力。

本发明中，发电机用于自然环境监测、载运工具定位跟踪及状态监测等***的自供电；用于自然环境监测时，需将发电机通过弹簧或绳索悬置在风中或水中，收集风、水流或波浪能；用于载运工具定位跟踪及状态监测时，需将发电机固定安装在载运工具上。

优势与特色：两个动子反向扭摆，相对位移大、具有相对振幅放大的功能，适于微幅震荡环境；双动子自身均为两自由度***、进而构成四自由端***，有效频带宽，且***固有频率易于通过弹簧及惯性块安装位置调节，可收集铅垂面内任一方向的振动能发电；压电换能器振幅可控，压电片仅承受幅值可控的压应力，可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2是图1的X-X剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中外动子结构示意图；

图4是图3的Y-Y剖视图；

图5是本发明一个较佳实施例中内动子的结构示意图；

图6是图5的仰视图；

图7是本发明一个较佳实施例中外摆体的结构示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是本发明一个较佳实施例中侧环架的结构示意图；

图10是图9的右视图。

实施方式

一种双向逆振压电发电机，由机架A、外动子B、内动子C构成，外动子B和内动子C经定轴D安装在机架A上，定轴D的两端分别固定在架前壁A3和架后壁A4上，外动子B和内动子C套装在定轴D上并可绕定轴D相对摆动；外动子B和内动子C分别经一对外弹簧和一对内弹簧与机架A相连，外弹簧包括外上簧K1和外下簧K2，内弹簧包括内上簧K3和内下簧K4；外动子B经外上簧K1和外下簧K2与机架A相连，外上簧K1的上下两端分别与架顶壁A1和外动子B相连、外下簧K2的上下两端分别与外动子B和架底壁A2相连；内动子C经内上簧K3和内下簧K4与机架A相连，内上簧K3的上下两端分别与架顶壁A1和内动子C相连，内下簧K4的上下两端分别与内动子C和架底壁A2相连。

外动子B由外摆体a、外环架g、换能器e、电路板p、外定块b及外弹摆E构成，外弹摆E由外弹片c与其端部的外摆块d构成，外摆块d经螺钉固定在外弹片c的一端，外定块b和外摆块d为用于调节***固有频率的质量块；换能器e由弹性片e1与其一侧的压电片e2粘接而成。

外摆体a由外套筒a1与其一侧所设置的外摆臂a2构成，外套筒a1的另一侧设有外筒槽a3，外筒槽a3与外筒腔a0连通；外摆臂a2厚度方向的中界面经过外筒腔a0的轴线。

外环架g由外环板g1、内环板g2及一组座梁g3构成，外环板g1和内环板g2经其圆周方向均布的座梁g3相连接，座梁g3与外环板g1和内环板g2的轴线平行；外环板g1的中心处设有外轴孔g4，座梁g3与内环板g2外缘距离外轴孔g4中心的距离相等，座梁g3上设有用于安装换能器e的座槽g5，座槽g5沿座梁g3的长度方向开设，座槽g5与外环板g1和内环板g2的轴线平行。

外环架g安装在外套筒a1的两端，外环板g1经螺钉安装在外套筒a1的端部，内环板g2置于外筒腔a0内，内环板g2及座梁g3的外缘顶靠在外套筒a1的内侧，外摆体a两端外环架g上的座槽g5正对安装；换能器e的一端经压板f和螺钉安装在座梁g3上，换能器e的端部置于座槽g5内并经压板f和螺钉固定；外摆体a两端的换能器e正对安装，即外摆体a两端外环架g上的换能器e在外环板g1上的投影相互重叠；外定块b及外弹摆E经螺钉安装在外摆臂a2上，外弹摆E的外弹片c经螺钉安装在在外摆臂a2上，外定块b及外摆块d位于外摆臂a2厚度方向的同侧，外定块b及外摆块d位于经过外摆臂a2和外轴孔g4轴心的平面的同一侧；电路板p经螺钉安装在外环板g1的内侧。

内动子C由内摆体h、内定块i及内弹摆F构成，内弹摆F由内弹片j与其端部所安装的内摆块k构成，内摆块k经螺钉安装在内弹片j的端部。

内摆体h由带有内轴孔h0的内套筒h1与其一侧设置的内摆臂h2构成，内摆臂h2的端部设有延展臂h4，内摆臂h2与延展臂h4构成T字型结构，内摆臂h2与内套筒h1垂直；内摆臂h2厚度方向的中界面经过内轴孔h0的轴线；内套筒h1两端的外缘上都均布有数量相同的轴平面h3，轴平面h3与内轴孔h0的轴线平行，各个轴平面h3与内轴孔h0的距离相等；两个圆周方向相邻的轴平面h3之间经轴弧面h4相连，轴弧面h4的弧长可为零；内套筒h1上同一端的两个圆周方向上相邻的轴平面h3间的夹角为Q1=360/n，内套筒h1两端的两个圆周方向上相邻的轴平面h3间的夹角为Q2=180/n，即内套筒h1两端的轴平面h3在同一横截面的投影中的相邻轴平面h3间的夹角为Q2=180/n，n为内套筒h1一端所设置的轴平面h3的数量。

内定块i及内弹摆F经螺钉安装在内摆臂h2的延展臂h4上，内弹摆F的内弹片j经螺钉安装在延展臂h4上，内定块i及内摆块k位于内摆臂h2同侧，即内定块i及内摆块k位于经过内摆臂h2和内轴孔h0轴心的平面的同侧。

外动子B和内动子C分别经外轴孔g4和内轴孔h0安装在定轴D上，即外动子B的外轴孔g4和内动子C的内轴孔h0套在定轴D上；内套筒h1和延展臂h4分别位于外筒腔a0的内部和外部，内摆臂h2两侧的换能器e的自由端都顶靠在内套筒h1的外缘上，换能器e自由端的弹性片e1顶靠在内套筒h1的外缘上；内摆臂h2两侧的换能器e的自由端不同时顶靠在内摆体h轴平面h3或轴弧面h4上，即一侧的换能器e顶靠在轴平面h3上时另一侧换能器e顶靠在轴弧面h4上，内摆臂h2一侧换能器e的变形量最大时另一侧换能器e的变形量最小，以确保内套筒h1两端换能器e对内套筒h1的反作用力矩方向相反，减小驱动阻力；换能器e的变形量最小时，换能器e的弹性片e1与轴平面h3接触但无相互作用力；外动子B的外摆臂a2经一对外弹簧与架顶壁A1及架底壁A2相连，内动子C的延展臂h4经一对内弹簧与架顶壁A1及架底壁A2相连；外动子B上的质量块位于定轴D的一侧、内动子C上的质量块位于定轴D另一侧，即：外定块b及外摆块d位于经过外摆臂a2厚度方向中界面及定轴D轴线的平面的同一侧，内定块i及内摆块k位于经过内摆臂h2厚度方向中界面及定轴D轴线的平面的同一侧，且外定块b和外摆块d与内定块i和内摆块k分别位于定轴D两侧，如外定块b和外摆块d与内定块i和内摆块k分别位于经过定轴D轴线的水平面的上下两侧，以便发电机运动过程中外动子B和内动子C产生相互的逆向摆动，逆向摆动是指一个动子逆时针方向摆动、另一个动子顺时针方向摆动，进而增加两个动子的相对摆动幅度。

本发明中，外动子B与外弹簧构成两自由度***，内动子C和内弹簧构成两自由度***，外动子B、外弹簧、内动子C及内弹簧构成4自由度***。

非工作的自然状态下，外摆臂a2和内摆臂h2处于经过定轴D轴线的同一水平面内，即其厚度方向的对称中界面为经过定轴D轴线的同一水平面内；环境中存在振动时，发电机沿某一方向运动，外动子B和内动子C承受与机架A运动方向相反的惯性力并绕定轴D扭转；因外动子B和内动子C上的质量块位于定轴D的两侧，外动子B和内动子C产生互逆摆转；如图1所示，外动子B的质量块位于定轴D上方、内动子C的质量块位于定轴D的下方，发电机向上运动时外动子B逆时针转动、内动子C顺时针转动，电机向下运动时外动子B顺时针转动、内动子C逆时针转动；外动子B和内动子C产生互逆摆转的过程中，内动子C的内套筒h1迫使换能器e往复弯曲变形并发电，所生成电能经电路板p上的转换电路处理后存储或输出。

本发明中，换能器e的平面与内套筒h1的轴平面h3平行时换能器e的变形量最小、换能器e与内套筒h1的轴弧面h4接触时换能器e的变形量最大，换能器e变形量最大时压电片e2所受的压应力小于其许用值。

本发明中，内套筒h1一端所激励的换能器e的变形量最大时、另一端所激励的换能器e变形量最小，内套筒h1两端所激励的换能器e对内套筒h1的反作用力矩方向相反，减小了激励阻力。

本发明中，发电机用于自然环境监测、载运工具定位跟踪及状态监测等***的自供电；用于自然环境监测时，需将发电机通过弹簧或绳索悬置在风中或水中，收集风、水流或波浪能；用于载运工具定位跟踪及状态监测时，需将发电机固定安装在载运工具上。

Claims (3)

1.一种双向逆振压电发电机，由机架、外动子及内动子构成；外动子由外摆体、外环架、换能器、外定块及外弹摆构成，外弹摆由外弹片与其端部的外摆块构成，换能器由弹性片与其一侧的压电片粘接而成；内动子由内摆体、内定块及内弹摆构成，内弹摆由内弹片与其端部的内摆块构成；外摆体由外套筒与其一侧所设置的外摆臂构成，外套筒的另一侧设有外筒槽；外环架的外环板和内环板经其圆周方向均布的座梁相连，外环板中心处设有外轴孔；外环板装在外套筒两端，内环板置于外筒腔内；换能器一端装在座梁上，外定块及外弹摆装在外摆臂上，电路板装在外环板内侧；内摆体由带有内轴孔的内套筒与带有延展臂的内摆臂构成；内套筒两端外缘上都均布有数量相同的轴平面，圆周上相邻的轴平面经轴弧面相连；内定块及内弹摆装在延展臂上；其特征在于：外轴孔和内轴孔套在定轴上，定轴两端分别固定在架前壁和架后壁上；内套筒和延展臂分别位于外筒腔的内部和外部，内摆臂经外筒槽伸出，内摆臂两侧换能器自由端的弹性片顶靠在内套筒外缘上；外摆臂经一对外弹簧与架顶壁及架底壁相连，延展臂经一对内弹簧与架顶壁及架底壁相连；外动子上的质量块位于定轴的一侧、内动子上的质量块位于定轴的另一侧；非工作时外摆臂和内摆臂处于经过定轴轴线的同一平面内，工作中外动子和内动子承受与机架运动方向相反的惯性力并绕定轴互逆摆转，内套筒迫使换能器往复弯曲变形并发电，所生成电能经转换处理后存储或输出。

2.根据权利要求1所述的一种双向逆振压电发电机，其特征在于：外摆体两端的换能器正对安装；内套筒两端的轴平面间的夹角为180/n，n为内套筒一端所设置的轴平面的数量。

3.根据权利要求1所述的一种双向逆振压电发电机，其特征在于：内摆臂两侧的换能器的自由端不同时顶靠在内摆体轴平面或轴弧面上，内套筒一端换能器的变形量最大时另一端换能器变形量最小，内套筒两端换能器对内套筒的反作用力矩方向相反。