CN104578912B - 压电俘能与主动减振集成装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电俘能与主动减振集成装置，包括内套(1)、外套(6)和电控模块，内套(1)设有多个，多个内套(1)依次套装在内缸(5)的外壁，内套(1)由内套基体(2)和压电梁(3)组成，压电梁(3)设有多个，多个压电梁(3)沿周向安置在内套基体(2)上，压电梁(3)上布置有永磁铁(4)，外套(6)设有多个，多个外套(6)依次安装在外缸(7)的内壁，外套(6)由外套基体(8)和电磁铁(9)组成，电磁铁(9)嵌装在外套基体(8)上，压电梁(3)、电磁铁(9)分别与电控模块电连接；本发明克服了现有压电俘能装置俘能效率低、俘能与减振功能集成度不高、空间占用大的问题，不仅结构紧凑，而且节能可靠。

Description

压电俘能与主动减振集成装置

[技术领域]

本发明涉及压电俘能和振动控制技术领域，具体地说是压电俘能与主动减振集成装置。

[背景技术]

随着能源危机加剧，节能是机械设计必须考虑的问题之一。而振动能量回收是降低能耗和减少使用成本的一个有效方法。振动能量俘获装置能够回收无处不在的振动能量，且同时抑制振动，既是可控的阻尼器也是能量发生器。

目前振动能量回收技术主要分为三种类型：(1)利用电磁换能装置将振动机械能转换为电能的电磁式；(2)利用静电发生器将振动机械能转换为电能的静电式；(3)利用压电材料的压电效应将振动机械能转换为电能的压电式。通过比较压电式、电磁式和静电式等能量回收方法的能量密度，发现压电式能量回收方法具有更大的功率密度。而且，压电式俘能装置结构简单，便于系统模块化、集成化和微型化，有利应用于工程实践。

常用的压电材料是锆钛酸铅(PZT)，还有一种常用的压电材料是聚偏氟乙稀(PVDF)，PVDF比PZT更柔韧。通过对振动能量回收技术进行综合研究，认为能量回收装置的设计具有非常关键的作用。压电悬臂梁和压电板是最基本的压电振动能量回收装置结构。人们为了提高俘能器的性能对基本结构进行了很多优化设计，比如双层压电悬臂梁、变厚度梁和施加预应力的压电膜等。还有很多学者研究利用共振提高压电材料的变形幅度从而增加能量俘获，设计了弹簧结构、基于高分子聚合物结构和预应力薄板结构等降低俘能器的固有频率，在低频环境下具有更好的性能。也有人设计了一种按压式圆盘压电俘能装置，该俘能装置通过压力变化触发压电发电。还有人设计了一个独特的运动机械装置，称为机械运动整流器，能将上下振动转换为单向旋转，研究结果表明该设计在高频时候能够提高百分之六十的俘能效率。虽然研究压电俘能的人很多，但目前将压电俘能和主动减振集成还比较少，有人设计制作了集成到减振器的压电俘能装置，但该装置只能在减振器压缩状态俘获能量，也未采用俘能效率更高的压电俘能结构，而且俘能装置在结构上与减振器串联，占用空间大，减少了减振器有效行程。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种压电俘能与主动减振集成装置，克服了现有压电俘能装置俘能效率低、俘能与减振功能集成度不高、空间占用大的问题，且结构紧凑，节能可靠。

为实现上述目的设计压电俘能与主动减振集成装置，包括内套1、外套6和电控模块，所述外套6套设于内套1的外部并与之同轴，所述内套1设有多个，所述多个内套1依次套装在内缸5的外壁，所述内套1由内套基体2和压电梁3组成，所述压电梁3设有多个，所述多个压电梁3沿周向安置在内套基体2上，所述压电梁3上布置有永磁铁4，所述外套6设有多个，所述多个外套6依次安装在外缸7的内壁，所述外套6由外套基体8和电磁铁9组成，所述电磁铁9嵌装在外套基体8上，所述压电梁3、电磁铁9分别与电控模块电连接。

所述压电梁3等角度圆周阵列安置在内套基体2上，所述压电梁3相互之间的电连接为并联或串联。

所述压电梁3由压电梁本体10和两块金属板11组成，所述金属板11对称设置在压电梁本体10的上下两侧，所述压电梁本体10采用压电材料制成。

所述压电梁3简支固定在内套基体2上，所述内套基体2两端设有凸起、中部设有凹陷，所述压电梁3左右两端均搁置于内套基体2两端的凸起处，所述永磁铁4安置在压电梁3中部。

所述压电梁3悬臂固定在内套基体2上，所述内套基体2两端设有凸起、中部设有凹陷，所述压电梁3一端搁置于内套基体2端部的凸起处，所述压电梁3另一端悬于内套基体2中部的凹陷处，所述永磁铁4安置在压电梁3的悬臂端。

所述电磁铁9等角度圆周阵列嵌装在外套基体8上，所述电磁铁9数量与永磁铁4数量一致，所述电磁铁9与永磁铁4安装位置一一对应但无接触，所述每对电磁铁9与永磁铁4磁极方向在同一平面且垂直于振动方向。

所述压电梁本体10采用锆钛酸铅或聚偏氟乙稀制成，所述内套基体2采用非铁磁性材料制成。

所述电控模块将俘获的交流电转换为直流电并进行放大处理，所述电控模块中输入并存储有控制程序。

本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，设计合理，由于集成了能量俘获和振动控制的功能，也方便集成到减振器边壁，与其它如电/磁流变体等智能材料结合实现减振器阻尼多级可调，该电磁铁和永磁铁的接近-远离将上下的振动转换为垂直于振动方向的周期性磁力压迫，无论振动方向如何，都有磁力作用，可以俘获更多能量，而且无接触，几乎消除了碰撞、摩擦等导致的能量损失，具有更高的能量俘获效率，通过控制电磁铁磁场从而改变等效阻尼力实现振动的主动控制具有更好的减振性能；此外，本发明中压电梁产生的电能经过电控模块处理后，可以直接利用或存储，当需要时使用。

[附图说明]

图1是本发明的整体结构半剖示意图；

图2是图1中A部分的放大图；

图3是本发明中压电梁与电磁铁圆周阵列分布示意图；

图4是本发明中压电梁及内缸结构示意图；

图5是本发明中一种压电梁布置方式简支压电梁结构示意图；

图6是本发明中另一种压电梁布置方式悬臂压电梁结构示意图；

图7是本发明中外缸半剖结构示意图；

图8是本发明的电连接示意图；

图中：1、内套 2、内套基体 3、压电梁 4、永磁铁 5、内缸 6、外套 7、外缸 8、外套基体 9、电磁铁 10、压电梁本体 11、金属板。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图所示，本发明包括：内套1、外套6和电控模块，外套6套设于内套1的外部并与之同轴，内套1设有多个，多个内套1依次套装在内缸5的外壁，内套1由内套基体2和压电梁3组成，压电梁3设有多个，多个压电梁3沿周向安置在内套基体2上，压电梁3上布置有永磁铁4，外套6设有多个，多个外套6依次安装在外缸7的内壁，外套6由外套基体8和电磁铁9组成，电磁铁9嵌装在外套基体8上，压电梁3、电磁铁9分别与电控模块电连接。

本发明中，内套1中内套基体2采用铝合金或其他非铁磁性材料制成，压电梁3等角度圆周阵列安置在内套基体2上，压电梁3可以为4个、8个或16个等，压电梁3相互之间的电连接可以为并联或串联；该压电梁3由压电梁本体10和两块金属板11组成，金属板11对称设置在压电梁本体10的上下两侧，压电梁本体10采用压电材料制成，如采用锆钛酸铅或聚偏氟乙稀制成。其中，压电梁3可以简支固定在内套基体2上，内套基体2两端设有凸起、中部设有凹陷，压电梁3左右两端均搁置于内套基体2两端的凸起处，永磁铁4安置在压电梁3中部。压电梁3也可以悬臂固定在内套基体2上，内套基体2两端设有凸起、中部设有凹陷，压电梁3一端搁置于内套基体2端部的凸起处，压电梁3另一端悬于内套基体2中部的凹陷处，永磁铁4安置在压电梁3的悬臂端。

电磁铁9等角度圆周阵列嵌装在外套基体8上，电磁铁9数量与永磁铁4数量一致，电磁铁9与永磁铁4安装位置一一对应但无接触，每对电磁铁9与永磁铁4磁极方向在同一平面且垂直于振动方向，外套基体8为铝合金或其他非铁磁性材料。电控模块将俘获的交流电转换为直流电并进行放大处理，电控模块可以输入存储控制程序，即电控模块中输入并存储有控制程序。

当受到外界振动时，外套和内套发生相对运动，从而嵌装在外套基体的电磁铁和布置在内套中压电梁中部的永磁铁也发生相对运动，电控模块向电磁铁输入电流产生电磁场，当电磁铁和永磁铁靠近时产生排斥磁力，磁力压迫压电梁变形，因为正压电效应产生电能。外套嵌装的电磁铁和内套压电梁上的永磁铁的接近-远离将上下的振动转换为垂直于振动方向的周期性磁力压迫，从而俘获振动能量。无论振动方向如何，电磁铁和永磁铁之间始终存在周期性磁力排斥作用，故能够俘获更多的能量；而且通过磁力作用无接触，几乎消除了碰撞、摩擦等导致的能量损失。由于机械振动大多数为低频振动，永磁铁布置在压电梁上具有质量块作用可以降低压电梁的固有频率，而周期性磁力激励频率远大于振动频率激励，如此使压电梁固有频率匹配激励频率产生共振，从而俘获更多能量。此外内套中压电梁布置可以依据振源环境选择简支式或悬臂式，分别如附图5和附图6所示。

本发明中，压电梁产生的电能经过电控模块处理后可以直接供应电磁铁，实现自供能的自反馈振动控制，压电梁产生的电能也可以经过电控模块处理后存储当需要时使用。通过电控模块改变输入电磁铁电流的大小控制电磁铁的磁场强度，从而控制电磁铁和永磁铁之间的排斥力大小，排斥力越大，俘获的能量越多，同时对振动的衰减也越大，即等效阻尼越大。从而实现阻尼可控。向电控主板输入存储包含主动控制策略的主动控制程序实现振动的主动控制。

本发明集成了能量俘获和振动控制的功能，结构非常紧凑，内套内部可布置其它如电/磁流变体等智能材料，如此可实现阻尼多级可调，通过控制等效阻尼力实现振动的主动控制具有更好的减振性能。

如附图8所示，为本发明的电连接示意图，压电梁与电磁铁分别通过线路连接能量收集电路，能量收集电路与电磁铁之间的线路上连接有电源管理芯片，电源管理芯片通过线路分别连接控制芯片和可充电电池。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种压电俘能与主动减振集成装置，其特征在于：包括内套(1)、外套(6)和电控模块，所述外套(6)套设于内套(1)的外部并与之同轴，所述内套(1)设有多个，所述多个内套(1)依次套装在内缸(5)的外壁，所述内套(1)由内套基体(2)和压电梁(3)组成，所述压电梁(3)设有多个，所述多个压电梁(3)沿周向安置在内套基体(2)上，所述压电梁(3)上布置有永磁铁(4)，所述外套(6)设有多个，所述多个外套(6)依次安装在外缸(7)的内壁，所述外套(6)由外套基体(8)和电磁铁(9)组成，所述电磁铁(9)嵌装在外套基体(8)上，所述压电梁(3)、电磁铁(9)分别与电控模块电连接。

2.如权利要求1所述的压电俘能与主动减振集成装置，其特征在于：所述压电梁(3)等角度圆周阵列安置在内套基体(2)上，所述压电梁(3)相互之间的电连接为并联或串联。

3.如权利要求2所述的压电俘能与主动减振集成装置，其特征在于：所述压电梁(3)由压电梁本体(10)和两块金属板(11)组成，所述金属板(11)对称设置在压电梁本体(10)的上下两侧，所述压电梁本体(10)采用压电材料制成。

4.如权利要求3所述的压电俘能与主动减振集成装置，其特征在于：所述压电梁(3)简支固定在内套基体(2)上，所述内套基体(2)两端设有凸起、中部设有凹陷，所述压电梁(3)左右两端均搁置于内套基体(2)两端的凸起处，所述永磁铁(4)安置在压电梁(3)中部。

5.如权利要求3所述的压电俘能与主动减振集成装置，其特征在于：所述压电梁(3)悬臂固定在内套基体(2)上，所述内套基体(2)两端设有凸起、中部设有凹陷，所述压电梁(3)一端搁置于内套基体(2)端部的凸起处，所述压电梁(3)另一端悬于内套基体(2)中部的凹陷处，所述永磁铁(4)安置在压电梁(3)的悬臂端。

6.如权利要求4或5所述的压电俘能与主动减振集成装置，其特征在于：所述电磁铁(9)等角度圆周阵列嵌装在外套基体(8)上，所述电磁铁(9)数量与永磁铁(4)数量一致，所述电磁铁(9)与永磁铁(4)安装位置一一对应但无接触，每对所述电磁铁(9)与永磁铁(4)磁极方向在同一平面且垂直于振动方向。

7.如权利要求6所述的压电俘能与主动减振集成装置，其特征在于：所述压电梁本体(10)采用锆钛酸铅或聚偏氟乙稀制成，所述内套基体(2)采用非铁磁性材料制成。