CN107598893B - 一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器 - Google Patents

一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器，由固定支架、活动支架和三组运动分支构成。活动支架由底部平台、底部平台支撑架和底部平台连接件构成。本发明可以实现多方向的伸缩运动，线圈的磁通量不断变化，产生感应电动势。压电梁的振动，使压电材料发生极化现象，产生输出电压。该发明通过并联机构可有效地采集环境中多个方向的振动能量，在较小的工作空间内引入十二个压电能量采集装置和二十四个电磁能量采集装置，充分利用了有限的工作空间，压电发电与电磁发电相结合，与现有技术相比，具有创新性，采集环境振动能量的有效工作频宽大，系统的发电效果好。

Description

一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器
技术领域
本发明涉及一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器，属于压电发电及可再生环保新能源领域。
背景技术
随着科技的进步以及人们对于生存环境的逐渐重视，利用能量采集技术将周围环境能量转化为电能存储起来并且供给低功耗器件的新型能量采集器成为了研究热点。目前，常用的能量采集方式有压电式和电磁式，两种方式相结合将自然环境中的振动能量转化为电能，既能够提高能量采集效果，又能够节约能源，保护环境。并联机构常用于工业机器人领域，机构具有两个或两个以上自由度。并联机构的结构紧凑，缩小了工作空间，其运动分支重量轻，具有多个自由度，可实现多个方向的稳定高速运动。因此，本发明提出将并联机构与压电材料振动发电和电磁感应发电相结合，可有效地采集环境中的多个方向的振动能量，并且提高了发电能力。
发明内容
为了使周围环境的振动能量得到更高效和更全面地采集，本发明提供了一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器，在较小的工作空间内引入十二个压电梁振子和二十四个电磁感应发电装置，可在多个方向上做低速或高速振动，使环境中各方向上的能量得到采集，并且有效地提高了系统的发电效率。本发明具有多个自由度，可实现多方向振动，更全面地采集周围环境各方向振动的能量进行发电，并且采用压电材料振动发电与电磁感应发电相结合，提高了发电能力。
为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器，该能量采集器由固定支架1、三组运动分支和活动支架构成。所述固定支架1由三个固定分支构成，相邻的两个固定分支的夹角均为120度，使并联机构分支均匀分布，固定分支的中间位置有方形通孔，减轻重量。所述固定支架1的中心位置处设有六个螺栓孔，固定支架1与外部平台通过螺栓连接固定。每组运动分支结构相同，每组运动分支由固定平台2、四个伸缩运动组件和运动平台8构成。活动支架由底部平台连接件25、底部平台14和底部平台支撑架9组成。运动分支的固定平台2与固定支架1通过螺栓连接，活动支架与三组运动分支通过底部平台连接件25连接。
每个伸缩运动组件均由虎克万向节10、伸缩杆组件、压电梁组件和球铰链24组成。所述的虎克万向节10与固定平台2之间通过虎克支架卡子11连接，虎克万向节10通过螺栓安装在伸缩杆组件上连接件17处，伸缩杆组件与压电梁组件由螺栓连接，压电梁组件与球铰链24由螺栓连接。伸缩杆组件由伸缩杆组件上连接件17、套筒6、套筒端盖16、运动导杆4、运动杆弹簧15、永久磁铁19、磁铁上端盖18、磁铁下端盖20和线圈3组成。伸缩杆组件上连接件17与套筒6之间由螺栓连接，套筒6的外壁缠有线圈3，套筒远离伸缩杆组件上连接件17一端安装有环形的套筒端盖16，运动导杆4通过套筒端盖16的中心孔伸入套筒6内，能够在套筒6内做伸缩运动，运动导杆4的顶端通过磁铁上端盖18和磁铁下端盖20固定永久磁铁19，磁铁下端盖20与套筒6之间装有运动杆弹簧15，磁铁上端盖18与套筒6内壁顶端之间装有运动杆弹簧15。永久磁铁19初始位置在套筒6的中部，当系统受到外激励作用时，运动导杆4沿套筒6内壁做往复伸缩运动，运动杆弹簧15给运动导杆4提供支撑和缓冲作用，套筒6外壁缠绕着铜漆包线圈3，永久磁铁19随运动导杆4在套筒6内壁做往复运动，使闭合线圈内部的磁通量不断变化，产生感应电动势。
所述的压电梁组件由两个压电梁夹具7和PVDF压电梁5组成。其中，所述的压电梁夹具7由固定底座22、固定夹板21和可移动夹板23组成。所述的固定底座22与运动导杆4之间通过螺栓连接，固定底座22与固定夹板21之间通过螺栓固定，可移动夹板23通过固定底座22的滑槽在固定底座22上滑动，从而调节固定夹板21与可移动夹板23之间的距离，固定夹板21与可移动夹板23中间夹持PVDF压电梁5，固定夹板21、可移动夹板23与PVDF压电梁5通过螺栓夹紧固定。压电梁包括保护层、压电层和基础层；所述的保护层通过导电胶粘贴在压电层上；所述的压电层通过导电胶粘贴在基础层上；当系统受到外界环境的激励后，伸缩杆组件做往复运动，由于伸缩杆组件的内部有运动杆弹簧15提供缓冲和支撑作用，缓冲力会通过运动导杆4传递给PVDF压电梁5，并且PVDF压电梁5具有一定的柔韧性，因此，PVDF压电梁5会不断的发生弯曲变形，压电材料产生极化现象进行发电。所述的球铰链24与压电梁组件通过螺栓连接。所述的球铰链24与运动平台8通过螺栓连接。所述的活动支架由底部平台14、底部平台支撑架9和底部平台连接件25构成。所述的底部平台14与运动平台8通过底部平台连接件25由螺栓固定连接。所述的底部平台支撑架9和底部平台14由螺栓连接。外界环境中的振动激励通过底部平台支撑架9传递给系统进行能量采集。
压电梁夹具7能够夹持不同厚度的压电梁。
所述的保护层材料为聚酯，压电层材料为极化后的PVDF，PVDF压电材料的发电效果好，并且具有很好的柔韧性，不容易断裂，基础层的材料为碳纤维、钢或铝合金中的一种。
与现有技术相比较，该发明基于并联机构，可实现多方向的振动，更全面地采集环境中各方向的振动机械能；该发明通过并联机构在较小的工作空间内引入十二个的压电梁振子、十二个永久磁铁和二十四个线圈，充分利用了有限的工作空间，采用压电式能量采集技术与电磁式能量采集技术相结合的工作方式，使整体的发电效果更好，发电量得到了提高，并且拓宽了有效工作频宽。
附图说明
图1是本发明中一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器的整体结构示意图；
图2是本发明中固定机架的结构示意图；
图3是本发明中运动分支的结构示意图；
图4是本发明中虎克万向节的结构示意图；
图5是本发明中伸缩杆组件的前向结构示意图；
图6是本发明中伸缩杆组件的后向结构示意图；
图7是本发明中伸缩杆组件的半剖面结构示意图；
图8是本发明中压电梁组件结构示意图；
图9是本发明中压电梁夹具结构示意图；
图10.1是本发明中活动支架与运动平台连接结构示意图；
图10.2是本发明中活动支架与运动平台连接结构示意图；
图11是本发明中一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器的正视图；
图12是本发明中一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器的俯视图；
图13是本发明中一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器的仰视图；
图中：1-固定支架，2-固定平台，3-铜漆包线圈，4-运动导杆，5-PVDF压电梁，6-套筒，7-压电梁夹具，8-运动平台，9-底部平台支撑架，10-虎克万向节，11-虎克支架卡子，12-虎克支架弹簧，13-虎克支架外端盖，14-底部平台，15-运动杆弹簧，16-套筒端盖，17-伸缩杆组件上连接件，18-磁铁上端盖，19-永久磁铁，20-磁铁下端盖，21-固定夹板，22-固定底座，23-可移动夹板，24-球铰链，25-底部平台连接件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1至图13所示，本发明为一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器，该能量采集器主要包括固定支架1、三组运动分支和活动支架。所述的固定支架1由三个固定分支构成，相邻的两个分支的夹角均为120度，使并联机构分支均匀分布，中间位置有三个方形通孔，可减轻固定支架1的重量。所述的固定支架1的中心位置有六个螺栓孔，使该装置与外部平台固定。所述的三组运动分支结构相同，每组运动分支由固定平台2、四个伸缩运动组件和运动平台8构成。所述的活动支架由底部平台连接件25、底部平台14和底部平台支撑架9组成。其中，所述的三组运动分支的固定平台2与固定支架1通过螺栓连接，所述的活动支架与三组运动分支通过底部平台连接件25由螺栓连接。
所述的四个伸缩运动组件均由虎克万向节10、伸缩杆组件、压电梁组件、球铰链24组成。所述的虎克万向节10与固定平台2之间通过虎克支架卡子11连接，虎克万向节10与伸缩杆组件上连接件通过螺栓连接，伸缩杆组件与压电梁组件由螺栓连接，压电梁组件与球铰链24由螺栓连接。
所述的伸缩杆组件由伸缩杆组件上连接件17、套筒6、套筒端盖16、运动导杆4、运动杆弹簧15、永久磁铁19、磁铁上端盖18、磁铁下端盖20和线圈3组成。其中，伸缩杆组件上连接件17与套筒6之间由螺栓连接，套筒6的外壁缠有线圈3，套筒远离伸缩杆组件上连接件17一端安装有环形的套筒端盖16，运动导杆4通过套筒端盖16的中心孔伸入套筒6内，可在套筒6内做伸缩运动，运动导杆4的顶端通过磁铁上端盖18和磁铁下端盖20固定永久磁铁19，磁铁下端盖20与套筒6之间装有运动杆弹簧15，磁铁上端盖18与套筒6内壁顶端之间装有运动杆弹簧15。永久磁铁19初始位置在套筒6的中部，当系统受到外激励作用时，运动导杆4会沿着套筒6内壁做往复伸缩运动，运动杆弹簧15给运动导杆4提供支撑和缓冲作用，套筒6外壁缠绕着铜漆包线圈3，永久磁铁19随运动导杆4在套筒6内壁做往复运动，使闭合线圈内部的磁通量不断变化，产生感应电动势。套筒6外壁开有通孔，使线圈的磁通量变化更明显，发电效果更好。
所述的压电梁组件由两个压电梁夹具7和PVDF压电梁5组成。其中，所述的压电梁夹具7由固定底座22、固定夹板21和可移动夹板23组成。该夹具可以夹持不同厚度的压电梁。所述的固定底座22与运动导杆4之间通过螺栓连接，固定底座22与固定夹板21之间通过螺栓固定，可移动夹板23可通过固定底座22的滑槽在固定底座22上滑动，从而调节固定夹板21与可移动夹板23之间的距离，固定夹板21与可移动夹板23中间夹持PVDF压电梁5，固定夹板21、可移动夹板23与PVDF压电梁5通过螺栓夹紧固定。所述的压电梁包括保护层、压电层和基础层；所述的保护层通过导电胶粘贴在压电层上；所述的压电层通过导电胶粘贴在基础层上；所述的保护层材料为聚酯，压电层材料为极化后的PVDF，PVDF压电材料的发电效果好，并且具有很好的柔韧性，不容易断裂，基础层的材料为碳纤维、钢和铝合金中的一种。当系统受到外界环境的激励后，伸缩杆组件做往复运动，由于伸缩杆组件的内部有运动杆弹簧15提供缓冲和支撑作用，缓冲力会通过运动导杆4传递给PVDF压电梁5，并且PVDF压电梁5具有一定的柔韧性，因此，PVDF压电梁5会不断的发生弯曲变形，压电材料产生极化现象进行发电。
所述的球铰链24与压电梁组件通过螺栓连接。所述的球铰链24与运动平台8通过螺栓连接。所述的十二个PVDF压电梁与二十四个电磁感应线圈由导线连接到一个合理的电路上。
所述的活动支架由底部平台14、底部平台支撑架9和底部平台连接件25构成。其中，所述的底部平台14与运动平台8通过底部平台连接件25由螺栓固定连接。所述的底部平台支撑架9和底部平台14由螺栓连接。
综上所述，本发明一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器，可实现多方向的振动，更全面地采集环境中各方向的振动机械能，将机械能转换为电能。该结构可用于机械产品中具有相对运动的两个部位，如用在野外工作的机器人中，由于机器人具有复杂的多自由度结构，在两个相对运动的平台间接入该发明装置，可以使机器人在野外工作时合理的利用环境中和工作中产生的机械能发电，解决了电池蓄能不足的问题。该发明通过并联机构在较小的工作空间内引入十二个的PVDF压电梁振子、十二个永久磁铁和二十四个线圈，充分利用了有限的工作空间，采用压电式发电与电磁式发电相结合，使整体的发电效果更好，发电量得到了提高，并且拓宽了有效工作频宽。发电能力相比单一压电梁发电结构、阵列式压电梁发电结构、单一电磁感应发电结构具有显著的提高。

Claims (3)

1.一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器，其特征在于：该能量采集器由固定支架(1)、三组运动分支和活动支架构成；所述固定支架(1)由三个固定分支构成，相邻的两个固定分支的夹角均为120度，固定分支的中间位置有方形通孔，减轻重量；所述固定支架(1)的中心位置处设有六个螺栓孔，固定支架(1)与外部平台通过螺栓连接固定；每组运动分支结构相同，每组运动分支由固定平台(2)、四个伸缩运动组件和运动平台(8)构成；活动支架由底部平台连接件(25)、底部平台(14)和底部平台支撑架(9)组成；运动分支的固定平台(2)与固定支架(1)通过螺栓连接，活动支架与三组运动分支通过底部平台连接件(25)连接；
每个伸缩运动组件均由虎克万向节(10)、伸缩杆组件、压电梁组件和球铰链(24)组成；所述的虎克万向节(10)与固定平台(2)之间通过虎克支架卡子(11)连接，虎克万向节(10)通过螺栓安装在伸缩杆组件上连接件(17)处，伸缩杆组件与压电梁组件由螺栓连接，压电梁组件与球铰链(24)由螺栓连接；伸缩杆组件由伸缩杆组件上连接件(17)、套筒(6)、套筒端盖(16)、运动导杆(4)、运动杆弹簧(15)、永久磁铁(19)、磁铁上端盖(18)、磁铁下端盖(20)和线圈(3)组成；伸缩杆组件上连接件(17)与套筒(6)之间由螺栓连接，套筒(6)的外壁缠有线圈(3)，套筒远离伸缩杆组件上连接件(17)一端安装有环形的套筒端盖(16)，运动导杆(4)通过套筒端盖(16)的中心孔伸入套筒(6)内，能够在套筒(6)内做伸缩运动，运动导杆(4)的顶端通过磁铁上端盖(18)和磁铁下端盖(20)固定永久磁铁(19)，磁铁下端盖(20)与套筒(6)之间装有运动杆弹簧(15)，磁铁上端盖(18)与套筒(6)内壁顶端之间装有运动杆弹簧(15)；永久磁铁(19)初始位置在套筒(6)的中部，当系统受到外激励作用时，运动导杆(4)沿套筒(6)内壁做往复伸缩运动，运动杆弹簧(15)给运动导杆(4)提供支撑和缓冲作用，套筒(6)外壁缠绕着铜漆包线圈(3)，永久磁铁(19)随运动导杆(4)在套筒(6)内壁做往复运动，使闭合线圈内部的磁通量不断变化，产生感应电动势；
所述的压电梁组件由两个压电梁夹具(7)和PVDF压电梁(5)组成；其中，所述的压电梁夹具(7)由固定底座(22)、固定夹板(21)和可移动夹板(23)组成；所述的固定底座(22)与运动导杆(4)之间通过螺栓连接，固定底座(22)与固定夹板(21)之间通过螺栓固定，可移动夹板(23)通过固定底座(22)的滑槽在固定底座(22)上滑动，从而调节固定夹板(21)与可移动夹板(23)之间的距离，固定夹板(21)与可移动夹板(23)中间夹持PVDF压电梁(5)，固定夹板(21)、可移动夹板(23)与PVDF压电梁(5)通过螺栓夹紧固定；压电梁包括保护层、压电层和基础层；所述的保护层通过导电胶粘贴在压电层上；所述的压电层通过导电胶粘贴在基础层上；当系统受到外界环境的激励后，伸缩杆组件做往复运动，由于伸缩杆组件的内部有运动杆弹簧(15)提供缓冲和支撑作用，缓冲力会通过运动导杆(4)传递给PVDF压电梁(5)，并且PVDF压电梁(5)具有一定的柔韧性，因此，PVDF压电梁(5)会不断的发生弯曲变形，压电材料产生极化现象进行发电；所述的球铰链(24)与压电梁组件通过螺栓连接；所述的球铰链(24)与运动平台(8)通过螺栓连接；所述的底部平台(14)与运动平台(8)通过底部平台连接件25由螺栓固定连接；所述的底部平台支撑架(9)和底部平台(14)由螺栓连接；外界环境中的振动激励通过底部平台支撑架(9)传递给系统进行能量采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器，其特征在于：压电梁夹具(7)能够夹持不同厚度的压电梁。
3.根据权利要求1所述的一种基于并联机构的压电电磁复合能量采集器，其特征在于：所述的保护层材料为聚酯，压电层材料为极化后的PVDF，PVDF压电材料的发电效果好，并且具有很好的柔韧性，不容易断裂，基础层的材料为碳纤维、钢或铝合金中的一种。
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