一种摇摆式多方向压电俘能器的制作方法

本实用新型属于压电发电技术领域，具体涉及一种摇摆式多方向压电俘能器，为船舶定位跟踪系统供电。

背景技术：

船舶定位跟踪系统在民用船舶上已得到广泛应用，为船舶的航行安全、及时救援、以及失联后的搜救等提供了有力的保障。然而，现有的定位跟踪系统都是基于发动机供电的，一旦船舶出现事故使发动机及整个电力系统失效时，定位跟踪系统也失去了其应有的功能。此外，现有的定位跟踪系统都是外置的，船舶失事进水时无法正常工作、船舶被不法分子劫持后定位系统也容易被关闭或破坏。近年来，为确保船舶定位系统安全可靠地工作，人们已经着手研究基于压电材料的自供电装置，称压电发电机或压电俘能器，以便与定位系统集成且被隐秘安装。然而，目前所提出的船舶定位跟踪系统用压电发电机大多直接利用压电振子上的附加质量惯性力激励，故只能收集某一固定振动方向的能量且谐振频率可调性差；最关键是压电振子工作中承受双向激励、产生双向弯曲变形，当船舶在风浪中振动或摇动幅度较大时，脆性压电材料易因所受拉应力过大而破碎。因此，为使压电发电机在船舶定位跟踪系统中得以实际应用，首先需要解决的关键问题是提高其振动方向的适应性、可靠性以及谐振频率的可调性。

技术实现要素：

本实用新型提出一种摇摆式多方向压电俘能器，本实用新型采用的实施方案是：壳体的侧壁端部经螺钉安装有上盖，上盖的下表面上经螺钉安装有定磁片和限位环，限位环的材料为橡胶；壳体的底壁上经螺钉安装有电路板和悬浮磁铁，悬浮磁铁为圆形；电路板上设有能量转换电路及信号发射系统；壳体的左侧壁上设有左上凸台和左下凸台，壳体的右侧壁上设有右上凸台和右下凸台；隔板的两端经螺钉分别安装在左下凸台和右下凸台上，隔板上设有通孔并经螺钉安装有限位环。

左上凸台和右上凸台上都经压板和螺钉安装有两个压电振子和两个垫片，两个垫片夹在两个压电振子的固定端之间；簧片两端的固定段分别压接在左上凸台和右上凸台上的两个垫片之间，簧片两端的固定段之间经两段窄簧连接有宽簧；宽簧上经螺钉安装有两个夹板、一个动磁片和一个惯性块，两个夹板对称地夹在宽簧的上下两侧，动磁片置于宽簧上方且与定磁片的同性磁极相对安装，动磁片直径小于定磁片直径；惯性块为T形结构，惯性块上直径较小的一端固定在宽簧下方的夹板上、直径较大的一端经螺钉安装有被悬磁铁，被悬磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装，被悬磁铁的直径小于悬浮磁铁的直径。

压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近垫片安装，压电振子自由端顶靠在夹板上，但二者间无相互作用力；压电振子安装前后均为平直结构，压电振子自由端的许用弯曲变形量为其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为基板厚度，H为压电振子总厚度，E_m和E_p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为压电振子的悬臂长度。

非工作状态下，即环境中无振动时，压电振子及簧片均为原始的平直状态、不发生弯曲变形；当环境中存在垂直方向的振动时，惯性块带动夹板上下振动；当环境中出现其它方向振动时，惯性块带动夹板摆动；夹板的任何位置变动都将改变夹板与压电振子的接触点，从而改变压电振子的变形量及其压电片上的应力分布状态，压电片上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；当惯性块及夹板的振动或摆动幅度较大并使压电振子自由端与限位环靠近但未接触时，定磁片与动磁片间的排斥力或悬浮磁铁与被悬磁铁间的排斥力具有缓冲作用；当压电振子自由端与限位环接触时，压电振子自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片上的最大压应力小于其许用值。

本实用新型中，压电振子的变形特性由惯性块质量、簧片结构尺度及夹板结构尺度共同确定，故俘能器的基频易通过上述要素及参数加以调整，从而实现与船舶颠簸振动频率相匹配；因压电振子自身基频远高于船舶的颠簸振动频率，故压电振子始终工作在一阶模态下，发电效果较好；此外，压电振子工作中仅承受惯性块及夹板的单向激励，且该激励方向使压电片承受压应力，压电振子在依靠其自身弹性力恢复变形时压电片上将不会出现拉应力或拉应力较小，故可靠性高。

优势与特色：可收集船舶航行时任意方向的颠簸和振动能量发电，环境适应能力强；压电振子自身无附加质量、基频高，可确保工作在一阶模态下，发电效果好，且系统基频易于通过惯性块及簧片结构尺度调节；工作中压电振子仅承受单向激励、产生单向弯曲变形，压电片仅承受压应力或所承受的拉应力较小，故可靠性高。

附图说明

图1是本实用新型一个较佳实施例中俘能器的结构剖面图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本实用新型一个较佳实施例中簧片的结构示意图。

具体实施方式

壳体a的侧壁端部经螺钉安装有上盖b，上盖b的下表面上经螺钉安装有定磁片x和限位环z，限位环z的材料为橡胶；壳体a的底壁a1上经螺钉安装有电路板c和悬浮磁铁d，悬浮磁铁d为圆形；电路板c上设有能量转换电路及信号发射系统；壳体a的左侧壁a2上设有左上凸台a3和左下凸台a4，壳体a的右侧壁a2’上设有右上凸台a3’和右下凸台a4’；隔板t的两端经螺钉分别安装在左下凸台a4和右下凸台a4’上，隔板t上设有通孔并经螺钉安装有限位环z。

左上凸台a3和右上凸台a3’上都经压板e和螺钉安装有两个压电振子f和两个垫片g，两个垫片g夹在两个压电振子f的固定端之间；簧片h两端的固定段h1分别压接在左上凸台a3和右上凸台a3’上的两个垫片g之间，簧片h两端的固定段h1之间经两段窄簧h2连接有宽簧h3；宽簧h3上经螺钉安装有两个夹板i、一个动磁片y和一个惯性块j，两个夹板i对称地夹在宽簧h3的上下两侧，动磁片y置于宽簧h3的上方且与定磁片x的同性磁极相对安装，动磁片y的直径小于定磁片x的直径；惯性块j为T形结构，惯性块j上直径较小的一端固定在宽簧h3下方的夹板i上、直径较大的一端经螺钉安装有被悬磁铁k，被悬磁铁k与悬浮磁铁d的同性磁极相对安装，被悬磁铁k的直径小于悬浮磁铁d的直径。

压电振子f由基板f1和压电片f2粘接而成，基板f1靠近垫片g安装，压电振子f自由端顶靠在夹板i上，但压电振子f与夹板i之间无相互作用力，压电振子f安装前后均为平直结构；压电振子f自由端许用变形量为其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为基板f1的厚度，H为压电振子f总厚度，E_m和E_p分别为基板f1和压电片f2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f的悬臂长度。

非工作状态下，即环境中无振动时，压电振子f及簧片h均为原始的平直状态、不发生弯曲变形；当环境中存在垂直方向的振动时，惯性块j带动夹板i上下振动；当环境中出现其它方向振动时，惯性块j带动夹板i摆动；夹板i的任何位置变动都将改变夹板i与压电振子f的接触点，从而改变压电振子f的变形量及其压电片f2上的应力分布状态，压电片f2上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；当惯性块j及夹板i的振动或摆动幅度较大并使压电振子f自由端与限位环z靠近但未接触时，定磁片x与动磁片y间的排斥力或悬浮磁铁d与被悬磁铁k间的排斥力具有缓冲作用；当压电振子f自由端与限位环z接触时，压电振子f自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片f2上的最大压应力小于其许用值。

本实用新型中，压电振子f的变形特性由惯性块j的质量、簧片h的结构尺度及夹板i的结构尺度共同确定，故俘能器的基频易通过上述要素及参数加以调整，从而实现与船舶颠簸振动频率相匹配；因压电振子f自身的基频远高于船舶的颠簸振动频率，故压电振子f始终工作在一阶模态下，发电效果较好；此外，压电振子f工作中仅承受惯性块j及夹板i的单向激励，且该激励方向使压电片f2承受压应力，压电振子f在依靠其自身弹性力恢复变形时压电片f2上将不会出现拉应力或拉应力较小，故可靠性高。