[發(fā)明專利]一種寬頻高可靠性壓電梁耦合能量收集裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910740641.3
• 申請(qǐng)日: 2019-08-12
• 公開（公告）號(hào): CN110429863B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫超;陳曦;周毛毛;殷延超;公茂財(cái);農(nóng)時(shí)猛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京康拓紅外技術(shù)股份有限公司;北京航天康拓信息技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 周長琪

本發(fā)明公開一種寬頻高可靠性壓電梁耦合能量收集裝置，由安裝于殼體內(nèi)的多根壓電梁組成，壓電梁相對(duì)端間通過鐵磁性材料的質(zhì)量塊和限位栓連接，對(duì)過沖擊載荷作用下的大變形予以控制。同時(shí)在殼體內(nèi)安裝永磁體在質(zhì)量塊處產(chǎn)生磁場，組成壓電磁彈性結(jié)構(gòu)。在外界振動(dòng)加載條件下，振動(dòng)能量傳入殼體，使壓電梁產(chǎn)生垂直于壓電梁的非線性振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)寬頻帶能量收集；壓電梁末端連接能量收集模塊，由能量收集模塊采集壓電梁振動(dòng)產(chǎn)生的電荷。本發(fā)明具備壓電梁大應(yīng)變、響應(yīng)頻帶寬、電荷輸出高的特性，同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)在振動(dòng)能量采集過程中的可靠性；從而既保證高效的振動(dòng)能量收集能力，又保證結(jié)構(gòu)的長期可靠穩(wěn)定工作狀態(tài)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種能量收集裝置，具體來說是一種寬頻高可靠性壓電梁耦合能量收集裝置。

背景技術(shù)

目前鐵路貨運(yùn)列車車廂沒有電源，如需監(jiān)測貨車車廂在行駛中的狀態(tài)，安置在貨車車廂的傳感器終端則需要自己解決供電問題；根據(jù)貨車車廂在行駛中輪軌接觸能夠提供源源不斷的振動(dòng)能量這一特點(diǎn)，振動(dòng)能量的收集為傳感器的供電問題給出了一種解決思路，基于壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量收集裝置因可提供大應(yīng)變設(shè)計(jì)，高電荷產(chǎn)出，而被廣泛研究，而在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，往往存在大沖擊載荷作用于壓電梁結(jié)構(gòu)，壓電梁根部易發(fā)生疲勞斷裂，存在結(jié)構(gòu)可靠性固有缺陷。對(duì)于鐵路運(yùn)輸線路，輪軌存在意外沖擊載荷的可能，對(duì)安裝在貨車轉(zhuǎn)向架上的振動(dòng)能量收集裝置提出了較高的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求。

研究表明：振動(dòng)能量收集裝置在振動(dòng)環(huán)境中，為保證長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)，振動(dòng)采集裝置的可靠性需要得到充分的保證，才能在實(shí)際工程應(yīng)用中推廣和發(fā)展。

對(duì)壓電梁而言，如采用相對(duì)可靠的結(jié)構(gòu)方式，如簡支或固支結(jié)構(gòu)，其能量收集能力又受到較大的影響，需要給出一種既保證機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，又比較可靠的約束方案來確保壓電梁結(jié)構(gòu)適用于工程實(shí)際。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種振動(dòng)能量收集效率高、振動(dòng)沖擊環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠工作的寬頻高可靠性壓電梁耦合能量收集裝置，在實(shí)現(xiàn)壓電梁大應(yīng)變、寬頻響、電荷輸出高的特性同時(shí)，通過同步耦合約束控制其受大沖擊載荷情況下的過大變形，提高壓電梁式能量收集的結(jié)構(gòu)可靠性，同時(shí)所采用的雙梁耦合結(jié)構(gòu)，保證了采用同一收集電路的電荷收集能力。本發(fā)明解決了鐵路貨運(yùn)車輛車廂在無供電條件下，車廂傳感器終端實(shí)現(xiàn)自供能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)得以監(jiān)控的目的。

本發(fā)明寬頻高可靠性壓電梁耦合能量收集裝置，由電能轉(zhuǎn)化模塊和能量收集模塊組成。

其中，電能轉(zhuǎn)化模塊由至少2根安裝于殼體內(nèi)的壓電梁耦合而成，且壓電梁周向均布，末端固定于殼體上，前端通過連接件耦合，連接件為鐵磁性材料。上述連接件采用質(zhì)量塊；質(zhì)量塊左端與右端設(shè)計(jì)有壓電梁插孔，壓電梁前端插入壓電梁插孔內(nèi)，質(zhì)量塊隨壓電梁振動(dòng)產(chǎn)生橫向位移，且可相對(duì)壓電梁插合面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。壓電梁前端與質(zhì)量塊上開有同軸限位孔；限位孔內(nèi)同軸設(shè)置直徑小于限位孔內(nèi)徑的限位栓；限位栓兩端螺紋安裝有限位栓帽，限位栓帽直徑大于限位孔內(nèi)徑，旋入質(zhì)量塊頂面上設(shè)計(jì)的凹槽內(nèi)；通過限位栓實(shí)現(xiàn)壓電梁與質(zhì)量塊的機(jī)械連接以及限制質(zhì)量塊與壓電梁的相對(duì)滑動(dòng)范圍。

在殼體內(nèi)安裝的永磁體在連接件處產(chǎn)生磁場；在外界振動(dòng)加載條件下，振動(dòng)傳入殼體，使壓電梁產(chǎn)生垂直于壓電梁的非線性振動(dòng)。

壓電梁末端連接能量收集模塊，由能量收集模塊采集壓電梁振動(dòng)產(chǎn)生的電荷。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明寬頻高可靠性壓電梁耦合能量收集裝置，與傳統(tǒng)壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，通過雙梁耦合互鎖設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)壓電梁更寬范圍的配重設(shè)計(jì)、應(yīng)變控制，易于懸臂梁高發(fā)電能力的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，有利于低頻環(huán)境下更多電荷的生成；提升長期可靠工作能力，實(shí)現(xiàn)壓電梁能量收集結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用。