CN106655889B - 一种自主适应变频压电式能量收集器结构 - Google Patents

一种自主适应变频压电式能量收集器结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自主适应变频压电式能量收集器结构，主要包括基座、音圈电机、固定板、导轨和滑块，连接架、滚轮、滚轮座、支撑架、压电弹簧组件、位移传感器，音圈电机通过连接架推动滑块、滚轮和滚轮座沿导轨共同运动，压电弹簧组件通过两固定块固定在支撑架上；所述压电弹簧组件包括弹簧片、压电薄膜片和质量块；所述滚轮与压电弹簧组件相对滚动方向将由控制器根据振动传感器反馈振动源频率信号控制，从而实现能量收集器结构弹簧片刚度的自主调节。采用两组滚轮与弹簧片相邻对称接触布置并可沿其长度方向滚动，不仅可以根据外界振动源频率自主调节固有频率，而且减小滚轮固定端弹簧片的变形对自由端振动特性的影响。

Description

一种自主适应变频压电式能量收集器结构
技术领域
本发明涉及一种能量收集器，尤其涉及一种自主适应变频压电式能量收集器结构。
背景技术
伴随着集成电路、微小型机电系统等的快速发展，超低功耗电子设备已得到了广泛应用，而其能源的持续供应成为亟待解决的问题。目前，此类电子器件和微小系统多采用化学电池供电，但由于传统化学电池多存在持续时间短、使用次数有限以及化学毒性污染严重等缺陷，使其在微电子系统的应用中受到限制。考虑到振动能在人们生产生活中广泛存在(例如机器运行、车辆行驶、地震甚至微弱的声音波动等)，都可以提供振动能。因此，科研人员一直致力于研发能将振动能转换为电能的能量收集器件，从而为大量微型电子设备提供电能。
根据机电转换原理，微型振动能量收集器主要分为压电式、电磁式和静电式3种类型。其中，压电振动能量收集器具有结构简单、能量转换效率高等优点，己成为微型能量收集器技术研究的重点。
压电式能量收集器是一种利用压电效应把振动能量转化为电能的装置。与电磁式能量收集器和静电式能量收集器相比，压电式能量收集器具有结构简单、体积小、寿命长、成本低、无电磁干扰、不发热、能量密度高和易于微型化等诸多优点，是解决微电子器件与系统电源问题的有效途径。
音圈电机是一种利用永恒磁场或通电线圈导体产生的磁场中磁极的相互作用将电能转化为机械能并产生有规律的直线型及有限摆角的动力装置。具有无限分辨率、无滞后、高加速度、高速度、高响应、体积小、控制方便、力学性能好等优点，是精密机电制造等领域理想的动力装置。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可根据外界振动源频率变化进行自适应调节能量收集器固有频率，以达到理想共振效果，进而提高能量转换效率的自适应变频压电式能量收集器；其原理是：弹簧片上下振动，压电薄膜上出现电荷，进而振动能变成电能。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种自主适应变频压电式能量收集器结构，包括一个基座，在所述的基座上固定有一个驱动装置，所述的驱动装置驱动一个连接架沿着固定在基座上的导轨移动；在所述的基座上还安装有一个支撑架，所述的支撑架上安装一个与导轨平行的压电弹簧组件；在所述的压电弹簧组件上下安装有对其夹紧其可以沿着其来回运动的运动元件，所述的运动元件沿着所述的压电弹簧组件运动，改变压电弹簧组件的刚度，使压电弹簧组件始终保持在共振状态，增大能量转换效率。
进一步的，所述的驱动装置为音圈电机或者压电陶瓷驱动器,都属于直线驱动器。
进一步的，所述的压电弹簧组件包括弹簧片，所述的弹簧片的一端通过固定块固定在支撑架上，另一端安装有质量块；在所述的弹簧片的上表面和下表面各安装有一个压电薄膜片。
进一步的，所述的运动元件包括上下两组滚轮，两组滚轮安装在滚轮座上，所述的滚轮座安装在连接架上，其中上组滚轮沿着上表面的压电薄膜片运动，下组滚轮沿着下表面的压电薄膜片运动。
进一步的，所述的运动元件为两组限位块，两组限位块安装在限位块座上，所述的限位块座安装在连接架上，其中上组限位块沿着上表面的压电薄膜片运动，下组限位块沿着下表面的压电薄膜片运动。
具体应用时，音圈电机或者压电陶瓷驱动器通过连接架推动限位块或者滚轮，按照振动传感器反馈信号进行前后运动，改变压电弹簧组件刚度，从而实现压电弹簧组件固有频率的改变。
进一步的，在所述的导轨上安装有位移传感器。
进一步的，所述的位移传感器包括标尺光栅和读数头，标尺光栅固定在导轨滑块上上，读数头固定在基座上，直线光栅尺的输出信号线从读数头上接出。采用直线光栅尺检测位移，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点，可以更准确快速的测定滚轮的运动位移。
进一步的，所述两组滚轮(或者两组限位块)与弹簧片对称接触布置并可沿其长度方向滚动或者滑动(滚轮为相对滚动，限位块为相对滑动)，为四个滚轮或者四个限位块相邻对称布置在弹簧片两侧，可沿压电弹簧组件进行相对滚动运动。
进一步的，所述的音圈电机与一个控制器相连，所述的控制器输入端与一个振动传感器相连，所述的控制器根据外界振动源频率自主调节固有频率。所述控制器和振动传感器为能量收集器控制部分。
进一步的，所述的连接架固定在滚珠直线导轨滑块上，导轨为滚珠直线导轨。
进一步的，控制器根据振动传感器反馈的振动源频率控制音圈电机的前后运动，进而带动滚轮前后运动，改变弹簧片刚度，使压电弹簧组件始终保持在共振状态，增大能量转换效率。
采用两组滚轮或者两组限位块与弹簧片对称接触布置并可沿其长度方向滚动，不仅可以根据外界振动源频率自主调节固有频率，而且减小滚轮或者限位块固定端弹簧片的变形对自由端振动特性的影响。
所述减小滚轮或者限位块固定端弹簧片的变形对自由端振动特性的影响，为避免单组滚轮时固定端与滚轮之间弹簧片的变形对弹簧片自由端的振动特性的影响。
所述音圈电机采用外部永磁、内部电磁的结构，并且永磁部分作为定子，电磁部分作为动子，具有高精度、高频响的特点，可以避免旋转电机驱动中的问题，是一种精密机械领域理想的动力装置。
本发明的工作原理为：
通过控制器接收振动传感器反馈的振动源频率信号，控制音圈电机带动滚轮或者限位块沿压电弹簧组件长度方向进行相对滚动，改变弹簧片自由端长度，进而改变压电弹簧组件的固有振动频率，使其自主跟踪适应振动源频率的变化，始终处于共振状态，提高振动能量的收集效率。
本发明的有益效果为：
1、采用音圈电机或者压电陶瓷驱动器直接驱动的方式，其输出力与输入电流具有良好的线性关系，易于控制，减少了中间环节传动带来的误差，平台定位精度高，并且驱动力大，能够获得更大的运动加速度和速度。
2、采用两组与弹簧片相邻对称布置的滚轮或者限位块，可根据振动源频率变化而产生的相对应滚动或者滑动，通过改变压电弹簧组件自由端长度改变其固有频率，使压电弹簧组件始终保持在共振状态，增大能量转换效率。
3、采用振动传感器、位移传感器和控制器，构成滚轮或者限位块和压电弹簧组件的相对滚动的闭环控制，并根据振动源频率变化控制音圈电机的运动方向。
4、平台结构简单、易加工、制造成本低、互换性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的自主适应变频压电式能量收集器结构的轴测图；
图2为本发明提供的自主适应变频压电式能量收集器结构的主视图；
图3为本发明提供的自主适应变频压电式能量收集器结构的俯视图；
图中，1音圈电机，2固定板，3基座，4支撑架，5位移传感器，6限位块，7连接架，8导轨，9质量块，10弹簧片，11压电薄膜片，12滚轮座，13滚轮，14固定块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，并在兼顾考虑平台结构优化、制造工艺等因素的基础上，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。当然参考附图描述的实施例只是示例性的，目的在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的过多限制。
在本发明中，术语如“上”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本发明公开了一种自主适应变频压电式能量收集器结构，包括一个基座，在所述的基座上固定有一个驱动装置，所述的驱动装置驱动一个连接架沿着固定在基座上的导轨移动；在所述的基座上还安装有一个支撑架，所述的支撑架上安装一个与导轨平行的压电弹簧组件；在所述的压电弹簧组件上下安装有对其夹紧其可以沿着其来回运动的运动元件，所述的运动元件沿着所述的压电弹簧组件运动，改变压电弹簧组件的刚度，使压电弹簧组件始终保持在共振状态，增大能量转换效率。
具体的如图1所示，图1为本发明自主适应变频压电式能量收集器结构轴测图。本发明采用音圈电机1推动连接架7，进而推动滚轮13和滚轮座12与限位块6沿导轨8方向运动，改变压电弹簧组件刚度，从而实现压电弹簧组件固有频率的改变。其中音圈电机1通过固定板2固定在基座3上，连接架7将限位块6和滚轮座12连接在一起，滚轮13固定在滚轮座12上，导轨8固定于基座3上。
如图2所示，图2为本发明自主适应变频压电式能量收集器结构主视图。本发明采用固定块14将压电弹簧组件固定在支撑架4上，压电弹簧组件包括固定于两固定块14之间的弹簧片10、布置于弹簧片10两侧压电薄膜片11和固定在弹簧片10自由端质量块9，支撑架4固定在基座3上。
如图3所示，图3为本发明自主适应变频压电式能量收集器结构俯视图。本发明采用位移传感器5检测音圈电机1行程，位移传感器5包括标尺光栅和读数头，标尺光栅固定在导轨滑块6上，读数头固定在基座3上。
进一步的，所述的音圈电机与一个控制器相连，所述的控制器输入端与一个振动传感器相连，所述的控制器根据外界振动源频率自主调节固有频率。所述控制器和振动传感器为能量收集器控制部分。
所述减小滚轮固定端弹簧片的变形对自由端振动特性的影响，为避免单组滚轮时固定端与滚轮之间弹簧片的变形对弹簧片自由端的振动特性的影响。
所述音圈电机采用外部永磁、内部电磁的结构，并且永磁部分作为定子，电磁部分作为动子，具有高精度、高频响的特点，可以避免旋转电机驱动中的问题，是一种精密机械领域理想的动力装置。
上述的滚轮13可以用限位块进行代替，其主要起的作用是对压电弹簧组件进行夹紧，且当滚轮13或者限位块与弹簧片对称接触布置并可沿其长度方向滚动或滑动，不仅可以根据外界振动源频率自主调节固有频率，而且采用两组时可更好的减小滚轮或者限位块固定端弹簧片的变形对自由端振动特性的影响。
上述的音圈电机可以用压电陶瓷驱动器代替，或其他直线驱动器。
此能量收集器根据振动传感器反馈的振动源频率控制音圈电机的前后运动，进而带动滚轮前后运动，改变弹簧片刚度，使压电弹簧组件始终保持在共振状态，增大能量转换效率。
本领域的普通科研和技术人员在不脱离本发明的宗旨和原理的情况下，在本发明的范围内，可以对上述实施例进行部分修改、变形和替换等。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1.采用音圈电机或者压电陶瓷驱动器直接驱动的方式，其输出力与输入电流具有良好的线性关系，易于控制，减少了中间环节传动带来的误差，平台定位精度高，并且驱动力大，能够获得更大的运动加速度和速度。
2.采用两组与弹簧片相邻对称布置的滚轮或者限位块，可根据振动源频率变化而产生的相对应滚动或者滑动，通过改变压电弹簧组件自由端长度改变其固有频率，使压电弹簧组件始终保持在共振状态，增大能量转换效率。
3.采用振动传感器、位移传感器和控制器，构成滚轮或者限位块和压电弹簧组件的相对滚动的闭环控制，并根据振动源频率变化控制音圈电机的运动方向。
4.平台结构简单、易加工、制造成本低、互换性高。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种自主适应变频压电式能量收集器结构，其特征在于，包括一个基座，在所述的基座上固定有一个驱动装置，所述的驱动装置与一个控制器相连，所述的控制器输入端与一个振动传感器相连，所述的控制器根据外界振动源频率自主调节固有频率；所述的驱动装置驱动一个连接架沿着固定在基座上的导轨移动；在所述的基座上还安装有一个支撑架，所述的支撑架上安装一个与导轨平行的压电弹簧组件；所述的压电弹簧组件包括弹簧片，所述的弹簧片的一端通过固定块固定在支撑架上，另一端安装有质量块；在所述的弹簧片的上表面和下表面各安装有一个压电薄膜片；在所述的压电弹簧组件上下安装有对其夹紧其可以沿着其来回运动的运动元件，所述的运动元件沿着所述的压电弹簧组件运动，改变压电弹簧组件的刚度，使压电弹簧组件始终保持在共振状态，增大能量转换效率；
所述的运动元件为上下两组限位块，两组限位块安装在限位块座上，所述的限位块座安装在连接架上，其中上组限位块沿着弹簧片上表面的压电薄膜片运动，下组限位块沿着弹簧片下表面的压电薄膜片运动。
2.如权利要求1所述的自主适应变频压电式能量收集器结构，其特征在于，所述的驱动装置为音圈电机或者压电陶瓷驱动器。
3.如权利要求1所述的自主适应变频压电式能量收集器结构，其特征在于，在所述的导轨上安装有位移传感器。
4.如权利要求3所述的自主适应变频压电式能量收集器结构，其特征在于，所述的位移传感器包括标尺光栅和读数头，标尺光栅固定在导轨滑块上，读数头固定在基座上，直线光栅尺的输出信号线从读数头上接出。
5.如权利要求1所述的自主适应变频压电式能量收集器结构，其特征在于，所述的连接架固定在滚珠直线导轨滑块上，导轨为滚珠直线导轨。
6.一种自主适应变频压电式能量收集器结构，其特征在于，包括一个基座，在所述的基座上固定有一个驱动装置，所述的驱动装置与一个控制器相连，所述的控制器输入端与一个振动传感器相连，所述的控制器根据外界振动源频率自主调节固有频率；所述的驱动装置驱动一个连接架沿着固定在基座上的导轨移动；在所述的基座上还安装有一个支撑架，所述的支撑架上安装一个与导轨平行的压电弹簧组件；所述的压电弹簧组件包括弹簧片，所述的弹簧片的一端通过固定块固定在支撑架上，另一端安装有质量块；在所述的弹簧片的上表面和下表面各安装有一个压电薄膜片；在所述的压电弹簧组件上下安装有对其夹紧其可以沿着其来回运动的运动元件，所述的运动元件沿着所述的压电弹簧组件运动，改变压电弹簧组件的刚度，使压电弹簧组件始终保持在共振状态，增大能量转换效率；
所述的运动元件包括上下两组滚轮，两组滚轮安装在滚轮座上，所述的滚轮座安装在连接架上，其中上组滚轮沿着弹簧片上表面的压电薄膜片运动，下组滚轮沿着弹簧片下表面的压电薄膜片运动。
7.如权利要求6所述的自主适应变频压电式能量收集器结构，其特征在于，所述的驱动装置为音圈电机或者压电陶瓷驱动器。
8.如权利要求6所述的自主适应变频压电式能量收集器结构，其特征在于，控制器根据振动传感器反馈的振动源频率控制驱动装置的前后运动，进而带动滚轮前后运动，改变弹簧片刚度，使压电弹簧组件始终保持在共振状态，增大能量转换效率。
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