br> (4)各变截面梁采用的是变截面设计，在不改变压电元件形状的基础上，尽量使得压电元件在梁长方向上具有相等的应变，提高了结构机电耦合系数。
[0015]
【附图说明】
[0016]图1是本发明的压电振荡器结构的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的压电振荡器结构的剖视结构示意图；
图3本发明的一个实施例的压电振荡器结构的部分结构示意图。
[0017]图中标记说明:
1:第一变截面梁；2:第一压电元件；3:第一永磁体质量块；4:第一限幅结构；5:螺纹孔;6:圆孔；
I’:第二变截面梁；2’:第二压电元件；3’:第二永磁体质量块；4’:第二限幅结构；5’:第二螺纹孔
2”:第三压电元件；2”’:第四压电元件
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图对本发明的技术方案进行具体说明。
[0019]如图1所示，本实施例的用于振动能量回收的压电振荡器结构包括基础结构和固定在所述基础结构上的压电机电耦合发电单元，所述的压电机电耦合发电单元包括至少一对压电机电耦合发电器:第一变截面梁I和集成在其表面的第一压电元件2，第一永磁体质量块3固定在第一变截面梁I的自由端，第一变截面梁I根部固定在所述的基础结构上，第一变截面梁I自由端厚度小于根部厚度；第二变截面梁I’和集成在其表面的第二压电元件2’，、第二永磁体质量块3’固定在第二变截面梁I’自由端，第二变截面梁I’根部固定在所述的基础结构上，第二变截面梁I’自由端厚度小于根部厚度；所述的第一永磁体质量块3和第二永磁体质量块3’相对面极性相同，并且留有间隙。由于悬臂梁采用变截面设计，在梁长方向上所受的应变基本一致，因此压电元件可以布满整个梁长且得到有效地利用，该设计可以极大地提高结构的机电耦合系数。如图2所示，第一压电元件2、第二压电元件2’只布置在变截面梁的上表面，在具体实施中可根据需要具体计算选择合适的布置方案相应地，变截面梁末端的永磁体质量块，在合理的范围内应越大越好。
[0020]如图1、图2所示，本实施例的压电能量回收装置还包括由不导磁材料制成的第一限幅结构4和第二限幅结构4’，其朝向压电机电耦合发电单元的表面集成有第三压电元件2”、第四压电元件2’”。
[0021]所述的第一变截面梁1、第二变截面梁I’和基础结构由不导磁材料制成。
[0022]所述的第一永磁体质量块3和第二永磁体质量块3’具有不同的质量，所述的第一变截面梁I和第二变截面梁I’轴向长度不同。
[0023]永磁体质量块和变截面梁末端的连接主要可以采用两种方式:方式一是采用焊接方式直接固定在变截面梁末端，但在操作时应采用点焊同时配合冷却液的方式及时降低磁体温度；方式二是在变截面梁末端预留一包磁体的框体，然后将永磁体质量块装配进框体通过过盈配合固定。在装配耦合发电单元时，一般来说两块永磁体质量块之间的距离是预先通过具体应用优化计算得出的，一对非对称的悬臂梁结构在动力学分析上，会出现两个势能最低点。这样一旦外界有比较大的激振力作用在该结构的基础上，永磁体质量块会在两个势能最低点之间来回震荡，增大了压电元件的电压输出。
[0024]图3所示为本实施例部分结构的零部件示意图，机电耦合发电单元由两个图3所示的相似零部件组成，仅仅在变截面梁和永磁体质量块的尺寸上存在差异。在设计微型的发电器时，此零部件除永磁体和压电元件外，应是一个整体，在同一块金属材料上加工成型。如果考虑到加工成本，则可以考虑将基础结构和变截面梁分开加工，再通过沉头螺丝螺栓将它们固定在一起。两块零部件通过螺栓5和螺纹孔5’固定在一起形成带有六面护板形式的盒式装置。在实际设计时，应考虑到装配时永磁体之间的排斥力需要进行微调，可以在结构基础的侧面护板上将圆孔6加工成微椭圆型，这样在装配时可以根据实际情况进行微调。
[0025]图3所示的零部件示意图中，变截面梁下方的护板即为限幅结构4，可以将其等效成刚度系数比较大的悬臂梁结构，厚度相对于内部悬臂梁要厚，另外其末端没有质量块，因此在受到撞击而产生的振动过程中，限幅结构根部的应力会小很多，不容易出现损坏。该限幅结构不再需要额外的保护装置。另外，该限幅结构没有采用变截面设计，压电元件仅需粘贴在结构根部一段范围内即可。一方面可以预留出永磁体质量块撞击点的位置，另一方则因为在结构中间位置，应变已经衰减得比较小，没有必要粘贴压电元件。考虑到压电元件一般采用的是压电陶瓷材料，该材料易脆怕撞击，因此在限幅结构的另一侧表面，一般不再布置压电元件。
[0026]以上结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但本实施例只给出了最简单的一种结构，即一对非对称非线性压电耦合发电结构，且悬臂梁中性面夹角为O。实际上本发明的技术方案并不限于上述实施方式，可以通过增加多对非对称结构或改变中性面夹角来改进装置的实际应用性能。在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在本发明要求保护范围内做出其它各种变化。
【主权项】
1.一种用于振动能量回收的压电振荡器结构，包括基础结构和固定在所述基础结构上的压电机电耦合发电单元，其特征在于，所述的压电机电耦合发电单元包括至少一对压电机电耦合发电器，其中，第一机电耦合发电器包括第一变截面梁(I)、第一永磁体质量块(3)和集成在第一变截面梁(I)表面的第一压电元件(2)，所述的第一永磁体质量块(3)固定在第一变截面梁(I)的自由端，第一变截面梁(I)根部固定在所述的基础结构上，第一变截面梁(I)自由端厚度小于另一端的厚度；第二机电耦合发电器包括第二变截面梁(1’)、第二永磁体质量块(3’)和集成在第二变截面梁(Γ)表面的第二压电元件(2’)，所述的第二永磁体质量块(3’)固定在第二变截面梁(I’)自由端，第二变截面梁(I’)根部固定在所述的基础结构上，第二变截面梁(Γ)自由端厚度小于另一端的厚度；所述的第一永磁体质量块(3 )和第二永磁体质量块(3 ’)相对面极性相同并留有间隙。
2.如权利要求1所述的用于振动能量回收的压电振荡器结构，其特征在于，还包括两个由不导磁材料制成的第一、第二限幅结构(4、4’)，其朝向压电机电耦合发电单元的表面设置有第三、第四压电元件(2 ”、2 。
3.如权利要求1或2所述的用于振动能量回收的压电振荡器结构，其特征在于，所述的第一变截面梁(I)、第二变截面梁(I’)和基础结构由不导磁材料制成。
4.如权利要求1述的用于振动能量回收的压电振荡器结构，其特征在于，一对压电耦合发电器是非对称结构，即所述的第一永磁体质量块(3)和第二永磁体质量块(3’ )具有不同的质量，所述的第一变截面梁(I)和第二变截面梁(I’)轴向长度不同。
【专利摘要】本发明公开了一种用于振动能量回收的压电振荡器结构，包括基础结构和固定在基础结构上的压电机电耦合发电单元，该单元包括至少一对压电机电耦合发电器，其包括变截面梁、永磁体质量块和集成在变截面梁表面的压电元件，永磁体质量块固定在变截面梁的自由端，根部固定在基础结构上，变截面梁自由端厚度小于另一端的厚度；各永磁体质量块相对面极性相同并留有间隙。本发明的压电振荡器结构增加了限幅结构用于回收冲击振动能量，能够保护内部的悬臂梁结构，提高了振动能量回收效率；能回收垂直于中性线的二维平面内的多方向上振动能量；各变截面梁采用的是变截面设计，在不改变压电元件形状的基础上，使压电元件在梁长方向上具有相等的应变，提高了结构机电耦合系数。
【IPC分类】H02N2-18
【公开号】CN104868784
【申请号】CN201510208198
【发明人】吴义鹏, 季宏丽, 裘进浩
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月28日