一种组合式压电发电机的制作方法

本发明属于压电发电与能量回收技术领域，具体涉及一种组合式压电发电机。

背景技术：

利用压电材料正压电效应收集环境能量发电、构造微小型俘能器或称压电发电机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、河流等流体能等。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，但基本都是利用单体压电振子的双向弯曲变形发电的，工作中压电晶片承受交替的拉压应力作用；由于脆性压电材料耐压不耐拉、即许用拉应力远低于许用压应力，工作中压电振子中的压电晶片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压电振子上附加质量的惯性力实现弯曲变形发电的，其基频及带宽等动力学参数的调节范围有限、甚至不可调节，故环境适应性差。因此，为使压电俘能器得以推广应用，首先需解决的问题是提高其可靠性和环境适应性。

技术实现要素：

针对现有压电发电机利用单体压电振子双向弯曲变形导致可靠性低、环境适应性差等弊端，本发明提出一种组合式压电发电机，本发明采用的实施方案是：底座上设有耳板、上限位框和下限位框，上限位框和下限位框上经螺钉安装有缓冲簧片，耳板上经螺钉和压块安装有激励簧片和压电振子，激励簧片两侧的压电振子数量相等，激励簧片与其相邻的压电振子之间、以及两个相邻的压电振子之间压接有垫片；压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子自由端经螺钉安装有顶块，顶块安装在基板的一侧，顶块的自由端顶靠在激励簧片上，激励簧片两侧的顶块对称配置。

压电振子安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；非工作时压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半，此时压电振子端部的合理弯曲变形量为

其中：b＝1-α+αβ，a＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/h，β＝em/ep，hm为基板的厚度，h为压电振子的总厚度，em和ep分别为基板和压电片材料的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，l为压电振子的长度。

非工作时，激励簧片上下两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同，激励簧片不发生弯曲变形；工作时，即激励簧片的自由端受外力作用并产生弯曲变形时，激励簧片经顶块迫使压电振子产生单向弯曲变形：当激励簧片一侧的压电振子的弯曲变形量逐渐增加时，另一侧压电振子弯曲变形量逐渐减小，压电片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；外力较大时，激励簧片的自由端先与缓冲簧片接触并使缓冲簧片发生弯曲变形，然后再逐渐与上限位框或下限位框接触，此时激励簧片与压电振子的变形量达到最大、压电片上的最大应力不超过压电材料的许用压应力。

优势与特色：工作中压电片仅承受压应力并通过缓冲簧片和限位框控制压电振子最大变形量，故可靠性高、适于高强度及大振幅的场合；激励簧片同步激励多压电振子，发电及供电能力强。

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a-a剖视图。

具体实施方式

底座a上设有耳板a1、上限位框a2和下限位框a3，上限位框a2和下限位框a3上经螺钉安装有缓冲簧片h，耳板a1上经螺钉和压块b安装有激励簧片c和压电振子d，激励簧片c两侧的压电振子d的数量相等，激励簧片c与其相邻的压电振子d之间、以及两个相邻的压电振子d之间压接有垫片f；压电振子d由基板d1和压电片d2粘接而成，压电振子d的自由端经螺钉安装有顶块e，顶块e安装在基板d1的一侧，顶块e的自由端顶靠在激励簧片c上，激励簧片c两侧的顶块e对称配置。

压电振子d安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；非工作时压电片d2上的最大压应力为其许用压应力的一半，此时压电振子端部的合理弯曲变形量为

其中：b＝1-α+αβ，a＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/h，β＝em/ep，hm为基板的厚度，h为压电振子的总厚度，em和ep分别为基板d1和压电片d2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为压电振子d的长度。

非工作时，激励簧片c上下两侧的压电振子d的变形和受力状态分别相同，激励簧片c不发生弯曲变形；工作时，即激励簧片c的自由端受外力f作用并产生弯曲变形时，激励簧片c经顶块e迫使压电振子d产生单向弯曲变形：当激励簧片c一侧的压电振子d的弯曲变形量逐渐增加时，另一侧压电振子d弯曲变形量逐渐减小，压电片d2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；外力f较大时，激励簧片c的自由端先与缓冲簧片h接触并使缓冲簧片h发生弯曲变形，然后再逐渐与上限位框a2或下限位框a3接触，此时激励簧片c与压电振子d的变形量达到最大、压电片d2上的最大应力不超过压电材料的许用压应力。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种组合式压电发电机，属压电发电领域。底座的上下限位框上装有缓冲簧片，底座的耳板上装有激励簧片和压电振子；压电振子由基板和压电片粘接而成，安装在压电振子自由端的顶块顶靠在激励簧片上；压电振子安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；非工作时，压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半，激励簧片上下两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同，激励簧片不发生弯曲变形；外力较大时，激励簧片自由端先与缓冲簧片接触后再逐渐与上限位框或下限位框接触。优势特色：压电片仅承受压应力且采用缓冲与限位机构，可靠性高、适于高强度及大振幅振动；激励簧片同步激励多压电振子，发电及供电能力强。

技术研发人员：马继杰;费翔;阚君武
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2017.08.17
技术公布日：2017.11.03