一种曲面压电发电悬臂梁的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种曲面压电发电悬臂梁，包括：曲面压电振子、自由端质量块、固定支撑端、安装垫片和螺栓，其中：所述曲面压电振子由三部分依次相连且光滑过渡，分别为振子安装平面、变支撑曲面和悬臂伸出平面；所述悬臂伸出平面与自由端质量块连接；所述振子安装平面与所述固定支撑端通过安装垫片由螺栓连接，布置在旋转装置上作为发电器件，可以根据旋转速度变化实现固有频率的自适应变化，使得发电装置固有频率范围增加，从而增加发电量。
【专利说明】一种曲面压电发电悬臂梁
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于小功率发电领域，具体涉及一种曲面压电发电悬臂梁。
【背景技术】
[0002]压电材料发现以来，其发电特性广泛用于各种特定场合，包括用其将应力转化为电能的性质形成的应变测试器件、直接用撞击压电材料产生瞬时高电压形成的各类点火器件和电子引信器件、利用压电陶瓷形成的压电悬臂梁弯曲发电供给各类电子器件所形成的电子供电器件等。而压电悬臂梁结构作为一种最简单的压电发电结构，已经得到了广泛的研究与应用，压电悬臂梁用于发电一般有两种工作状态，一种是工作在非共振频率下，由其受力产生的变形引起压电陶瓷产生应力与应变结合压电效应形成发电能力，另外一种是工作在其共振频率下，此时机械能转化为电能的效率大幅提高，但在一些特殊的场合下外界激励时刻发生变化，不容易实现压电悬臂梁在共振状态下工作。而在做回转运动的装置上安装的压电悬臂梁受力情况则比较特殊，可以通过特殊结构的设计使得压电悬臂梁的固有频率发生改变，适应外界的回转运动，该类压电悬臂梁发电装置的效率有明显的提升空间。
【发明内容】
[0003]为了解决目前安装在旋转机构上的压电悬臂梁发电装置固有频率恒定、无法在变化的运动条件下保持悬臂梁系统处于共振状态所引起的发电效率低下的问题，提出了一种曲面压电发电悬臂梁结构，该曲面压电悬臂梁由曲面压电振子、自由端质量块和固定支撑端构成，所述曲面压电发电悬臂梁结构的固定支撑端固定在做回转运动的机构上，系统利用回转运动发电，在转动速度发生变化时，所述曲面压电振子与固定支撑端接触，自由长度发生变化，刚度改变，系统的共振频率随之变化使之具有更宽的共振频率范围，可提高压电发电效率。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0005]本发明一种曲面压电发电悬臂梁，包括曲面压电振子、自由端质量块、固定支撑端、安装垫片和螺栓，其中:
[0006]曲面压电振子由三部分依次相连且光滑过渡，分别为振子安装平面、变支撑曲面和悬臂伸出平面；所述悬臂伸出平面与自由端质量块连接；所述振子安装平面与所述固定支撑端上的固定安装面通过安装垫片由螺栓连接；所述变支撑曲面与振子安装平面相交于第一交线；所述变支撑曲面与悬臂伸出平面相交于第二交线；所述第一交线与所述第二交线平行且垂直于压电振子的侧表面。
[0007]所述曲面压电振子的变支撑曲面为二次曲面；所述变支撑曲面长度与所述振子安装平面长度之和小于固定支承端上的固定安装面长度，以便最大发挥曲面压电振子形变引起系统整体刚度变化，增加系统固有频率范围；所述曲面压电振子的长度除去所述曲面压电振子与所述自由端质量块配合长度后剩余长度大于所述固定安装面沿曲面压电振子安装方向的长度，从而保证发电装置安装后自由端质量块与固定支撑端不发生干涉。
[0008]所述曲面压电振子采用由一片压电薄片材料粘贴在弹性基板上形成的单晶片压电振子，或采用由两片压电薄片材料粘贴在弹性基板两侧形成的双晶片压电振子，采用双晶片压电振子可以提高系统的发电能力。
[0009]所述曲面压电振子上的压电薄片材料长度方向第一端位于所述变支撑曲面上，或与所述弹性基板第一端重合，在增加发电面积的同时保证了装配工艺性；所述压电薄片材料长度方向第二端位于悬臂伸出平面上。
[0010]使用时，将曲面压电振子上的振子安装平面布置在与回转运动径向垂直的方向上，同时将固定支撑端上的固定安装面指向回转中心。工作时，随着回转运动速度的增加，外界激励频率上升，同时在离心力的作用下曲面压电振子发生弹性变形，所述变支撑曲面与固定支撑端上的固定安装面接触，压电振子的悬臂长度减小刚度增加，系统的共振频率上升，实现了系统的固有频率随着回转运动周期与频率的变化实现自适应调整的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明一种曲面压电发电悬臂梁结构示意图。
[0012]图2是本发明曲面压电振子的示意图。
[0013]图3是本发明各零件与安装关系的示意图。
【具体实施方式】
[0014]参照图1、图2和图3，本发明的曲面压电发电悬臂梁由曲面压电振子1、自由端质量块2、固定支撑端3、安装垫片4和螺栓5构成，其中:
[0015]曲面压电振子I由三部分依次相连且光滑过渡，分别为振子安装平面121、变支撑曲面122和悬臂伸出平面123 ;所述曲面压电振子I 一端通过粘接方式布置有自由端质量块2，另一端固定在固定支撑端3上，通过安装垫片4由第一螺栓51和第二螺栓52固定；所述变支撑曲面122与振子安装平面121相交于第一交线124，所述变支撑曲面122与悬臂伸出平面123相交于第二交线125，所述第一交线124与所述第二交线125平行且垂直于压电振子I的侧表面。
[0016]所述曲面压电振子I的变支撑曲面122为二次曲面；所述变支撑曲面122长度与所述振子安装平面121长度之和小于固定支承端3上的固定安装面31长度；所述曲面压电振子I的长度除去所述曲面压电振子I与所述自由端质量块2配合长度后剩余长度大于所述固定安装面31沿曲面压电振子安装方向的长度。
[0017]所述曲面压电振子I采用由一片压电薄片材料11粘贴在弹性基板12上形成的单晶片压电振子。
[0018]所述曲面压电振子I上的压电薄片材料11长度方向第一端位于所述变支撑曲面122上；所述压电薄片材料11长度方向第二端位于悬臂伸出平面123上。使用时，将曲面压电振子I上的振子安装面121布置在与回转运动径向垂直的方向上，同时将固定支撑端3上的固定安装面31指向回转中心。
【权利要求】
1.一种曲面压电发电悬臂梁，包括:曲面压电振子(I)、自由端质量块(2)、固定支撑端(3)、安装垫片(4)和螺栓(5)，其中:所述曲面压电振子(I)由三部分依次相连且光滑过渡，分别为振子安装平面(121)、变支撑曲面(122)和悬臂伸出平面(123);所述悬臂伸出平面(123)与自由端质量块(2)连接；所述振子安装平面(121)与所述固定支撑端(3)上的固定安装面(31)通过安装垫片(4)由螺栓(5)连接；所述变支撑曲面(122)与振子安装平面(121)相交于第一交线(124);所述变支撑曲面(122)与悬臂伸出平面(123)相交于第二交线(125);所述第一交线(124)与所述第二交线(125)平行且垂直于压电振子(I)的侧表面。
2.根据权利要求1所述的曲面压电发电悬臂梁，其特征在于:所述曲面压电振子(I)的变支撑曲面(122)为二次曲面；所述变支撑曲面(122)长度与所述振子安装平面(121)长度之和小于固定支承端(3)上的固定安装面(31)长度；所述曲面压电振子(I)的长度除去所述曲面压电振子(I)与所述自由端质量块(2)配合长度后剩余长度大于所述固定安装面(31)沿曲面压电振子⑴安装方向的长度。
3.根据权利要求1所述的曲面压电发电悬臂梁，其特征在于:所述曲面压电振子(I)采用由一片压电薄片材料(11)粘贴在弹性基板(12)上形成的单晶片压电振子，或采用由两片压电薄片材料(11)粘贴在弹性基板(12)两侧形成的双晶片压电振子。
4.根据权利要求3所述的曲面压电发电悬臂梁，其特征在于:所述曲面压电振子(I)上的压电薄片材料(11)长度方向第一端位于所述变支撑曲面(122)上，或与所述弹性基板(12)第一端重合；所述压电薄片材料(11)长度方向第二端位于悬臂伸出平面(123)上。
【文档编号】H02N2/18GK104270034SQ201410562726
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】吴越, 涂前进, 陈松, 杨志刚, 田晓超 申请人:吉林大学