CN106050572B - 一种宽频带风致振动压电能量采集器 - Google Patents

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Abstract

一种新型宽频带风致振动压电能量采集器，由运动输入加速模块、运动输出转换模块和能量采集模块组成；运动输入加速模块由风扇、输入轴、轴承A、内啮合小齿轮、轴承B、轴承D、平键A、平键B、插销、外壳、轴承C以及行星轮系组成；运动输出转换模块由输出轴、倾斜圆盘、轴承E、直线轴承、中心基座弯曲杆、滑杆及连杆组成；能量采集模块由基座块、悬臂梁以及压电片组成；其工作过程为：1装配一种宽频带风致振动压电振动能量采集器；2自然风吹动风扇，将旋转运动传递至运动输入加速模块中的行星轮系，与此同时，运动输出转换模块和能量采集模块做相应运动。本发明克服了以往设计对风速不断变化的低速状态下的风能无法有效采集的缺陷。

Description

一种宽频带风致振动压电能量采集器
技术领域
本发明涉及一种风能量采集器，尤其涉及一种宽频带风致振动压电能量采集器，属于风能发电以及能量采集技术领域。
背景技术
随着不可再生能源的逐渐枯竭以及其带来的全球性的环境污染逐渐影响到人类生产生活。进而利用风能、水能、潮汐能等低污染或无污染的可再生能源造福人类，推动社会发展进步，已是全社会的共识。同时云数据采集日益成为社会热门。物联网、智能工业监控、智能高原环境监测、智能海洋数据采集等，一系列的智能自控户外设备的普及和应用，要求其设备进行自供电的要求逐渐提高。
本发明之前已有很多利用风能、水能、潮汐能等可再生能源，经压电片振动发电输出电能的设备，并且得到应用。但是由于风能本身不具有稳定性，造成发电效率无法提高，且无法稳定、长效的使用。
(1)公开号为CN 101951188 A,标题为“一种利用风能的压电能量收集方法及装置”的发明专利公开了一种利用风能的压电能量收集方法及装置，它采用风能驱动轴旋转，轴上的永久磁铁产生对悬臂梁上的固定磁铁的斥力，使得悬臂梁振动，从而让悬臂梁上的压电片材料变形后产生能量。但是，由于自然风速是不断变化的，且风速变化非常大。故发明专利在低风速的环境中，压电片无法产生足够的能量。在高风速的环境中，轴上的悬臂梁向轴的旋转方向弯曲且不易产生振动，影响悬臂梁上粘覆的压电片发电。
(2)公开号为CN 204304836 U，标题为“一种宽频带风力压电发电装置”的实用新型公开了一种宽频带风力压电发电设备，该实用新型具有能够采集不同风速的风能的优点。但是其不足之处在于压电悬臂梁布置过于密集，在振动的过程中各悬臂梁之间容易相互干涉，影响风能采集效率。并且通过凸轮撞击连杆振动，易造成压电片脱落。
(3)公开号为CN 105626383 A,标题为“一种弹簧振子型风力压电发电装置”的发明公开了一种振子型风力压电发电机构。该发明通过风扇带动旋转轴上的齿轮旋转，使得齿轮的轮齿撞击布置在外侧的悬臂梁，从而使悬臂梁产生振动，压电片产生能量。该发明结构简单，具有宽频带等优点。但是，该发明受风速影响大，噪音大。悬臂梁表面粘附的压电片在长期的振动过程会发出脱落现象，缩短装置使用寿命。
(4)公开号为CN 204304834 U,标题为“对称式风力压电发电装置”的实用新型公开了一种对称式的风力压电发电装置。该实用新型采用风扇驱动旋转轴转动，旋转轴上布置凸轮。当凸轮转动时，撞击悬臂梁振动，从而使得悬臂梁上的压电片发电。它的优点是机构简单，驱动机构运动的风速要求低，但是由于其不具有宽频带性质，故不能充分采集风速较高的风能。
(5)在《压电与声光》2015年第37卷第2期“基于压电效应的风力发电方法研究”文章。文章中设计了一种能利用风能驱动多片压电片振动发电的装置。设计了一种能利用风能驱动多片压电片振动发电的装置。该装置通过风能驱动叶轮旋转，利用叶轮的旋转扭力迫使压电片振动.将压电片振动产生的电能通过整流电路、储能电容及DC—DC转换后供负载使用。本设计结构简单，在内圈壁上可布置大量悬臂梁压电片，发电量较大，且具有宽频带的性质。但是，本设计属于旋转激励撞击式发电装置，利用旋转的叶片撞击压电振子，该方法仅适用转速较低场合、且存在较大冲击、噪音及可能的撞击损毁。显然，这种沿旋转体回转方向撞击激励压电振子发电机在结构上存在缺陷，制约其推广应用，尤其不适用高速、匀速及使用空间受限等场合。
本申请与发明专利(1)、实用新型(4)的本质区别是：本发明具有宽频带的优点，通过对长短不同的悬臂梁阵列布置，拓宽其振动频带。
本申请与实用新型(2)的本质区别是：本发明具有对低速风能旋转加速的优点，利用行星轮系对输入的旋转运动加速输出，增加激励频率，提高风能采集效率。
上述专利考虑宽频带很少，即使考虑了宽频带，但所有装置均未考虑加速环节，本专利致力于提出适用于宽频带，且具有加速功能的风致振动压电能量采集器。
发明内容
本发明的目的即为克服现有技术未考虑低风速环境下的低频率振动且压电片无法产生有效电能的缺陷，提出一种宽频带风致振动压电能量采集器。
本发明的核心技术特点为：将风扇采集的风能转换为旋转运动；然后，通过行星轮系对此旋转运动进行加速；再利用凸轮原理将旋转运动转换为直线往复运动，在宽频带风致振动压电能量采集器输出端布置悬臂梁-压电片组件，拓宽风能的采集带宽，适用多变风速。
一种宽频带风致振动压电能量采集器由运动输入加速模块、运动输出转换模块和能量采集模块组成；
其中，运动输入加速模块由风扇(1)、输入轴(2)、轴承A(3)、内啮合小齿轮(5)、轴承B(6)、外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、轴承C(8)、外啮合大齿轮(11)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)、轴承D(12)、平键A(24)、平键B(25)、平键C(27)、平键D(28)、插销(26)及外壳(4)组成；
其中，内啮合小齿轮(5)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)以及行星轮组成行星轮系，行星轮又由外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、外啮合大齿轮(11)、
轴承C(8)及平键C(27)及平键D(28)组成；行星轮的为3组，即外啮合小齿轮(7)、外啮合大齿轮(11)、短轴(10)、轴承C(8)、平键C(27)及平键D(28)的数量均为3个；短轴(10)轴向截面为两端细，中间粗，中间有截面为正方形的凸起；
行星架(13)一端粗长并在其端面有正方形的安装孔，称为粗长端，另一端细短且端面平整，称为细短端，粗长端与细短端中间为行星轮安装架，安装架共3个，属于行星架(13)的组成部分；安装架以行星架(13)轴线为中心，周向呈120°均匀布置；
内啮合大齿轮(9)的一个侧面以内啮合大齿轮(9圆心为中心环形阵列布置6个伸出小圆柱；小圆柱与内啮合大齿轮(9)为一体；输入轴(2)一端端面为平整，侧曲面有键槽；输入轴(2)的凹槽面，置有6个插销孔及键槽；
外壳(4)主要包括运动输入加速前腔和运动输出转换后腔以及分隔板；其中，前腔的内径比后腔的内径大；前腔外端面有一个中心通孔A；前腔与后腔之间为分隔板，分隔板上有中心通孔B，并且在前腔侧面上以中心通孔B轴线为中心环形阵列6个齿轮固定小孔；外壳的后腔端面有一个中心通孔C，并且有两个以中心通孔C轴线为中线对称的直线轴承(17)安装孔，其中，中心通孔C的直径比直线轴承(17)安装孔直径大；
运动输出转换模块由输出轴(15)、倾斜圆盘(14)、轴承E(16)、直线轴承(17)、中心基座弯曲杆(18)、滑杆(19)及连杆(20)组成；
其中，输出轴(15)的一个端面为圆形，另一个端面为正方形；滑杆(19)一端为平整端面，一端为细尖状，且尖端为球面；连杆(20)的中点位置有中心孔，中点两侧有长孔；
能量采集模块由基座块(21)、悬臂梁(22)以及压电片(23)组成；其中，基座块(21)的一个侧面有凸出短杆；悬臂梁(22)长短不一，其数量取值范围为1到15个；
一种宽频带风致振动压电能量采集器中各模块的装配关系如下：
一种宽频带风致振动压电能量采集器中运动输入模块装配顺序及安装关系如下：
风扇(1)定位安装到输入轴(2)平整端，并利用平键A(24)固定于输入轴(2)上；输入轴(2)通过轴承A(3)装配定位于外壳(4)前腔外端面的中心通孔A；内啮合小齿轮(5)采用平键B(25)进行径向定位，利用插销(26)进行轴向定位在输入轴(2)的凹槽端；
运动输入模块中的行星轮定位装配关系如下：
外啮合小齿轮(7)侧面与短轴(10)一端肩部对齐，外啮合小齿轮(7)的中心孔与短轴(10)一端对齐配合，并通过平键C(27)定位固定；短轴(10)中间高处安装轴承C(8)，短轴(10)通过轴承C(8)定位安装到行星架(13)的安装架的孔中；外啮合大齿轮(11)侧面与短轴(10)另一端肩部对齐，外啮合大齿轮(11)的中心孔与短轴(10)另一端对齐配合，并通过平键D(28)定位固定；3组行星轮以各组间隔120°安装到行星架(13)的安装架上；
内啮合大齿轮(9)侧面利用小圆柱嵌入外壳(4)中；行星架(13)细端利用轴承B(6)与输出轴(15)定位配合，行星架(13)粗端利用轴承D(12)与外壳(4)定位配合，行星架(13)粗端端面方形孔装配输出轴(15)，并采用销钉固定形式；
其中轴承A(3)内圈和输入轴(2)、外壳(4)前腔外端面中心通孔A内径和轴承A(3)外圈、轴承C(8)内圈和短轴(10)中间直径最大的部分、轴承C(8)外圈和行星架(13)安装架上的安装孔、轴承B(6)外圈和输入轴(2)凹槽端端面中心孔、轴承B(6)内圈和行星架(13)细端、轴承D(12)外圈和外壳(4)中间分隔板中心通孔B、轴承D(12)内圈和行星架(13)粗端的配合关系为过盈配合；
行星轮系的传动比依据公式(1)计算：
其中，行星轮的传动比，记为ωa为内啮合小齿轮(5)的角速度，ωH为行星架(13)角速度，Za、Zb、Zc、Zd分别为内啮合小齿轮(5)齿数、外内啮合小齿轮(7)齿数、外啮合大齿轮(11)的齿数、内啮合大齿轮(9)的齿数；n1为风扇转速，n2为行星架转速；
一种宽频带风致振动压电能量采集器中运动输出转换模块的定位装配顺序及安装关系如下：
倾斜圆盘(14)热熔粘贴固定于输出轴(15)中间位置；输出轴(15)圆形端面伸出外壳(4)后腔外端面，输出轴(15)通过轴承E(16)与外壳(4)后腔端面实现定位配合；滑杆(19)尖端曲面与倾斜圆盘(14)盘面点接触，滑杆(19)轴线与外壳(4)后腔端面中心孔呈对称分布的小孔轴线对齐，并利用直线轴承(17)定位装配；中心基座弯曲杆(18)焊接于外壳(4)后腔外端面中心处；连杆(20)中心孔插入中心基座弯曲杆(18)上，采用销钉定位的方式；连杆(20)长孔内侧面与基座块(21)上的凸出杆件相切，采用销钉定位的方式；
滑杆(19)的直线往复运动行程依据公式(2)计算：
其中，滑杆(19)的往复运动记为d,l为外壳(4)后腔外端面的直线轴承安装孔的距离，θ为倾斜圆盘(14)与输出轴(15)轴线的夹角，θ取值范围为45°至60°；l取值范围为20mm到60mm；
一种宽频带风致振动压电能量采集器中能量采集模块的定位装配关系如下：
基座块(21)固定在滑杆(19)端面为圆形的一端；基座块(21)垂直于外壳(4)后腔外端面的侧面焊接布置悬臂梁(22)，每个悬臂梁面上粘覆相应长度的压电片(23)；
一种宽频带风致振动压电能量采集器中各模块的功能如下：
运动输入加速模块的功能包括：通过风扇(1)采集风能，并将采集的风能转换为旋转运动；再通过行星轮系对旋转运动加速，并输出加速后的旋转运动，旋转方向不变；
运动输出转换模块的功能包括：输出轴(15)将旋转运动传递给倾斜圆盘(14)，倾斜圆盘(14)盘面与滑杆(19)尖端球面相切运动，滑杆(19)随盘面做直线往复运动，实现旋转运动转换为直线往复运动；中心基座弯曲杆(18)支撑连杆(20)，使连杆(20)以中心基座弯曲杆(18)的轴线为中心，控制滑杆(19)细尖端球曲面与倾斜圆盘(14)的盘面始终相切；
能量采集模块的功能包括：基座块(21)随滑杆(19)做直线往复运动；悬臂梁(22)在直线往复运动中实现振动；悬臂梁(22)上表面贴覆的压电片(23)变形，并产生电能，从而实现能量采集；
通过运动输入加速模块、运动输出转换模块及能量采集模块的功能实现将风能转换为电能；
一种宽频带风致振动压电能量采集器的工作过程为：
步骤一.装配一种宽频带风致振动压电能量采集器，具体为：
步骤1.1按照运动输入加速模块的装配顺序及安装关系，装配运动输入加速模块；
步骤1.2按照运动输出转换模块的定位装配顺序及安装关系，安装运动输出转换模块；
步骤1.3按照能量采集模块的定位装配关系安装能量采集模块；
至此，经过步骤1.1到步骤1.3，安装好的一种宽频带风致振动压电能量采集器安装到使用环境中；
步骤二.自然风吹动风扇(1)，将旋转运动传递至运动输入加速模块中的行星轮系，与此同时，运动输出转换模块和能量采集模块做相应的运动，具体为：
步骤2.1风扇(1)受自然风吹动，风扇(1)驱动输入轴(2)进行旋转运动，并将旋转运动输入至运动输入加速模块；
步骤2.2输入轴(2)将步骤2.2旋转运动传递至行星轮系，行星轮系对此旋转运动进行加速；
步骤2.3经步骤2.2加速后的旋转运动通过行星架(13)传递至输出轴(15)，并将已经加速的旋转运动输入至运动输出转换模块；
步骤2.4输出轴(15)将步骤2.3的旋转运动传递至倾斜圆盘(14)，使得倾斜圆盘(14)盘面做盘面旋转运动，滑杆(19)与倾斜圆盘(14)盘面相切并且受到盘面旋转运动驱动，从而使滑杆(19)进行直线往复运动；
步骤2.5滑杆(19)将步骤2.4输出的直线往复运动传递至基座块(21)，基座块(21)受滑杆(19)的直线往复运动带动悬臂梁(22)往复运动；
步骤2.6悬臂梁(22)受直线往复运动进而使得其产生横向振动，悬臂梁(22)因横向振动而产生弯曲现象，粘覆在悬臂梁(22)上的压电片(23)随着悬臂梁(22)弯曲而产生变形；
至此，经步骤2.1步骤2.6的压电片(23)弯曲变形，产生和输出电能；
所述的一种宽频带风致振动压电能量采集器工作环境风速为0m/s-14m/s，风扇(1)转速为0r/s-10r/s、倾斜圆盘旋转方向为顺时针、滑杆(19)直线往复运动频率范围为0Hz-240Hz、悬臂梁(22)振动频率为0Hz-240Hz；
其中，r/s代表转速的单位：转每秒；m/s代表速度单位：米每秒；Hz代表频率的单位：赫兹；
至此，从步骤一到步骤二，完成了一种宽频带风致振动压电能量采集器的工作过程。
有益效果
一种宽频带风致振动压电能量采集器，与现有的风致振动压电能量采集器相比，具有如下有益效果：
1.本发明在风能低速高频变化的环境下，利用行星轮系与(倾斜圆盘-滑杆)组件转换能量的运动形式，使得阵列布置的不同长度的(悬臂梁-压电片)纵向垂直振动，能够有效增加振动带宽，使发电量最大化；
2.本发明利用行星轮系对由风速较小风能引起的旋转运动加速输出，充分并有效的采集自然界中低速风能；
3.本发明除标准轴承件外，所用零件材料都采用尼龙材料，一方面零件具有良好的综合性能，可减小行星轮系转动惯量，降低输入扭矩下限；另一方面，尼龙材料摩擦系数低，提高机构传动效率，有利于风能的高效采集；
4.本发明所提出的一种宽频带风致振动压电能量采集器具体实现时可以实现小尺寸、紧凑结构以及便于自然环境中安装使用的特点；
5.本发明利用行星轮系传递风能引起的旋转运动，有利于减小装置的非线性振动，提高运动轨迹平滑度，减小采集器整体颤动；
6.本发明利用凸轮机构将旋转运动转换成直线往复运动，减小因振动引起的冲击，从而降低对压电片的破坏，延长压电片的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例1中的半刨面装配图；
图2是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器运动传递结构图；
图3是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例1中的立体示意图；
图4是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例1中的运动输入加速模块立体示意图；
图5是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例1的运动输出转换模块立体示意图；
图6是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例1的能量采集模块立体示意图；
图7是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例2的半刨面装配图；
图8是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例2的立体示意图；
图9是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例3的半刨面装配图；
图10是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例3的立体示意图；
图11是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例3中能量采集模块立体的示意图；
图12是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例4中的半刨面装配图；
图13是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例4的立体示意图；
图14是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例4能量采集模块的立体示意图；
图15是本发明一种宽频带风致振动压电能量采集器及实施例4能量采集模块基座块0s至0.05s的运动轨迹图；
附图标记说明：
图1中A为运动输入模块、B为运动转换模块、C为能量采集模块；图1至图14中标号统一，(1)为风扇，(2)为输入轴，(3)为深沟球轴承，(4)为外壳，(5)为内啮合小齿轮，(6)为深沟球轴承，(7)为外啮合小齿轮，(8)为深沟球轴承，(9)为内啮合大齿轮，(10)为短轴，(11)为外啮合大齿轮，(12)为深沟球轴承，(13)为行星架，(14)为倾斜圆盘，(15)为输出轴，(16)为深沟球轴承，(17)为直线轴承，(18)为中心基座弯曲杆，(19)为滑杆，(20)为连杆，(21)为基座块，(22)为悬臂梁，(23)为压电片、(24)为平键A、(25)为平键B、(26)为插销、(27)为平键C、平键D(28)。
具体实施方式
为了充分理解本发明的有益效果，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
在下面具体细节描述以便于理解本发明，但是，本发明还可以运用其他不同于下面描述的其他形式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
各组模块运动形式如图1所示。
从运动传递理论分析，首先是运动输入加速模块产生旋转运动，其次是运动输出转换模块输出直线往复运动，再次由能量采集模块对直线往复运动进行能量采集；运动输入加速模块、运动输出转换模块及能量采集模块的运动在单位时间内的间隔很短，可视为在单位时间内同时发生，其中，单位时间为秒。
风吹动风扇(1)转动，从而驱动输入轴(2)转动，输入轴(2)带动内啮合小齿轮(5)旋转运动。外啮合小齿轮(7)受内啮合小齿轮(5)驱动而转动。因为外啮合小齿轮(7)与外啮合大齿轮(11)都固定在短轴(10)上，故两齿轮转速、转向相同。外啮合大齿轮(11)与内啮合大齿轮(9)啮合，由于内啮合大齿轮(9)固定在外壳(4)上，无法转动，则对外啮合大齿轮(11)造成反作用力，使外啮合大齿轮(11)加速转动。短轴(10)通过轴承固定在行星架(13)之上，短轴(10)带动行星架(13)转动，由输出轴(15)输出加速后的旋转运动。
风能经运动输入加速模块加速，输出旋转运动，通过输出轴(15)传递至运动输出转换模块。倾斜圆盘(14)固定在输出轴(15)，则倾斜圆盘(14)做旋转运动，与之点接触的滑杆(19)随之做直线往复运动。
运动输出转换模块将旋转运动转换为直线往复运动，输出至能量采集模块。
由于连杆(20)将外壳(4)、滑杆一(19)和滑杆二(19)连接在一起，并且连杆(20)是以外壳4)右端面的中心基座弯曲杆(18)为中心转动。当滑杆一(19)由倾斜圆盘(14)转动做高位运动时，该滑杆一(19)促使连杆(20)向滑杆二(19)方向倾斜。滑杆二(19)在上一个时刻由于受到倾斜圆盘(14)的转动，将其推至高位，在这个时刻受连杆(20)倾斜压迫，向低位运动。由于倾斜圆盘转动，滑杆一(19)推送到最高位，滑杆二(19)被连杆(20)压送到最低位。下一个时刻，倾斜圆盘(14)开始将滑杆二(19)推送到高位，连杆(20)将滑杆一(19)压送到低位。以此实现往复运动。
直线往复运动时基座块(21)侧面布置的长短不一样的悬臂梁(22)随之发生振动。悬臂梁上黏贴的压电片(23)由于不断受悬臂梁的振动产生电能，电能通过电路输出，输送至存储单元。
本实施例中A模块内啮合小齿轮(5)齿数Za＝90、外内啮合小齿轮(7)齿数Zb＝30、外啮合大齿轮(11)齿数Zc＝32、内啮合大齿轮(9)Zd＝92,模数m＝1mm则
风扇(1)转速n1为60r/min时，行星架(13)转速n2为1440r/min。
本实施例中B模块倾斜圆盘(14)与输出轴(15)轴线夹角θ＝60°，倾斜圆盘(14)直径D＝65mm。
由传递关系可知，行星架(13)转速n2＝倾斜圆盘(14)转速n3＝滑杆(19)直线往复运动次数a。
本实施例中，风扇(1)转速n1为60r/min时，行星架(13)转速n2为1440r/min。滑杆(19)直线往复运动次数为1440次/分钟。
外壳(4)右端两个直线轴承(17)距离l为35mm。则可根据如图2所示关系可得(滑杆-基座块)的直线往复运动行程d。
综上所示，本实施例中(滑杆-基座块)直线往复运动次数为1440次/分钟，其直线往复运动行程d为20mm。
本实施例中，基座块(21)单个侧面安装6块长度不同的悬臂梁(22)，悬臂梁(22)表面布置相应压电片。共布置48组(悬臂梁-压电片)组件。由于各悬臂梁的长度不相等，则其振动的固有频率也即不相等，压电片发电频率带宽随之增大。
本实施例表明，本发明在风能低速高频变化的环境下，能够增加有效振动带宽，使得能量采集的效率大幅提升；对低风速风能引起的旋转运动加速输出，并进行了有效的能量采集。
实施例2
如图2所示，各组模块运动形式同实施例1。
本实施例中运动输入加速模块内啮合小齿轮(5)齿数Za＝86、外内啮合小齿轮(7)齿数Zb＝26、外啮合大齿轮(11)齿数Zc＝32、内啮合大齿轮(9)Zd＝92,模数m＝1mm则
风扇(1)转速n1为60r/min时，行星架(13)转速n2为462r/min。
本实施例中运动输出转换模块倾斜圆盘(14)与输出轴(15)轴线夹角θ＝70°，倾斜圆盘(14)直径D＝65mm。
由传递关系可知，行星架(13)转速n2＝倾斜圆盘(14)转速n3＝滑杆(19)直线往复运动次数a。
本实施例中，风扇(1)转速n1为60r/min时，行星架(13)转速n2为462r/min。滑杆(19)直线往复运动次数为462次/分钟。
外壳(4)右端两个直线轴承(17)距离l为40mm。则可根据如图2所示关系可得(滑杆-基座块)的直线往复运动行程d。
综上所示，本实施例中(滑杆-基座块)直线往复运动次数为462次/分钟，其直线往复运动行程d为10.71mm。
本实施例中，基座块(21)单个侧面安装5块长度不同的悬臂梁(22)，悬臂梁(22)表面布置相应压电片(23)。共布置40组(悬臂梁-压电片)组件。由于各悬臂梁(22)的长度不相等，则其振动的固有频率也即不相等，压电片发电频率带宽随之增大。
本实施例中除标准轴承件外，所用零件材料都是用尼龙材料加工而成；一方面，尼龙材料方便加工成型且具有摩擦系数低的特点，使得针对不同风速环境下的运行，可选择不同参数，如行星轮系的各齿轮的齿数、倾斜圆盘的斜角角度等；同时，尼龙材料加工出来的零件具有良好的综合性能，可减小行星轮系转动惯量，降低输入扭矩下限，有效提高了机构传动效率，有利于风能的高效采集；进一步的，本实施例还可以实现构建小尺寸的紧凑结构以便于自然环境中安装使用。
实施例3
如图9所示，运动输入加速模块、运动输出转换模块运动形式同实施例1。扩充能量采集模块，增加能量采集量，扩大风能采集频率带宽，适合应用在高风速的自然环境中。
本实施例运动输出转换模块去除连杆(20)、中心基座弯曲杆(18)。增加弹簧，将其套入滑杆(19),弹簧一端固定在外壳(4)上，另一端固定在滑杆(19)与基座块(21)连接处，如图11所示。增加两组(滑杆-基座块)组件，则本实施例中共四组(滑杆-基座块)组件。
本实施例中运动输入加速模块内啮合小齿轮(5)齿数Za＝90、外内啮合小齿轮(7)齿数Zb＝30、外啮合大齿轮(11)齿数Zc＝34、内啮合大齿轮(9)Zd＝94,模数m＝1mm则
风扇(1)转速n1为60r/min时，行星架(13)转速n2为769r/min。
本实施例中运动输出转换模块倾斜圆盘(15)与输出轴(14)轴线夹角θ＝80°，倾斜圆盘(15)直径D＝65mm。
由传递关系可知，行星架(13)转速n2＝倾斜圆盘(15)转速n3＝滑杆(19)直线往复运动次数a。
本实施例中，风扇(1)转速n1为60r/min时，行星架(13)转速n2为769r/min。滑杆(19)直线往复运动次数为769次/分钟。
外壳(4)右端两个直线轴承(17)距离l为35mm。则可根据如图2所示关系可得(滑杆-基座块)的直线往复运动行程d。
综上所示，本实施例中(滑杆-基座块)直线往复运动次数为769次/分钟，其直线往复运动行程d为6.17mm。
本实施例中，基座块(21)单个侧面安装5块长度不同的悬臂梁，共4个基座块。悬臂梁(22)表面布置相应压电片。可布置80组(悬臂梁-压电片)组件。由于各悬臂梁的长度不相等，则其振动的固有频率也即不相等，压电片发电频率带宽随之增大。
本实施例采取了行星轮系与凸轮机构传递运动，即利用行星轮系传递风能引起的旋转运动，有利于减小装置的非线性振动，提高运动轨迹平滑度，减小采集器整体颤动；从而使整个压电能量采集器的整体性能得到很大提升。进一步的，通过在装置后端改进并添加弹簧，减小因振动引起的冲击，从而降低对压电片的破坏，延长压电片的使用寿命。此外，本实施例与实施例2一样，也可以进一步缩小压电能量采集器体积，使其结构更加紧凑，有利于在各种不同的环境中安装使用。
实施例4
如图12所示，各模块运动形式同实施例1。对能量采集模块外壳(4)右端的中心基座弯曲(18)杆进行改动，增加一个弯曲杆，且与第一个弯曲杆呈90°。共4组(滑杆-基座块)组件，与实施例1中能量采集模块(外壳-滑杆-连杆)装配关系相同，本实施例中新增滑杆(19)长度比实施例1中滑杆(19)长度要长，其他尺寸相同。
本实施例中运动输入加速模块内啮合小齿轮(5)齿数Za＝90、外内啮合小齿轮(7)齿数Zb＝30、外啮合大齿轮(11)齿数Zc＝32、内啮合大齿轮(9)齿数Zd＝92,模数m＝1mm则
风扇(1)转速n1为60r/min时，行星架(13)转速n2为1440r/min。
本实施例中运动输出转换模块倾斜圆盘(15)与输出轴(14)轴线夹角θ＝75°，倾斜圆盘直径D＝65mm。
由传递关系可知，行星架(13)转速n2＝倾斜圆盘(15)转速n3＝滑杆(19)直线往复运动次数a。
本实施例中，风扇(1)转速n1为60r/min时，行星架(13)转速n2为1440r/min。滑杆(19)直线往复运动次数为1440次/分钟。
外壳(4)右端两个直线轴承距离l为35mm。则可根据如图2所示关系可得(滑杆-基座块)的直线往复运动行程d。
综上所示，本实施例(滑杆-基座块)直线往复运动次数为1440次/分钟，其直线往复运动行程d为12.74mm。
本实施例中，基座块(21)单个侧面安装6块长度不同的悬臂梁(21)，悬臂梁(22)表面布置相应压电片(23)。共4个基座块，则共布置96组(悬臂梁-压电片)组件。由于各悬臂梁(22)的长度不相等，则其振动的固有频率也即不相等，本实施例中振动频率带宽是实施例1中振动带宽2倍，有效的提高风能的采集，适合在风速变化大，单位时间内风速大的环境中工作。
本实施例表明本发明在风能低速高频变化的环境下，利用行星轮系与(倾斜圆盘-滑杆)组件转换能量的运动形式，使得阵列布置的不同长度的(悬臂梁-压电片)纵向垂直振动，能够有效增加振动带宽，使发电量最大化，具体体现为：本实施例中振动频率带宽是实施例1中振动带宽2倍，有效的提高风能的采集，适合在风速变化大，单位时间内风速大的环境中工作，充分实现宽频带振动能量采集；此外，本实施例中出轴承外的各零件都采用尼龙材料加工，扩充模块及提升模块性能较为方便简单。
以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的思路和原则之内所作的任何变动、替换等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种宽频带风致振动压电能量采集器，其特征在于：由运动输入加速模块、运动输出转换模块和能量采集模块组成；
其中，运动输入加速模块由风扇(1)、输入轴(2)、轴承A(3)、内啮合小齿轮(5)、轴承B(6)、外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、轴承C(8)、外啮合大齿轮(11)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)、轴承D(12)、平键A(24)、平键B(25)、平键C(27)、平键D(28)、插销(26)及外壳(4)组成；
其中，内啮合小齿轮(5)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)以及行星轮组成行星轮系，行星轮又由外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、外啮合大齿轮(11)、轴承C(8)、平键C(27)及平键D(28)组成；行星轮为3组，即外啮合小齿轮(7)、外啮合大齿轮(11)、短轴(10)、轴承C(8)、平键C(27)及平键D(28)的数量均为3个；短轴(10)轴向截面为两端细，中间粗，中间有截面为正方形的凸起；
行星架(13)一端粗长并在其端面有正方形的安装孔，称为粗长端，另一端细短且端面平整，称为细短端，粗长端与细短端中间为行星轮安装架，安装架共3个，属于行星架(13)的组成部分；3个安装架以行星架(13)轴线为中心，周向呈120°均匀布置；
内啮合大齿轮(9)的一个侧面以内啮合大齿轮(9)圆心为中心环形阵列布置6个伸出小圆柱；小圆柱与内啮合大齿轮(9)为一体；输入轴(2)一端端面为平整，侧曲面有键槽；输入轴(2)的凹槽端布置有6个插销孔及1个键槽；
外壳(4)主要包括运动输入加速前腔和运动输出转换后腔以及分隔板；其中，前腔的内径比后腔的内径大；前腔外端面有一个中心通孔A；前腔与后腔之间为分隔板，分隔板上有中心通孔B，并且在前腔侧面上以中心通孔B轴线为中心环形阵列布置6个齿轮固定小孔；外壳的后腔端面有一个中心通孔C，并且有两个以中心通孔C轴线为中线对称的直线轴承(17)安装孔，其中，中心通孔C的直径比直线轴承(17)安装孔直径大；
运动输出转换模块由输出轴(15)、倾斜圆盘(14)、轴承E(16)、直线轴承(17)、中心基座弯曲杆(18)、滑杆(19)及连杆(20)组成；
其中，输出轴(15)的一个端面为圆形，另一个端面为正方形；滑杆(19)一端为平整端面，一端为细尖状，且尖端为球面；连杆(20)的中点位置有中心孔，中点两侧有长孔；
能量采集模块由基座块(21)、悬臂梁(22)以及压电片(23)组成；其中，基座块(21)的一个侧面有凸出短杆；悬臂梁(22)长短不一，其数量取值范围为1到15个；
所述能量采集器中各模块的装配关系如下：
一种宽频带风致振动压电能量采集器中运动输入加速模块装配顺序及安装关系如下：
风扇(1)定位安装到输入轴(2)平整端，并利用平键A(24)固定于输入轴(2)上；输入轴(2)通过轴承A(3)装配定位于外壳(4)前腔外端面的中心通孔A；内啮合小齿轮(5)采用平键B(25)进行径向定位，利用插销(26)进行轴向定位在输入轴(2)的凹槽端；
运动输入加速模块中的行星轮定位装配关系如下：
外啮合小齿轮(7)侧面与短轴(10)一端肩部对齐，外啮合小齿轮(7)的中心孔与短轴(10)一端对齐配合，并通过平键C(27)定位固定；短轴(10)中间高处安装轴承C(8)，短轴(10)通过轴承C(8)定位安装到行星架(13)的安装架的安装孔中；外啮合大齿轮(11)侧面与短轴(10)另一端肩部对齐，外啮合大齿轮(11)的中心孔与短轴(10)另一端对齐配合，并通过平键D(28)定位固定；3组行星轮以各组间隔120°安装到行星架(13)的安装架上；
内啮合大齿轮(9)侧面利用小圆柱嵌入外壳(4)中；行星架(13)细端利用轴承B(6)与输出轴(15)定位配合，行星架(13)粗端利用轴承D(12)与外壳(4)定位配合，行星架(13)粗端端面正方形的安装孔装配输出轴(15)，并采用销钉固定形式；
其中轴承A(3)内圈和输入轴(2)、外壳(4)前腔外端面中心通孔A内径和轴承A(3)外圈、轴承C(8)内圈和短轴(10)中间直径最大的部分、轴承C(8)外圈和行星架(13)安装架上的安装孔、轴承B(6)外圈和输入轴(2)凹槽端端面中心孔、轴承B(6)内圈和行星架(13)细端、轴承D(12)外圈和外壳(4)中间分隔板中心通孔B、轴承D(12)内圈和行星架(13)粗端的配合关系为过盈配合；
行星轮系的传动比依据公式(1)计算：
其中，行星轮的传动比，记为ωa为内啮合小齿轮(5)的角速度，ωH为行星架(13)角速度，Za、Zb、Zc、Zd分别为内啮合小齿轮(5)齿数、外啮合小齿轮(7)齿数、外啮合大齿轮(11)的齿数、内啮合大齿轮(9)的齿数；n1为风扇转速，n2为行星架转速；
一种宽频带风致振动压电能量采集器中运动输出转换模块的定位装配顺序及安装关系如下：
倾斜圆盘(14)热熔粘贴固定于输出轴(15)中间位置；输出轴(15)圆形端面伸出外壳(4)后腔外端面，输出轴(15)通过轴承E(16)与外壳(4)后腔端面实现定位配合；滑杆(19)尖端曲面与倾斜圆盘(14)盘面点接触，滑杆(19)轴线与外壳(4)后腔端面中心孔呈对称分布的小孔轴线对齐，并利用直线轴承(17)定位装配；中心基座弯曲杆(18)焊接于外壳(4)后腔外端面中心处；连杆(20)中心孔插入中心基座弯曲杆(18)上，采用销钉定位的方式；连杆(20)长孔内侧面与基座块(21)上的凸出杆件相切，采用销钉定位的方式；
滑杆(19)的直线往复运动行程d依据公式(2)计算：
其中，l为外壳(4)后腔外端面的直线轴承安装孔的距离，θ为倾斜圆盘(14)与输出轴(15)轴线的夹角，θ取值范围为45°至60°；l取值范围为20mm到60mm；
一种宽频带风致振动压电能量采集器中能量采集模块的定位装配关系如下：
基座块(21)固定在滑杆(19)端面为圆形的一端；基座块(21)垂直于外壳(4)后腔外端面的侧面焊接布置悬臂梁(22)，每个悬臂梁面上粘覆相应长度的压电片(23)；
所述能量采集器中各模块的功能如下：
运动输入加速模块的功能包括：通过风扇(1)采集风能，并将采集的风能转换为旋转运动；再通过行星轮系对旋转运动加速，并输出加速后的旋转运动，旋转方向不变；
运动输出转换模块的功能包括：输出轴(15)将旋转运动传递给倾斜圆盘(14)，使得倾斜圆盘(14)顺时针旋转，倾斜圆盘(14)盘面与滑杆(19)尖端球面相切运动，滑杆(19)随盘面做直线往复运动，实现旋转运动转换为直线往复运动；中心基座弯曲杆(18)支撑连杆(20)，使连杆(20)以中心基座弯曲杆(18)的轴线为中心，控制滑杆(19)细尖端球曲面与倾斜圆盘(14)的盘面始终相切；
能量采集模块的功能包括：基座块(21)随滑杆(19)做直线往复运动；悬臂梁(22)在直线往复运动中实现振动；悬臂梁(22)上表面贴覆的压电片(23)变形，并产生电能，从而实现能量采集；
通过运动输入加速模块、运动输出转换模块及能量采集模块的功能实现将风能转换为电能。
2.如权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电能量采集器，其特征还在于：
一种宽频带风致振动压电能量采集器的工作过程为：
步骤一.装配一种宽频带风致振动压电能量采集器；
步骤二.自然风吹动风扇(1)，将旋转运动传递至运动输入加速模块中的行星轮系，与此同时，运动输出转换模块和能量采集模块做相应的运动；
至此，从步骤一到步骤二，完成了一种宽频带风致振动压电能量采集器的工作过程。
3.如权利要求2所述的一种宽频带风致振动压电能量采集器，其特征还在于：
步骤一，具体为：
步骤1.1按照运动输入加速模块的装配顺序及安装关系，装配运动输入加速模块；
步骤1.2按照运动输出转换模块的定位装配顺序及安装关系，安装运动输出转换模块；
步骤1.3按照能量采集模块的定位装配关系安装能量采集模块；
至此，经过步骤1.1到步骤1.3，安装好的一种宽频带风致振动压电能量采集器安装到使用环境中。
4.如权利要求2所述的一种宽频带风致振动压电能量采集器，其特征还在于：
步骤二，具体为：
步骤2.1风扇(1)受自然风吹动，风扇(1)驱动输入轴(2)进行旋转运动，并将旋转运动输入至运动输入加速模块；
步骤2.2输入轴(2)将步骤2.1旋转运动传递至行星轮系，行星轮系对此旋转运动进行加速；
步骤2.3经步骤2.2加速后的旋转运动通过行星架(13)传递至输出轴(15)，并将已经加速的旋转运动输入至运动输出转换模块；
步骤2.4输出轴(15)将步骤2.3已经加速的旋转运动传递至倾斜圆盘(14)，使得倾斜圆盘(14)盘面做盘面旋转运动，滑杆(19)与倾斜圆盘(14)盘面相切并且受到盘面旋转运动驱动，从而使滑杆(19)进行直线往复运动；
步骤2.5滑杆(19)将步骤2.4输出的直线往复运动传递至基座块(21)，基座块(21)受滑杆(19)的直线往复运动带动悬臂梁(22)往复运动；
步骤2.6悬臂梁(22)受直线往复运动进而使得其产生横向振动，悬臂梁(22)因横向振动而产生弯曲现象，粘覆在悬臂梁(22)上的压电片(23)随着悬臂梁(22)弯曲而产生变形；
至此，经步骤2.6的压电片(23)弯曲变形，产生和输出电能；
所述的一种宽频带风致振动压电能量采集器工作环境风速为0m/s-14m/s，风扇(1)转速为0r/s-10r/s、倾斜圆盘旋转方向为顺时针、滑杆(19)直线往复运动频率范围为0Hz-240Hz、悬臂梁(22)振动频率为0Hz-240Hz；
其中，r/s代表转速的单位：转每秒；m/s代表速度单位：米每秒；Hz代表频率的单位：赫兹。
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