一种压电-摩擦-电磁复合振动发电机

1.本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种压电-摩擦-电磁复合振动发电机，用于船舶定位跟踪系统供电，也可用于单纯的海浪、车载等具有多向振动特征的振动能收集。


背景技术：

2.民用船舶定位跟踪系统的开发与应用已逐步获得日益广泛的关注，其推广应用将为船舶的航行安全、及时救援、以及失联后的搜寻等提供有力的保障。然而，所开发船用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预期功能。此外，现有的船用定位跟踪系统都是外置的，船舶失事进水时无法正常工作、或当船舶被不法分子劫持并关闭定位跟踪系统时也无法工作。因此，为确保民用船舶定位系统安全可靠地工作，需要有独立的自供电电源且需被隐秘、密闭地安装在船体中，只要船舶或定位跟踪系统至于江河湖海中发电机及定位跟踪系统即可正常工作。


技术实现要素：

3.一种压电-摩擦-电磁复合振动发电机，主要包括机壳、座板、盖板、激励器、平基振子、曲基振子、托架、线圈、磁铁、惯性块及弹簧。
4.机壳的内腔被带有设有球销孔的隔板分隔成上下腔，上下腔的侧壁分别称为上腔壁和下腔壁；隔板为整体或分体结构，分体结构是指隔板的上方或下方安装辅板，隔板与辅板组装后共同形成球销孔。
5.平基片由外环片与内辐片构成，内辐片在外环片的内圆周上均布，内辐片为扇形；平基振子由平基片的内辐片与内压电片粘接而成；外环片一侧设有垫圈，内辐片的自由端的一侧设有垫块，外环片与垫圈粘接，垫块与其一侧的内辐片铆接或粘接。
6.曲基片由内环片与内环片外圆周上所均布的外辐片构成，外辐片为倾斜的扇形板，外辐片自由端设有翻边，外辐片及翻边向内环版的一侧倾斜，外辐片及翻边向内环版的上方倾斜；曲基振子由曲基片的外辐片与外压电片粘接而成，外压电片粘接在外辐片上方，即外压电片粘接在外辐片上且位于翻边所指向的一侧；曲基片的材料为金属。
7.托架由托板与其上表面所粘接的复合片构成，托板由内环板与外环板构成，外环板向内环板的上方倾斜，外环板的上表面为圆弧面；复合片由电极片与摩擦片粘接而成，电极片为扇形结构，摩擦片为整体的环形结构，电极片与外压电片的圆心角和数量分别相等；复合片的电极片均布粘接在外环板的凸球面上；电极片的材料为金属，摩擦片的材料为尼龙或聚四氟乙烯等非金属材料。
8.激励器的球头一侧设有顶平面、另一侧设有带座板的销杆，顶平面及座板的板面与销杆的轴线垂直。
9.盖板和座板分别经螺钉安装在上腔壁和下腔壁的端部，盖板上经螺钉安装有电路板，座板的中心处镶嵌有线圈，各线圈紧密排列且其上表面形成凹球面。
10.盖板将平基振子的外环片压接在上腔壁的凸台上，上下相邻的平基振子的外环片之经垫圈隔开，内辐片的自由端经垫块隔开，内辐片位于内压电片的下方。
11.激励器的球头置于机壳的隔板上的球销孔内，顶平面和销杆分别位于上下腔中；激励器的顶平面顶靠在最下方平基振子自由端的内辐片或垫块上；平基振子安装后处于平直的自然状态，激励器摆动时平基振子仅向使内压电片承受压应力的方向弯曲变形，平基振子构成压电发电单元i。
12.托架和曲基振子自下而上安装在激励器的座板上，托架的内环板和曲基片的内环片套在销杆上并经螺钉固定在座板上；曲基片与托架的摩擦片靠近安装，外辐片与摩擦片相对根部接触留有微小的间隙，翻边顶靠在机壳的隔板上，安装后曲基振子不发生弯曲变形；曲基振子构成压电发电单元ii，外辐片与复合片构成摩擦发电单元，外辐片和电极片为摩擦发电单元的两个电极。
13.销杆经一组弹簧与下腔壁相连，弹簧沿销杆的圆周方向均布，弹簧的一端固定在销杆上的销套上、另一端固定在下腔壁上，弹簧与销杆垂直，非工作时销杆处于铅垂面内，弹簧距球头中心的距离可调；销杆自由端安装有惯性块，惯性块的下表面为凸球面，惯性块的下表面上镶嵌有磁铁，各磁铁沿惯性块的下表面均布，任意两个相邻磁铁间的最近距离为磁铁的直径，磁铁与线圈的直径相等；磁铁与线圈构成电磁发电单元。
14.本发明的多向摆动发电机包含压电发电单元i和ii、摩擦发电单元和电磁发电单元的全部或部分，发电机固有频率由平基振子、曲基振子、弹簧及惯性块的数量、结构参数及空间位置等共同决定；为获得足够大的摆动惯性力，惯性块及所安装磁铁的质量需足够大且远大于其它器件质量之和。
15.本发明中，发电机结构及参数确定后，仍可通过弹簧到球头中心的距离调节系统的固有频率，激励器沿某一水平方向摆动的固有频率为，式中：ζ为阻尼比，x和y分别为平基振子和曲基振子的自由端到球头中心的水平距离， z为弹簧固定端到球头中心的垂直距离，z为惯性块及所安装磁铁的质心到球头中心的垂直距离，k1和k2分别平基振子和曲基振子的等效弯曲刚度，k3为各弹簧在激励器摆动方向上的等效刚度，激励器摆角较小时k3为弹簧伸缩方向刚度在摆动方向上的投影，m为惯性块及所安装磁铁的质量，l为惯性块及所安装磁铁的质心到球头中心的垂直距离，λ为修正系数。
16.船舶颠簸或摇摆时，激励器因受惯性块的惯性力的作用而往复摆动并通过压电发电单元i、压电发电单元ii、摩擦发电单元和电磁发电单元将机械能转换成电能，所生成的电能经整流后分别输送给电路板，经进一步转换处理后存储或输出。
17.激励器摆动时，球头上方的顶平面推动平基振子并使其弯曲变形，激励器复位时平基振子在自身弹性力的作用下复位，压电发电单元i发电。
18.激励器摆动时，销杆带动托架及曲基振子摆动，曲基振子的自由端顶靠在机壳的隔板上并发生弯曲变形；同时，曲基振子的外辐片还顶靠在托架的摩擦片上；激励器复位时曲基振子在自身弹性力的作用下复位、外辐片与摩擦片脱离接触；曲基振子往复弯曲变形时压电发电单元ii发电，外辐片与摩擦片交替地接触与分离时摩擦发电单元发电。
19.激励器摆动时，惯性块带动磁铁在线圈上方往复运动，线圈切割磁力线，电磁发电单元发电。
20.本发明中，激励器摆动时并通过托架将曲基振子的自由端顶靠在隔板上时，曲基振子的外辐片完全顶靠在摩擦片上，外压电片长度方向各点的拉应力相等且小于其许用拉应力，内压电片长度方向上各点承受不等的压应力且最大压应力小于其许用压应力。
21.优势与特色：将压电发电、电磁发电及摩擦发电有机结合，结构及激励过程简单、单位体积能量密度大、发供电电能力强；可收集船舶任意方向摆动的能量，且系统固有频率易于通过结构参数调整、压电发电单元振子变形可控，故环境适应性强、可靠性高、有效频带宽。
附图说明
22.图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面示意图；图2是本发明一个较佳实施例中机壳的结构示意图；图3是本发明一个较佳实施例中平基振子的结构示意图；图4是图3的俯视图；图5是本发明一个较佳实施例中曲基振子的结构示意图；图6是图5的俯视图；图7是本发明一个较佳实施例中托架的结构示意图；图8是图7的俯视图；图9是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图。
具体实施方式
23.一种压电-摩擦-电磁复合振动发电机，主要包括机壳a、座板b、盖板c、激励器f、平基振子i、曲基振子j、托架h、线圈s、磁铁n、惯性块m及弹簧k。
24.机壳a的内腔被带有设有球销孔a7的隔板a1分隔成上腔a3和下腔a5，上腔a3和下腔a5的侧壁分别称为上腔壁a2和下腔壁a4；隔板a1为整体或分体结构，分体结构是指隔板a1的上方或下方安装辅板a6，隔板a1与辅板a6组装后共同形成球销孔a7。
25.平基片i1由外环片i11与内辐片i12构成，内辐片i12在外环片i11的内圆周上均布，内辐片i12为扇形；平基振子i由平基片i1的内辐片i12与内压电片i2粘接而成；外环片i11一侧设有垫圈d，内辐片i12的自由端的一侧设有垫块e，外环片i11与垫圈d粘接，垫块e与其一侧的内辐片i12铆接或粘接。
26.曲基片j1由内环片j11与内环片j11外圆周上所均布的外辐片j12构成，外辐片j12为倾斜的扇形板，外辐片j12自由端设有翻边j13，外辐片j12及翻边j13向内环版j11的一侧倾斜，外辐片j12及翻边j13向内环版j11的上方倾斜；曲基振子j由曲基片j1的外辐片j12与外压电片j2粘接而成，外压电片j2粘接在外辐片j12上方，即外压电片j2粘接在外辐片j12上且位于翻边j13所指向的一侧；曲基片j1的材料为金属。
27.托架h由托板h1与其上表面所粘接的复合片h2构成，托板h1由内环板h11与外环板h12构成，外环板h12向内环板h11的上方倾斜，外环板h12的上表面为圆弧面；复合片h2由电极片h21与摩擦片h22粘接而成，电极片h21为扇形结构，摩擦片h22为整体的环形结构，电极片h21与外压电片j2的圆心角和数量分别相等；复合片h2的电极片h21均布粘接在外环板h12的凸球面上；电极片h21的材料为金属，摩擦片h22的材料为尼龙或聚四氟乙烯等非金属
材料。
28.激励器f的球头f1一侧设有顶平面f4、另一侧设有带座板f3的销杆f2，顶平面f4及座板f3的板面与销杆f2的轴线垂直。
29.盖板c和座板b分别经螺钉安装在上腔壁a2和下腔壁a4的端部，盖板c上经螺钉安装有电路板p，座板b的中心处镶嵌有线圈s，各线圈s紧密排列且其上表面形成凹球面。
30.盖板c将平基振子i的外环片i11压接在上腔壁a2的凸台上，上下相邻的平基振子i的外环片i11之间经垫圈d隔开，内辐片i12的自由端经垫块e隔开，内辐片i12位于内压电片i2的下方。
31.激励器f的球头f1置于机壳a的隔板a1上的球销孔a7内，顶平面f4和销杆f2分别位于上腔a3和下腔a5中；激励器f的顶平面f4顶靠在最下方平基振子i自由端的内辐片i12或垫块e上；平基振子i安装后处于平直的自然状态，激励器f摆动时平基振子i仅向使内压电片i2承受压应力的方向弯曲变形，平基振子i构成压电发电单元i。
32.托架h和曲基振子j自下而上安装在激励器f的座板f3上，托架h的内环板h11和曲基片j1的内环片j11套在销杆f2上并经螺钉固定在座板f3上；曲基片j1与托架h的摩擦片h22靠近安装，外辐片j12与摩擦片h22的根部间留有微小间隙，翻边j13顶靠在机壳a的隔板a1上，安装后曲基振子j不发生弯曲变形；曲基振子j构成压电发电单元ii，外辐片j12与复合片h2构成摩擦发电单元，外辐片j12和电极片h21为摩擦发电单元的两个电极。
33.销杆f2经一组弹簧k与下腔壁a4相连，弹簧k沿销杆f2的圆周方向均布，弹簧k的一端固定在销杆f2上的销套q上、另一端固定在下腔壁a4上，弹簧k与销杆f2垂直，非工作时销杆f2处于铅垂面内，弹簧k距球头f1中心的距离可调；销杆f2自由端安装有惯性块m，惯性块m的下表面为凸球面，惯性块m的下表面上镶嵌有磁铁n，各磁铁n沿惯性块m的下表面均布，任意两个相邻磁铁n间的最近距离为磁铁n的直径，磁铁n与线圈s的直径相等；磁铁n与线圈s构成电磁发电单元。
34.本发明的多向摆动发电机包含压电发电单元i和ii、摩擦发电单元和电磁发电单元的全部或部分，发电机固有频率由平基振子i、曲基振子j、弹簧k及惯性块m的数量、结构参数及空间位置等共同决定；为获得足够大的摆动惯性力，惯性块m及所安装磁铁n的质量需足够大且远大于其它器件质量之和。
35.本发明中，发电机结构及参数确定后，仍可通过弹簧k到球头f1中心的距离调节系统的固有频率，激励器沿某一水平方向摆动的固有频率为，式中：ζ为阻尼比，x和y分别为平基振子i和曲基振子j的自由端到球头f1中心的水平距离， z为弹簧k固定端到球头f1中心的垂直距离，z为惯性块m及所安装磁铁n的质心到球头f1中心的垂直距离，k1和k2分别平基振子i和曲基振子j的等效弯曲刚度，k3为各弹簧k在激励器f摆动方向上的等效刚度，激励器f摆角较小时k3为弹簧伸缩方向刚度在摆动方向上的投影，m为惯性块m及所安装磁铁n的质量，l为惯性块m及所安装磁铁n的质心到球头f1中心的垂直距离，λ为修正系数。
36.船舶颠簸或摇摆时，激励器f因受惯性块m的惯性力的作用而往复摆动并通过压电发电单元i、压电发电单元ii、摩擦发电单元和电磁发电单元将机械能转换成电能，所生成的电能经整流后分别输送给电路板p，经进一步转换处理后存储或输出。
37.激励器f摆动时，球头f1上方的顶平面f4推动平基振子i并使其弯曲变形，激励器f复位时平基振子i在自身弹性力的作用下复位，压电发电单元i发电。
38.激励器f摆动时，销杆f2带动托架h及曲基振子j摆动，曲基振子j的自由端顶靠在机壳a的隔板a1上并发生弯曲变形；同时，曲基振子j的外辐片j12还顶靠在托架h的摩擦片h22上；激励器f复位时曲基振子j在自身弹性力的作用下复位、外辐片j12与摩擦片h22脱离接触；曲基振子j往复弯曲变形时压电发电单元ii发电，外辐片j12与摩擦片h22交替地接触与分离时摩擦发电单元发电。
39.激励器f摆动时，惯性块m带动磁铁n在线圈s上方往复运动，线圈s切割磁力线，电磁发电单元发电。
40.本发明中，激励器f摆动时并通过托架h将曲基振子j的自由端顶靠在隔板a1上时，曲基振子j的外辐片j12完全顶靠在摩擦片h22上，外压电片j2长度方向各点的拉应力相等且小于其许用拉应力，内压电片i2长度方向上各点承受不等的压应力且最大压应力小于其许用压应力。