CN106505910A - 一种压电式振动能量回收装置及集成传感‑执行‑能量回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电式振动能量回收装置，包括馈能模块、传动机构以及振动传递机构，振动传动机构接收外部振源传递来的振动，使其内部的移动件甲和移动件乙产生相对直线振动；所述的传动机构的输入端与移动件甲固连，传动机构的输出端与馈能模块的转子固连，传动机构将振动传动机构的相对直线运动转化成旋转运动传递给馈能模块1。本发明利用传动机构将往复直线运动转变为连续下幅度的敲击动作，进而通过压电组件进行高效地发电；通过该型设计很容易应用于建筑桥梁、车辆系统、海浪甚至人体运动的振动能量回收；在此基础上能够开发出多种应用于不同机电系统的集成功能装置，不仅对振动能量进行高效回收，还可以实现振动主动控制功能。
Description
技术领域
本发明属于智能结构技术领域，具体涉及一种压电式振动能量回收装置及集成传感-执行-能量回收系统。
背景技术
随着全球能源危机及环境恶化，关于能量回收的很多技术得到开发，例如太阳能、风能、地热能以及潮汐能等。由于振动几乎无处不在，例如，地板。建筑墙体、机器、泵、汽车底盘、铁路车辆以及人体运动均产生振动。因此，振动能量回收技术得到越来越多的关注。
美国专利(US20150090545A1)公开了一种电磁式振动能量回收装置，利用直线电机的电磁效应将振动能量转换为电能，还公开了一种利用齿轮齿条机构将直线运动转换为旋转运动、进而驱动发电机进行发电的振动能量回收减振器。
美国专利(US20140297113)公开了一种用于卡车驾驶室的电液式振动能量回收减振器，利用液压油路将振动能量转换为液压能，进而推动液压马达旋转，最终液压马达带动发电机进行发电。上述两种方案的能量转换机构均结构复杂，制造成本较高。此外，由于振动源输出的振动动作往往是往复的直线运动，所以发电机发出的电能将频繁地切换方向，对能量存储造成难度。
中国专利(CN201884536U)公开了一种压电式能量回收减振器，主要是在传统液压筒式减振器基础上开发而来，在两端密封处安装压电材料，将减振油液对密封机构的压力传递给压电材料，使其在压电效应作用下发电，进而通过AC/DC转换器向蓄电池充电，实现能量回收功能。由于该装置中压电材料的布置形式，导致其受压缩频率较低，发电效率受到很大的限制。
发明内容
针对现有技术中的技术缺陷，本发明提供一种压电式振动能量回收装置及集成传感-执行-能量回收系统，该压电式振动能量回收装置利用传动机构将往复直线运动转变为连续下幅度的敲击动作，进而通过压电组件进行高效地发电；所述的集成传感-执行-能量回收系统基于压电式振动能量回收装置，使其具有“传感-能量回收”和“传感-执行”两种工作模式。在此基础上能够开发出多种应用于不同机电系统的集成功能装置。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种压电式振动能量回收装置，包括馈能模块1、传动机构2以及振动传递机构3，振动传动机构3接收外部振源传递来的振动，使其内部的移动件甲31和移动件乙32产生相对直线振动；
所述的传动机构2的输入端21与移动件甲31固连，传动机构2的输出端22与馈能模块1的转子11固连，传动机构2将振动传动机构3的相对直线运动转化成旋转运动传递给馈能模块1。
所述的馈能模块1包括转子11、定子12，以及与定子12固连的压电组件13，转子11外表面均匀布置有多于两个凸起触点111，转子11旋转过程中，凸起触点111与压电组件13产生摩擦与碰撞，压电组件13在被凸起触点111挤压状态下进行发电，所发电能通过电缆传递至后续电路进行能量回收；定子12与振动传递机构3的移动件乙32固连。
所述的传动机构2为齿轮齿条机构，其输入端21为齿条211，输出端22为齿轮221，馈能模块1的转子11与齿轮221同轴连接。
所述的传动机构2为滚珠丝杠机构，其输入端21为螺母212，输出端22为丝杠222，螺母212与丝杠222之间内嵌有多个滚珠，馈能模块1的转子11与丝杠222同轴连接。
一种基于上述压电式振动能量回收装置的集成传感-执行-能量回收系统，该系统包括压电式振动能量回收装置A，与压电式振动能量回收装置A能量双向连接的能量转换单元5，与能量转换单元5能量双相连接的能量存储单元4；
还包括控制单元7，控制单元7采集压电式振动能量回收装置A的传感信号，并向能量转换单元5施加控制信号。
还包括总线6，总线6和控制单元7进行双向信号通信，总线6向控制单元7发送上层系统发来的控制指令，控制单元7通过总线6向上层系统发送压电式振动能量回收装置A的工作状态信息。
所述的能量转换单元5具有“传感-能量回收”和“传感-执行”两种工作模式；
当能量转换单元5工作在“传感-能量回收”模式时，能量转换单元5包括能量回收驱动器51、AC/DC转换器52和DC/DC转换器53，其中能量回收驱动器51收集压电式振动能量回收装置A中馈能模块1传递来的交流电，并通过AC/DC转换器52将交流电转变为直流电，进而通过DC/DC转换器53转化为稳定的直流电，对能量存储单元4进行充电；同时，能量回收驱动器51将交流电的频率和幅值信号给传递给控制单元7，控制单元7根据该传感信号判断压电式振动能量回收装置A的工作状态，进而输出控制信号至DC/DC转换器53，对能量存储单元4的充电策略进行调节。
当能量转换单元5工作在“传感-执行”模式时，能量转换单元5包括执行驱动器54、DC/AC转换器55和DC/DC转换器53，其中DC/DC转换器53将能量存储单元4的直流电转换为DC/AC转换器55所需要的直流电形式，进而DC/AC转换器55将该直流电转换为交流电传递给执行驱动器54，执行驱动器54驱动压电式振动能量回收装置A中馈能模块1，馈能模块1中的压电组件13进行执行动作，改变转子11的旋转阻力，最终对振动源的振动进行调节；同时，执行驱动器54将交流电的频率和幅值信号给传递给控制单元7，控制单元7根据该传感信号判断压电式振动能量回收装置A的工作状态，进而输出控制信号至DC/DC转换器53，对能量存储单元4的放电策略进行调节。
一种基于上述集成传感-执行-能量回收系统的主动控制和振动能量回收悬架系统，所述的压电式振动能量回收装置A替换传统车辆悬架中的减振器；还包括人界交互接口HMI，并通过总线6向控制单元7发送控制指令，进而调节悬架系统的工作模式。
所述的悬架系统的工作模式包括经济档ECO、舒适档COMFORT和自动挡AUTO，当控制单元7接收到从人界交互接口HMI传递来的相应工作模式指令时，控制单元7将通过不同控制策略对能量转换单元5进行实时控制，进而对压电式振动能量回收装置A施加不同的驱动控制信号，达到相应工作模式所需要的控制效果。
所述的经济档ECO为能量回收效率最大化，振动控制效果次要考虑；舒适档COMDORT为振动控制效果最大化，达到最优的乘坐舒适性，而能量回收次要考虑；自动挡AUTO则处于两者之间，控制单元7根据驾驶员要求选择不同的权重比例。
本发明的有益效果在于：
通过创新设计提供一种压电式振动能量回收装置及集成传感-执行-能量回收系统，该压电式振动能量回收装置利用传动机构将往复直线运动转变为连续下幅度的敲击动作，进而通过压电组件进行高效地发电；通过该型设计很容易应用于建筑桥梁、车辆系统、海浪甚至人体运动的振动能量回收；
所述的集成传感-执行-能量回收系统基于压电式振动能量回收装置，使其具有“传感-能量回收”和“传感-执行”两种工作模式。在此基础上能够开发出多种应用于不同机电系统的集成功能装置，不仅对振动能量进行高效回收，还可以实现振动主动控制功能。
附图说明
图1为本发明的一种压电式振动能量回收装置的示意图
图2为馈能模块的一种实施例
图3为本发明的一种压电式振动能量回收装置的一种实施例
图4为本发明的一种压电式振动能量回收装置的另一种实施例
图5示出了一种基于上述压电式振动能量回收装置的集成传感-执行-能量回收系统
图6为集成传感-执行-能量回收系统的传感-能量回收模式
图7为集成传感-执行-能量回收系统的传感-执行模式
图8为本发明的振动主动控制和振动能量回收的悬架系统的工作流程图
图中：
A、压电式振动能量回收装置，1、馈能模块，2、传动机构，3、振动传递机构，
4、能量存储单元，5、能量转换单元，6、总线，7、控制单元；
11、转子，12、定子，13、压电组件，111、凸起触点；
21、输入端，22、输出端，211、齿条，221、齿轮，212、螺母，222、丝杠；
31、移动件甲，32、移动件乙；
51、能量回收驱动器，52、AC/DC转换器，53、DC/DC转换器，
54、执行驱动器，55、DC/AC转换器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1为本发明的一种压电式振动能量回收装置，主要包括馈能模块1、传动机构2以及振动传递机构3，其中，振动传动机构3接收外部振源传递来的振动，使其内部的移动件甲31和移动件乙32产生相对直线振动；传动机构2的输入端21与移动件甲31固连，输出端22与馈能模块1的转子11固连，传动机构2将振动传动机构3的相对直线运动转化成旋转运动传递给馈能模块1。
如图2所示，所述的馈能模块1包括转子11、定子12，以及与定子12固连的压电组件13，转子11外表面均匀布置有多于两个凸起触点111，转子11旋转过程中，凸起触点111与压电组件13产生摩擦与碰撞，压电组件13在被凸起触点111挤压状态下进行发电，所发电能通过电缆传递至后续电路进行能量回收；定子12与振动传递机构3的移动件乙32固连。
可选地，如图3所示，所述的传动机构2为齿轮齿条机构，其输入端21为齿条211，输出端22为齿轮221，馈能模块1的转子11与齿轮221同轴连接。
可选地，如图4所示，所述的传动机构2为滚珠丝杠机构，其输入端21为螺母212，输出端22为丝杠222，螺母212与丝杠222之间内嵌有多个滚珠，馈能模块1的转子11与丝杠222同轴连接。
图5示出了一种基于上述压电式振动能量回收装置的集成传感-执行-能量回收系统，该系统包括压电式振动能量回收装置A，与压电式振动能量回收装置A能量双向连接的能量转换单元5，与能量转换单元5能量双相连接的能量存储单元4；
还包括控制单元7，控制单元7采集压电式振动能量回收装置A的传感信号，并向能量转换单元5施加控制信号；可选地，控制单元7由能量存储单元4进行供电；
可选地，还包括总线6，总线6和控制单元7进行双向信号通信，总线6向控制单元7发送上层系统发来的控制指令，控制单元7通过总线6向上层系统发送压电式振动能量回收装置A的工作状态信息。
优选地，能量转换单元5具有“传感-能量回收”和“传感-执行”两种工作模式；
当能量转换单元5工作在“传感-能量回收”模式时，如图6所示，能量转换单元5包括能量回收驱动器51、AC/DC转换器52和DC/DC转换器53，其中能量回收驱动器51收集压电式振动能量回收装置A中馈能模块1传递来的交流电，并通过AC/DC转换器52将交流电转变为直流电，进而通过DC/DC转换器53转化为稳定的直流电，对能量存储单元4进行充电；同时，能量回收驱动器51将交流电的频率和幅值信号给传递给控制单元7，控制单元7根据该传感信号判断压电式振动能量回收装置A的工作状态，进而输出控制信号至DC/DC转换器53，对能量存储单元4的充电策略进行调节，实现高效的能量回收。
当能量转换单元5工作在“传感-执行”模式时，如图7所示，能量转换单元5包括执行驱动器54、DC/AC转换器55和DC/DC转换器53，其中DC/DC转换器53将能量存储单元4的直流电转换为DC/AC转换器55所需要的直流电形式，进而DC/AC转换器55将该直流电转换为交流电传递给执行驱动器54，执行驱动器54驱动压电式振动能量回收装置A中馈能模块1，馈能模块1中的压电组件13进行执行动作，改变转子11的旋转阻力，最终对振动源的振动进行调节；同时，执行驱动器54将交流电的频率和幅值信号给传递给控制单元7，控制单元7根据该传感信号判断压电式振动能量回收装置A的工作状态，进而输出控制信号至DC/DC转换器53，对能量存储单元4的放电策略进行调节。
可选地，本发明的一种压电式振动能量回收装置可以用于车辆底盘，进而形成悬架振动能量回收装置，替换传统车辆悬架中的减振器；进而，前述的集成传感-执行-能量回收系统成为一种能够实现振动主动控制和振动能量回收的悬架系统。
优选地，前述的悬架系统还包括人界交互接口HMI，并通过总线6向控制单元7发送控制指令，进而调节悬架系统的工作模式。
优选地，前述的悬架系统的工作模式包括经济档ECO、舒适档COMFORT和自动挡AUTO，当控制单元7接收到从人界交互接口HMI传递来的相应工作模式指令时，控制单元7将通过不同控制策略对能量转换单元5进行实时控制，进而对压电式振动能量回收装置A施加不同的驱动控制信号，达到相应工作模式所需要的控制效果。
如图8所示，所述的经济档ECO为能量回收效率最大化，振动控制效果次要考虑；舒适档COMDORT为振动控制效果最大化，达到最优的乘坐舒适性，而能量回收次要考虑；自动挡AUTO则处于两者之间，可以根据驾驶员要求选择不同的权重比例。
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种压电式振动能量回收装置，包括馈能模块(1)、传动机构(2)以及振动传递机构(3)，其特征在于：
所述的振动传动机构(3)接收外部振源传递来的振动，使其内部的移动件甲(31)和移动件乙(32)产生相对直线振动；
所述的传动机构(2)的输入端(21)与移动件甲(31)固连，传动机构(2)的输出端(22)与馈能模块(1)的转子(11)固连，传动机构(2)将振动传动机构(3)的相对直线运动转化成旋转运动传递给馈能模块(1)。
2.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量回收装置，其特征在于：
所述的馈能模块(1)包括转子(11)、定子(12)，以及与定子(12)固连的压电组件(13)，转子(11)外表面均匀布置有多于两个凸起触点(111)，转子(11)旋转过程中，凸起触点(111)与压电组件(13)产生摩擦与碰撞，压电组件(13)在被凸起触点(111)挤压状态下进行发电，所发电能通过电缆传递至后续电路进行能量回收；定子(12)与振动传递机构(3)的移动件乙(32)固连。
3.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量回收装置，其特征在于：
所述的传动机构(2)为齿轮齿条机构，其输入端(21)为齿条(211)，输出端(22)为齿轮(221)，馈能模块(1)的转子(11)与齿轮(221)同轴连接。
4.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量回收装置，其特征在于：
所述的传动机构(2)为滚珠丝杠机构，其输入端(21)为螺母(212)，输出端(22)为丝杠(222)，螺母(212)与丝杠(222)之间内嵌有多个滚珠，馈能模块(1)的转子(11)与丝杠(222)同轴连接。
5.一种基于上述压电式振动能量回收装置的集成传感-执行-能量回收系统，该系统包括压电式振动能量回收装置(A)，其特征在于：
还包括与压电式振动能量回收装置(A)能量双向连接的能量转换单元(5)，与能量转换单元(5)能量双相连接的能量存储单元(4)；
还包括控制单元(7)，控制单元(7)采集压电式振动能量回收装置(A)的传感信号，并向能量转换单元(5)施加控制信号。
6.根据权利要求5所述的一种集成传感-执行-能量回收系统，其特征在于：
还包括总线(6)，总线(6)和控制单元(7)进行双向信号通信，总线(6)向控制单元(7)发送上层系统发来的控制指令，控制单元(7)通过总线(6)向上层系统发送压电式振动能量回收装置(A)的工作状态信息。
7.根据权利要求6所述的一种集成传感-执行-能量回收系统，其特征在于：
所述的能量转换单元(5)具有“传感-能量回收”和“传感-执行”两种工作模式；
当能量转换单元(5)工作在“传感-能量回收”模式时，能量转换单元(5)包括能量回收驱动器(51)、AC/DC转换器(52)和DC/DC转换器(53)，其中能量回收驱动器(51)收集压电式振动能量回收装置(A)中馈能模块(1)传递来的交流电，并通过AC/DC转换器(52)将交流电转变为直流电，进而通过DC/DC转换器(53)转化为稳定的直流电，对能量存储单元(4)进行充电；同时，能量回收驱动器(51)将交流电的频率和幅值信号给传递给控制单元(7)，控制单元(7)根据该传感信号判断压电式振动能量回收装置(A)的工作状态，进而输出控制信号至DC/DC转换器(53)，对能量存储单元(4)的充电策略进行调节。
当能量转换单元(5)工作在“传感-执行”模式时，能量转换单元(5)包括执行驱动器(54)、DC/AC转换器(55)和DC/DC转换器(53)，其中DC/DC转换器(53)将能量存储单元(4)的直流电转换为DC/AC转换器(55)所需要的直流电形式，进而DC/AC转换器(55)将该直流电转换为交流电传递给执行驱动器(54)，执行驱动器(54)驱动压电式振动能量回收装置(A)中馈能模块(1)，馈能模块(1)中的压电组件(13)进行执行动作，改变转子(11)的旋转阻力，最终对振动源的振动进行调节；同时，执行驱动器(54)将交流电的频率和幅值信号给传递给控制单元(7)，控制单元(7)根据该传感信号判断压电式振动能量回收装置(A)的工作状态，进而输出控制信号至DC/DC转换器(53)，对能量存储单元(4)的放电策略进行调节。
8.一种基于上述集成传感-执行-能量回收系统的主动控制和振动能量回收悬架系统，其特征在于：
所述的压电式振动能量回收装置(A)替换传统车辆悬架中的减振器；
还包括人界交互接口HMI，并通过总线(6)向控制单元(7)发送控制指令，进而调节悬架系统的工作模式。
9.根据权利要求8所述的主动控制和振动能量回收悬架系统，其特征在于：
所述的悬架系统的工作模式包括经济档ECO、舒适档COMFORT和自动挡AUTO，当控制单元(7)接收到从人界交互接口HMI传递来的相应工作模式指令时，控制单元(7)将通过不同控制策略对能量转换单元(5)进行实时控制，进而对压电式振动能量回收装置(A)施加不同的驱动控制信号，达到相应工作模式所需要的控制效果。
10.根据权利要求9所述的主动控制和振动能量回收悬架系统，其特征在于：
所述的经济档ECO为能量回收效率最大化，振动控制效果次要考虑；舒适档COMDORT为振动控制效果最大化，达到最优的乘坐舒适性，而能量回收次要考虑；自动挡AUTO则处于两者之间，控制单元(7)根据驾驶员要求选择不同的权重比例。
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