CN103516257A - 可调振动能量采集装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能量采集装置（12）。所述能量采集装置（12）包括：能量转换装置（24），所述能量转换装置配置用于将振动能转换成电能；连接到所述能量转换装置（24）的块（30）；以及连接到所述块（30）的至少一个偏置机构（32）。所述偏置机构（32）可以选择性地调整，并且选择性地调整所述偏置机构（32）将调整所述能量转换装置（24）和块（30）的共振频率。

Description

可调振动能量采集装置和方法

技术领域

本发明的领域总体上涉及能量采集，确切地说，涉及一种可调振动能量采集装置。

背景技术

能量采集是用于回收系统中消散或损失的能量的过程。例如，已知的能量采集方法可用于获取光、热、风、振动、波浪作用、水流等中的能量。在许多已知的系统中，所采集的能量可与电池电力一起用于向电子装置供电。

工业环境中通常使用传感器组件来监测相关机械及其运作的状态。已知的传感器组件通常由电池供电。但是，定期更换电池的人力成本可能限制这些传感器组件的商业可行性，尤其是在传感器处于偏远或难以接近位置时。由于电池的寿命有限，回收电池的能力有限，并且频繁更换电池的成本高昂，因此需要对传感器供电做出改进。

发明内容

在一个实施例中，提供一种能量采集装置。所述能量采集装置包括：能量转换装置，所述能量转换装置配置用于将振动能转换成电能；连接到所述能量转换装置的块；以及连接到所述块的至少一个偏置机构。所述偏置机构可以选择性地进行调整，并且选择性地调整所述偏置结构可以调整所述能量转换装置和块的共振频率。

其中所述偏置机构具有可选择性调整的压缩距离，其中选择性地调整所述压缩距离将调整所述共振频率。

其中所述能量转换装置包括以下其中一项：压电装置、电磁装置、静电装置和磁致伸缩装置。

其中所述压电装置进一步包括第一压电层、第二压电层和介于两者之间延伸的基材。

在一个实施例中，所述至少一个偏置机构包括非线性弹簧。

在另一实施例中，所述至少一个偏置机构包括锥形弹簧。

进一步地，其中所述锥形弹簧包括具有第一直径的第一端和具有第二直径的第二端，所述第二直径大于所述第一直径，所述第一端连接到所述块。

所述的能量采集装置进一步包括致动器，所述致动器配置用于选择性地调整所述偏置机构。

所述的能量采集装置进一步包括外壳，其中所述致动器连接到所述外壳，并且连接到所述至少一个偏置机构中与所述块（30）相对的部分。

其中所述致动器连接到并定位在所述块和所述至少一个偏置机构之间。

所述的能量采集装置进一步包括第一平台和第二平台，所述第一平台和第二平台以可移动方式连接到所述致动器的相对侧；第一偏置机构，所述第一偏置机构连接在所述第一平台与所述块之间；以及第二偏置机构，所述第二偏置机构连接在所述第二平台与所述块之间，其中所述致动器配置用于选择性地调整所述第一平台与所述第二平台之间的距离。

所述的能量采集装置进一步包括感应器，所述感应器配置用于感应以下项中的至少一个：所述致动器的位置、所述偏置机构的压缩距离、所述致动器的发动机转数、以及所述能量采集装置配置用于连接的对象的驱动频率。

所述的能量采集装置进一步包括控制器，所述控制器包括存储器，所述控制器设置成基于存储在所述存储器的共振频率的查找表控制所述致动器。

在另一个实施例中，提供一种系统。所述系统包括传感器和能量采集装置。所述能量采集装置包括能量转换装置、连接到所述能量转换装置的块、至少一个偏置机构、以及致动器。所述致动器配置用于选择性地调整所述至少一个偏置机构，以选择性地调整所述能量转换装置和块的共振频率。所述传感器由所述能量采集装置所产生的电能供电。

其中所述致动器配置用于选择性调整所述至少一个偏置机构的压缩距离以选择性调整共振频率。

其中所述能量转换装置包括以下项中的其中一个：压电装置、电磁装置、静电装置以及磁致伸缩装置。

其中所述致动器配置用于调整所述至少一个偏置机构以机械地调谐共振频率，进而大致上匹配振动频率以最大化所述能量采集装置产生的所述电能。

其中所述感应器连接到产生振动的装置，且所述感应器配置用于提供关于所述产生振动装置的信息给远程监控系统。

其中所述感应器配置用于监控发动机、电机、涡轮机和工业过程中至少其中一个的健康状况。

提供一种从在驱动频率产生振动的装置中采集能量的方法。所述方法包括提供能量采集装置，所述能量采集装置包括配置用于将振动能转换成电能的能量转换装置、连接到所述能量转换装置的块以及连接到所述块的至少一个偏置机构，所述偏置机构可以选择性地进行调整，以调整所述能量转换装置和块的共振频率。所述方法进一步包括将所述能量采集装置连接到所述振动发生装置并且调整所述偏置机构，使得所述共振频率与所述产生振动的装置的驱动频率大体一致。

其中所述调整所述偏置机构包括调整所述偏置机构的压缩距离。

其中所述能量采集装置进一步包括具有存储器的控制器，其中所述调整所述偏置机构的压缩距离包括基于存储在所述存储器内的查找表来调整所述偏置机构的压缩距离。

附图说明

图1是示例性电力系统的方框图；

图2是可用于图1所示电力系统的示例性能量采集装置的示意图；

图3是沿线3-3截取的图2所示能量采集装置的截面图；

图4是可用于图1所示电力系统的替代能量采集装置的截面图；以及

图5是可用于图1所示电力系统的替代能量采集装置的透视图。

具体实施方式

图1是示例性电力系统10的方框图，所述示例性电力系统通常包括可用于向负载14供电的能量采集装置12。能量采集装置12是将各种类型的机械振动能转换成电能的发电装置。例如，能量采集装置12可以使用电机、泵、涡轮机、发动机等产生的振动，具体取决于具体应用。

在示例性实施例中，整流器16将能量采集装置12所产生的变电流或交流电（AC）转换成直流电（DC）信号。作为非限制性实例，通常可以使用半波、全波或倍压整流器以及倍压电路。整流器16释放出的整流电力输出用于向负载14供电。或者，如果能量采集装置12产生的电力不足以满足负载14的供电需求，则可以使用任意储能装置18向负载14辅助供电。在一个实施例中，例如，储能装置18是锂离子电池和/或超级电容器。

图2是采用示例性电机20的示例性电力系统10的示意图，所述示例性电机包括以可旋转方式受轴承箱22支撑的轴21。轴21连接到电机驱动系统23，并且通过旋转向电机驱动系统23供电。电机20的轴承箱22通常在运作期间发生一定程度的振动。电力系统10安置在大体呈圆柱形的外壳26中，所述外壳通过诸如机械紧固件和/或粘合剂等任何已知装置附接到轴承箱22。或者，外壳26可以具有使系统10拥有本说明书所述功能的任何形状或者由任何合适材料制成。

图3是沿线3-3截取的能量采集装置12的截面图。具体来说，在示例性实施例中，能量采集装置12包括外壳26、能量转换装置24、质量块30以及至少一个偏置机构32。在示例性实施例中，能量转换装置24是压电装置28。在替代实施例中，能量转换装置24是使能量采集装置12拥有本说明书所述功能的电磁装置、静电装置、磁致伸缩装置或其他任何装置。

在示例性实施例中，压电装置28是悬臂梁29，所述悬臂梁包括第一端34、第二端36、第一压电层38、第二压电层40和基材42。压电装置28在已知压电材料38和40受到拉伸和压缩时将振动能转换成电能。压电装置28可以由诸如锆钛酸铅（PZT）等任何合适的材料制成。此外，压电装置可以包括使压电装置28拥有本说明所述功能的任意数量的压电层38和40。此外，在替代实施例中，压电装置28可以包括或者不包括基材的单个压电层。

在示例性实施例中，压电装置28从连接到外壳26的基座44延伸。梁29的第一端34连接到基座44，并且第二端36连接到块30。或者，梁29的第一端34可以连接到外壳26，或者直接连接到诸如电机20等振动发生装置。基材42强化第一压电层38和第二压电层40并且增强其上的拉伸和压缩，以增加发电量。在替代实施例中，第一端34和第二端36各自连接到基座44和/或外壳26，块30置于端部34与36之间。

压电装置28和块30具有与其相对于静止状态的振荡偏转对应的共振频率。在示例性实施例中，对压电装置28和块30的共振频率进行机械调谐（即，调整）以与电机20的驱动振动频率大体一致，所述驱动振动频率是电机20在运作期间产生的振动频率。使共振频率与驱动频率一致有助于最大化装置28和块30的振荡偏转，从而增加电力输出。

可以调整或修改压电装置28的设计，以适合作为能量采集源的具体应用或装置。例如，可以更改装置28的设计以优化诸如共振频率调谐范围、电力输出、大小、重量和最小基础加速度等装置特性。例如，不定地选择压电装置28的长度、宽度、厚度、硬度和/或质量分布，以对装置28进行机械调谐，从而帮助优化电力输出。类似地，还可以不定地选择块30的形状、重量、密度和大小，以及块30的位置，从而优化电力输出。在示例性实施例中，压电装置28具有介于约1至3英寸之间的长度L。具体来说，装置28具有约2英寸的长度L。

在示例性实施例中，块30包括具有第一侧52和第二侧54的主体50。在一个示例性实施例中，块30具有介于约1g至1200g之间的重量。但是，块30的设计质量取决于压电装置28所需产生的电量。因此，可以不定地选择块30的重量。压电装置28产生的电通常随着块30重量的增加而增加，反之亦然。在示例性实施例中，块30由使块30的物理大小相对较小的密致材料制成。在示例性实施例中，块30通常为立方体，每一侧的长度介于约40mm与100mm之间。或者，块30可以具有使采集装置12拥有本说明书所述功能的其他任何形状。此外，可以通过用采集装置12在块30内的一个或多个部件提供块30的重量来使得采集装置12的设计更为紧凑。例如，致动器46、致动器46的齿轮箱和/或电机（未图示）、电子器件90和/或储能装置18可以并入块30中。

通过调整偏置机构32和/或致动器46来压电装置28和块30的共振频率。在示例性实施例中，偏置机构32是诸如预装锥形弹簧60等非线性弹簧。或者，偏置机构32可以是弹簧常数在装置受压缩时改变的其他任何装置，例如，拥有此类特性的机械、磁性和/或电子装置。在替代实施例中，偏置机构32是弹簧常数在受压缩时增大的锥形金属丝弹簧。

在示例性实施例中，弹簧60各自包括具有第一直径64的第一端62和具有大于第一直径64的第二直径68的第二端66。弹簧第一端62分别各自连接到块30的第一侧52和第二侧54，使得块30位于弹簧60之间。

在示例性实施例中，致动器46包括第一表面70、第二表面72和驱动装置（未图示）。所述驱动装置可以包括电机和齿轮箱（未图示），并且连接到基座44、并入块30中，或者位于使驱动装置能够如本说明书所述驱动致动器46的任何位置。第一表面70连接到弹簧第二端66，并且第二表面72连接到外壳26。或者，弹簧60可以翻转成使得第一端62连接到第一致动器表面70且第二端66连接到块30。所述驱动装置驱动致动器46，以使表面70和/或72与外壳分离。因此，致动器46实现选择性地调整第一表面70与第二表面72之间的距离D，从而选择性地调整弹簧60的压缩距离74。在替代实施例中，致动器46可以具有使致动器46能够如本说明书所述选择性地调整压缩距离74的任何构造。

在示例性实施例中，能量采集装置12还包括控制器88，所述控制器包括诸如传感器92等电子器件90、处理器（未图示）和存储器94。电子器件90接收并分析系统数据，并且控制采集装置12的运作，例如致动器46的运动以及压电装置28和块30的共振频率调谐。在示例性实施例中，电子器件90并入块30中（图3）并且实现对致动器46的驱动。或者，电子器件90连接到基座44、外壳26以及/或者位于能量采集装置12内的其他任何合适位置。

在示例性实施例中，传感器92收集数据以使电子器件90能够将装置28和块30的共振频率调谐成电机20的驱动频率。位于基座44或外壳26上的传感器92测量电机20的驱动频率，位于块30内或附近的传感器92确定致动器46之间的距离D、压缩距离74和/或致动器46的驱动电机转速。在替代实施例中，传感器92位于使传感器92拥有本说明书所述功能的任何位置。此外，传感器92可以测量压电装置28的输出电压、电流和/或功率。

在示例性实施例中，传感器92将指示传感器测量值的信号传输到电子器件90。替代地或附加地，负载14可以包括传感器（未图示），所述传感器向电子器件90提供指示电机20的驱动频率或者关于电机20或负载14的其他数据的信号。传感器92测量的数据可用于选择性地调整致动器46，以及/或者可以存储在存储器94中。例如，如果所测量的数据表明采集装置12的共振频率与电机20的驱动频率不一致，则将其调整成与驱动频率大体一致。存储器94存储驱动频率、共振频率以及实现对能量采集装置12的调谐的其他任何数据的预校准查询表。因此，如果采集装置12失调，则使用测量数据和查询表来对能量采集装置12进行调谐。替代地或附加地，存储器94可以存储特定测量值与装置28的共振频率之间的线性或多项式关系。

图4示出了与能量采集装置12（参见图3）类似的示例性能量采集装置100，图4与图3中相同的参考数字用于表示相同的部件。能量采集装置100类似于能量采集装置12，但是装置100包括致动器46的替代布置。在示例性实施例中，致动器46位于块30与每个偏置机构32之间。具体来说，第一致动器表面70分别连接到块30的第一侧52和第二侧54，而第二致动器表面72分别连接到弹簧第一端62。弹簧第二端66连接到外壳26。或者，弹簧60可以偏转成使得第一端62连接到外壳26，并且第二端66连接到第二致动器表面72。选择性地驱动致动器46以选择性地调整表面70和/或72之间的距离D，从而选择性地调整压缩距离74。

图5示出了与能量采集装置12和100（分别参见图3和4）类似的示例性替代能量采集装置200，图5与图3和4中相同的参考数字用于表示相同的部件。能量采集装置200类似于能量采集装置12（参见图3），但装置200包括块30和致动器46的替代布置。具体来说，块30包括相对的第一部分232和第二部分234，这两部分位于相对的第三部分236与第四部分238之间。第一部分232和第二部分234连接到梁第二端36。第三部分236和第四部分238分别连接到第一部分232和第二部分234，各自延伸出相应的臂240和242。

在替代示例性实施例中，致动器46连接到基座44中邻近第一部分232和第二部分234的部分。一对平台244和246分别连接到上致动器表面250和下致动器表面252。平台244和246通过致动器46的电机254和齿轮箱（未图示）分别朝向并远离表面250和252运动。一对导轨258（图5中出于清楚性的考虑略去了其中一个）位于致动器46的一侧上，用于支撑并引导平台244和246。弹簧60连接在臂240与平台244之间，并且另一弹簧60连接在臂242与平台246之间。致动器46选择性地调整平台244与246之间的距离D，从而选择性地调整弹簧压缩距离74。因此，压电装置28和块30的共振频率得到选择性的调整。装置28产生的最终电能通过连接器256提供给整流器16。

在运作期间，系统10连接到振动发生装置，例如电机20。电机20产生的振动通过能量采集装置12、100或200转换成电能。在示例性实施例中，负载14是由能量采集装置12供电的无线传感器。例如，无线传感器14可以是机械状态监测系统，测量重要机械的诸如振动、温度和压力等关键指标，并且随时间的推移跟踪所述信息以寻找异常情况。在示例性实施例中，无线传感器14是基于所捕获的振动数据而评估电机20的健康、对准和/或平衡的加速计。例如，电机20产生的振动随着电机20的老化而变。例如，无线传感器14可以检测这些变化并将其传输到远程位置进行存储或进一步处理，以评估电机20的状态以及是否需要维修。

如上所述，能量采集装置12、100和200将振动能转换成电能。在运作期间，基座44受到使块30运动并使压电梁28偏转的振动能。第一压电层38和第二压电层40的偏转将产生交流电压。所述交流电压被传输到整流器16，其中交流电压被转换成直流电压并且提供给无线传感器14，从而为传感器的运作供电。

在运作期间，通过使采集装置共振频率与振动源的驱动频率大体一致（或调谐）来优化能量采集装置12的电力输出。由于许多现代工业过程通常是变速的，因此不定地选择能量采集装置12的共振频率以与变化的振动源的频率大体一致。当采集装置12的共振频率与电机20的源频率大体一致时，发电的效率更高。

在示例性实施例中，能量采集装置12的共振频率取决于系统的总弹簧常数，该值等于压电梁28与弹簧60的弹簧常数总和。尽管梁28的弹簧常数因设计原因而相对恒定，但弹簧60的弹簧常数随着压缩距离74的增大而增大。因此，能量采集装置12的共振频率通过调整每个弹簧60的压缩距离74来进行调整。促进对能量采集装置12的调谐的方法是，选择性地增大或缩小致动器表面70与72或者平台244与246之间的距离D，以便选择性地改变偏置机构32的压缩距离74。

在运作期间，如果采集装置12失调，则电子器件90通过根据存储在存储器94中的频率查询表驱动致动器46来自动调整压缩距离74。调整压缩距离74的根据是存储在存储器94中的频率查询表。具体来说，查询表包括可用于确定致动器表面70和/或72或者平台244和246的所需位置，以及/或者所需的压缩距离74的数据。基于所测量的驱动频率，电子器件90在查询表中确定与驱动频率一致所需的所需压缩距离74，并且对致动器46做出相应调整。此外，查询表可以存储可用于调谐采集装置12的其他任何数据，例如，但不限于，温度和湿度调整、压电材料的老化和/或致动器46的驱动电机转速。此外，查询表可以自动更新以提高系统效率。

传感器92测量振动源20的驱动频率，并且电子器件90基于存储在存储器94中的查询表而确定与所测量的驱动频率对应的压缩距离74。压缩距离74的范围对应于能量采集装置12的共振频率范围。因此，基于所测量的驱动频率，致动器46将压缩距离74调整成使能量采集装置12的共振频率与振动源20的驱动频率大体一致。因此，促使采集装置12的能量输出最大化。因此，在示例性实施例中，电子器件90配置用于随着振动源20的改变而自动调谐能量采集装置12的共振频率。

上述示例性能量采集装置通过自动调谐采集装置的共振频率来在宽振动频率范围内有效发电。这些调整使能量采集装置能够用于物理上的微小和/或远程位置中。此外，由于系统的可动部分相对较少，因此与已知采集装置相比，磨损较少并且采集装置可以无需实现高精度和/或一致性而以较低成本制成。出于相同的原因，机械阻尼得以最小化，从而有助于增加能量输出。此外，通过从环境中采集能量，传感器可以制造成在寿命中自给自足，基本上无需进行任何维修。因此，本说明书中所述的示例性能量采集装置可以内置在无线传感器或系统中，以便进行机械状态监测而无需进行任何维修。此外，用于向无线传感器供电的电池可以缩小大小甚至消除，从而减少维修工作和环境影响。

本说明书使用各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域中的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域中的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种能量采集装置（12），包括：

能量转换装置（24），所述能量转换装置配置用于将振动能转换成电能；

连接到所述能量转换装置的块（30）；以及

连接到所述块（30）的至少一个偏置机构（32），所述偏置机构（32）能够选择性地调整，其中选择性地调整所述偏置机构（32）将调整所述能量转换装置（24）和所述块（30）的共振频率。

2.根据权利要求1所述的能量采集装置，其中所述偏置机构（32）具有选择性调整的压缩距离（74），其中选择性地调整所述压缩距离（74）将调整所述共振频率。

3.根据权利要求1所述的能量采集装置，其中所述能量转换装置（24）包括以下其中一项：压电装置（28）、电磁装置、静电装置和磁致伸缩装置。

4.根据权利要求3所述的能量采集装置，其中所述压电装置（28）进一步包括第一压电层（38）、第二压电层（40）和介于两者之间延伸的基材（42）。

5.根据权利要求1所述的能量采集装置，其中所述至少一个偏置机构（32）包括非线性弹簧（60）。

6.根据权利要求1所述的能量采集装置，其中所述至少一个偏置机构（32）包括锥形弹簧（60）。

7.根据权利要求6所述的能量采集装置，其中所述锥形弹簧（60）包括具有第一直径（64）的第一端（62）和具有第二直径（68）的第二端（66），所述第二直径（68）大于所述第一直径（64），所述第一端（62）连接到所述块（30）。

8.根据权利要求1所述的能量采集装置，进一步包括致动器（46），所述致动器配置用于选择性地调整所述偏置机构（32）。

9.根据权利要求8所述的能量采集装置，进一步包括外壳（26），其中所述致动器（46）连接到所述外壳（26），并且连接到所述至少一个偏置机构（32）中与所述块（30）相对的部分。

10.根据权利要求8所述的能量采集装置，进一步包括：第一平台（244）和第二平台（246），所述第一平台（244）和第二平台（246）以可移动方式连接到所述致动器（46）的相对侧（250、252）；第一偏置机构（60），所述第一偏置机构连接在所述第一平台（244）与所述块（30）之间；以及第二偏置机构（60），所述第二偏置机构连接在所述第二平台（246）与所述块（30）之间，其中所述致动器（46）配置用于选择性地调整所述第一平台（244）与所述第二平台（246）之间的距离（D）。

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