一种旋转型空间凸轮式负泊松比压电俘能器所属
技术领域：
：1.本发明涉及一种压电俘能器，具体涉及一种旋转型空间凸轮式负泊松比压电俘能器，属于振动俘能
技术领域：
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背景技术：
：：2.随着5g技术和物联网的快速发展和广泛应用，对其低功耗传感器网的持续供能问题一直是学者的重点研究方向。目前大多数传感器依然采用电池作为主要供能源，但是电池具有使用寿命有限、更换困难、污染环境等缺点导致在很多场合受到使用制约。因此，亟需寻找一种具有持续性、经济性、环保性的供能方式，其中利用振动能量转变成电能的方式被认为是一种有效的替代方案。截至目前，已经存在很多种利用振动的俘能技术，例如压电式、电磁式和摩擦发电式。其中，压电俘能器因其结构简单、功率密度高、能量转换效率高以及易于制造等优点而备受关注。3.然而，现有技术中的压电俘能器多数需要保证环境的振动维持在一定频率范围内才可以有效的俘能，当环境振动频率等于俘能器的谐振频率时，俘能器的压电材料所受应力或应变最大，使其达到最高输出功率，如文献“nwu,yhe,jfu.bistableenergyharvesterusingeasysnap-throughperformancetoincreaseoutputpower[j].energy,2021,226:120414.”等，此类激发条件限制了俘能器的使用场所。[0004]其次，目前的旋转型压电俘能器大多数将结构直接固定在旋转盘上，如文献“ywang,zyang,dcao.ontheoffsetdistanceofrotationalpiezoelectricenergyharvesters[j].energy,2021,220.”和“gzhou,zli,zzhu,etal.anewpiezoelectricbimorphenergyharvesterbasedonthevortex-induced-vibrationappliedinrotationalmachinery[j].ieee/asmetransactionsonmechatronics,2019,24(2):700-709.”等，当旋转盘高速运转时，带动压电俘能器随之高速旋转，此类设计极易损坏装置，使其寿命变差。另外，为了避免俘能器导线缠绕，需借助滑环，而滑环在工作中会损失电能，导致俘能器输出性能下降。[0005]目前的梁式压电俘能器多数是将压电材料直接粘贴在正泊松比的弹性基体上，如文献“tzhang,mtang,hli,etal.amultidirectionalpendulumkineticenergyharvesterbasedonhomopolarrepulsionforlow-powersensorsinnewenergydriverlessbuses[j].internationaljournalofprecisionengineeringandmanufacturing-greentechnology,2021:1-16.”和“kli,zyang,szhou.performanceenhancementforamagnetic-coupledbi-stableflutter-basedenergyharvester[j].smartmaterialsandstructures,2020,29(8):085045.”等，弹性基体所受的轴向应力为拉(压)应力时，其径向应力为压(拉)应力，故其压电材料所受的总应力会下降，导致压电材料有俘能损耗且俘能模式单一。技术实现要素：[0006]本发明的目的是提供一种旋转型空间凸轮式负泊松比压电俘能器，以解决传统压电俘能器受振动频率限制，俘能效率低，俘能模式单一的问题。[0007]一种旋转型空间凸轮式负泊松比压电俘能器包括上框架、下框架、空间凸轮和压电梁组件；[0008]压电梁的一端通过螺栓螺母和连接板固定在下框架内壁，下框架和上框架通过螺栓螺母连接，空间凸轮通过轴承安装在上框架和下框架的中心孔处，压电梁另一端的滚轮安装在空间凸轮凹槽处。[0009]优选的：压电梁包括弹性基体、压电材料和滚轮，压电材料粘贴在弹性基体的负泊松比位置处，且二者宽度相等，弹性基体的末端开有螺纹孔，螺栓螺母通过弹性基体末端螺纹孔将压电梁固定在连接板上，弹性基体未开螺纹孔的另一端与滚轮连接。[0010]优选的：下框架的内侧面开有螺纹孔用于固定连接板，螺钉通过连接板螺纹孔和下框架螺纹孔使安装有压电梁的连接板固定在下框架内壁上。[0011]优选的：空间凸轮的下旋转轴通过轴承安装在下框架中心孔处，轴承压盖与下框架通过螺钉连接，用于轴承外圈的轴向定位，空间凸轮的上旋转轴通过轴承安装在上框架中心孔处，卡簧与轴承内圈接触，用于轴承内圈的轴承定位，轴承压盖与上框架通过螺钉连接，防止轴承和空间凸轮松动脱开，压电梁末端的滚轮放置在空间凸轮凹槽处。[0012]优选的：下框架和上框架通过螺栓螺母连接，压电梁所俘获的电能通过导线穿过导线孔引出。[0013]本发明与现有产品相比具有以下效果：[0014]1、一种旋转型空间凸轮式负泊松比压电俘能器通过空间凸轮的旋转运动，使与其连接的压电梁实现定幅度变形，压电材料由于正压电效应，将机械能转为电能，该俘能器不受环境振动频率限制，具有激励方式简单、结构新颖等优点；[0015]2、本发明的空间凸轮凹槽可以扩展设计成等加速等减速运动曲线、余弦加速度曲线和多项式运动曲线等，并可以根据凸轮的实际转速设计不同周期的凹槽曲线，同时可阵列安装多个压电梁，该俘能器具有空间利用率高、设计灵活、可系列化的优点；[0016]3、本发明的压电梁弹性基体根据力学超材料的思想设计成负泊松比结构，弹性基体所受的轴向应力和径向应力符号相同，使压电材料受到的总应力变大，传统梁式压电材料多数仅是d31模式，而此发明的压电材料为d31和d32复合模式俘能，有助于提高俘能效率。附图说明[0017]图1是一种旋转型空间凸轮式负泊松比压电俘能器的结构示意图；[0018]图2是压电梁与连接板的爆炸示意图；[0019]图3是图2的a处放大图；[0020]图4是空间凸轮的结构示意图；[0021]图5是空间凸轮与上框架和下框架的连接方式爆炸示意图；[0022]图6是压电梁安装在下框架的走线示意图。[0023]图中：1—下框架、2—上框架、3—空间凸轮、4—压电梁、5—连接板、6—轴承、7—滚轮、8—空间凸轮凹槽、9—弹性基体、10—压电材料、11—弹性基体末端螺纹孔、12—连接板螺纹孔、13—下框架螺纹孔、14—下旋转轴、15—下框架中心孔、16—轴承压盖、17—上旋转轴、18—上框架中心孔、19—卡簧、20—导线孔。具体实施方式[0024]下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。[0025]如图1至图6所示，本发明所述的一种旋转型空间凸轮式负泊松比压电俘能器包括上框架2、下框架1、空间凸轮3和压电梁4组件；[0026]压电梁4的一端通过螺栓螺母和连接板5固定在下框架1内壁，下框架1和上框架2通过螺栓螺母连接，空间凸轮3通过轴承6安装在上框架和下框架的中心孔处，压电梁4另一端的滚轮7安装在空间凸轮凹槽8处。[0027]进一步：压电梁4包括弹性基体9、压电材料10和滚轮7，压电材料10粘贴在弹性基体9的负泊松比位置处，且二者宽度相等，弹性基体9的末端开有螺纹孔，螺栓螺母通过弹性基体末端螺纹孔11将压电梁4固定在连接板5上，弹性基体9未开螺纹孔的另一端与滚轮7连接。[0028]进一步：下框架1的内侧面开有螺纹孔用于固定连接板5，螺钉通过连接板螺纹孔12和下框架螺纹孔13使安装有压电梁4的连接板5固定在下框架1内壁上。[0029]进一步：空间凸轮3的下旋转轴14通过轴承6安装在下框架中心孔15处，轴承压盖16与下框架1通过螺钉连接，用于轴承外圈的轴向定位，空间凸轮3的上旋转轴17通过轴承6安装在上框架中心孔处18，卡簧19与轴承内圈接触，用于轴承内圈的轴承定位，轴承压盖16与上框架2通过螺钉连接，防止轴承6和空间凸轮3松动脱开，压电梁4末端的滚轮7放置在空间凸轮凹槽8处。[0030]进一步：下框架1和上框架2通过螺栓螺母连接，压电梁所俘获的电能通过导线穿过导线孔引出。[0031]弹性基体9的负泊松比处形状不限，可以为内六角阵列形式、手性结构或旋转刚体负泊松比结构等图形。[0032]利用压电梁4末端的滚轮7使空间凸轮3旋转运动转为压电梁4受到交替变化的应力及应变，由于压电材料10的正压电效应，将其机械能转为电能并通过导线供给耗电设备。[0033]压电梁4的运动形式受空间凸轮凹槽8曲线的影响，空间凸轮凹槽形状不限，可以为等加速等减速运动曲线、余弦加速度曲线和多项式运动曲线等。[0034]本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只是没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。当前第1页12当前第1页12