CN109347365B - 一种能量采集实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能量采集实验装置，其包括：转轴(1)、转轴支撑部(10)以及能量采集装置，其中，所述转轴支撑部支撑转轴，使得所述转轴在外力下进行转动；所述能量采集装置设置在所述转轴上，所述转轴进行转动使得在所述能量采集装置上的产生交变载荷，从而所述能量采集装置能够产生电压输出。
Description
技术领域
本发明属于节能环保技术领域，特别涉及一种收集转子自重的旋转的压电能量采集实验装置。
背景技术
目前基于压电陶瓷材料进行能量采集的设备和装置主要存在如下问题：因为压电陶瓷脆性大，因此部分能量采集装置中的压电材料容易产生疲劳断裂；而在另外部分能量采集装置，压电材料的使用寿命增加，但通常需要配合增力机构使用，容易对原有的机械结构产生改变。
现有技术中披露了部分利用压电材料进行能量采集的设备，例如在专利公告号为CN105305881B的专利文献中披露的基于压电效应的弧形振动能量采集装置，其包括弧形基体梁、两个半弧形压电元件一个质量块；弧形基体梁一端固定在振动基体上，另一端悬空附着有质量块；两个半弧形压电元件被固定在弧形基体梁的表面；弧形压电元件的极化方向是圆弧的径向；电极层在弧形压电元件的两个表面上；弧形基体梁有两个塑造成型的半圆形单元沿着基体梁长度方向串行连接在一起，用于安装半弧形压电元件。
再例如在专利公布号为CN102185097A的专利文献中披露的压电叠堆式MEMES振动能量采集装置及其制备，其包括硅固定基座、压电叠堆片和质量块，其中，压电叠堆片的一端固定在硅固定基座上且另一端悬空并与质量块固定连接。
但是，上述技术方案都没有解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种能量采集实验装置，其包括：转轴、转轴支撑部以及能量采集装置，其中，所述转轴支撑部支撑转轴，使得所述转轴在外力下进行转动；所述能量采集装置设置在所述转轴上，所述转轴进行转动使得在所述能量采集装置上的产生交变载荷，从而所述能量采集装置能够产生电压输出。
在一些实施方式中，所述能量采集装置包括压电叠堆、第一固定螺母以及第二固定螺母；所述第一固定螺母和所述第二固定螺母分别设置于所述压电叠堆的两侧，利用所述第一固定螺母和所述第二固定螺母能够将所述压电叠堆固定于所述转轴；以及所述第一固定螺母和所述第二固定螺母设置成向所述压电叠堆施加不同的预紧力。
在一些实施方式中，所述压电叠堆由多片压电陶瓷片组成，多片所述压电陶瓷片串联连接。
在一些实施方式中，所述压电陶瓷片表面设置成多个彼此绝缘的扇形导电涂层。
在一些实施方式中，还包括配重块，所述配重块设置于所述转轴上。
根据本发明的又一实施例，能量采集实验装置，其包括：直流电机以及转子部件；所述转子部件包括能量采集器、圆盘、传感器以及转轴；所述直流电机驱动所述转轴转动；能量采集器设置在所述转轴上，所述转轴进行转动使得在所述能量采集器上的产生交变载荷；传感器设置于所述圆盘上；能量采集器与所述传感器电连接，能量采集器采集的电压输出到所述传感器。
根据本发明所提供的技术方案其能够直接采集转子旋转过程中因重力变形产生的能量，直接向转子上的传感器供电，能够实现对转子工作状态的实时监测；同时，该实验装置让压电陶瓷片工作在受压状态，延长了能量采集器的使用寿命；同时，避免了增力机构的引入，不会对转子系统平衡产生影响。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式的能量采集实验装置剖面示意图；
图2是压电叠堆中的压电片的结构示意图；
图3是本发明的又一种实施方式的能量采集实验装置剖面示意图；
图4是本发明的能量采集装置输出电压与预紧力的关系；
图5是本发明的能量采集装置输出电压和压电片扇形区域数量的关系；
图6是根据本发明的再一种实施方式的能量采集实验装置的示意图；
图7是在附图6中所采用的能量采集装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的更加清晰，一下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，其示出了本发明的一种实施方式的能量采集实验装置剖面示意图；根据本发明所提供的能量采集实验装置，其包括：转轴1、转轴支撑部10以及能量采集装置，其中，转轴支撑部10支撑转轴，使得所述转轴在外力下进行转动；能量采集装置设置在所述转轴1上，所述转轴1进行转动使得在所述能量采集装置上的产生交变载荷，从而所述能量采集装置能够产生电压输出。
转轴1在转动过程中，会在重力的作用下产生挠度，此后转轴1则会绕着挠度曲线进行旋转。从静止坐标系看，转轴1因重力变形时，转轴1上的各部分受力状态主要有两种，高于中性面的部分承受压应力，低于中性面的部分承受拉应力。但是，因为转轴1在绕着挠度曲线进行旋转，所以转轴1的每个部分都会经过中性面的上方和下方，所以转轴1上的非中性面的部分都承受着交变循环载荷。
由于能量采集装置设置在转轴1上，上述转轴1在转动过程中，在所述能量采集装置上施加交变载荷，从而能量采集装置能够产生电压输出。
这里的能量采集装置并不限于后续实施方式中的能量采集装置，只要是能够承受交变载荷具有电压输出的结构或者装置都可以采用。
在本发明的实施方式中，所述能量采集实验装置包括压电叠堆3、第一固定螺母2以及第二固定螺母4；所述第一固定螺母2和所述第二固定螺母4分别设置于所述压电叠堆3的两侧，利用所述第一固定螺母2和所述第二固定螺母4能够将所述压电叠堆3固定于所述转轴1；以及第一固定螺母2和第二固定螺母4设置成向所述压电叠堆3施加不同的预紧力。
如图2所示，在本发明的实施方式中，压电叠堆由多片压电陶瓷片组成，多片所述压电陶瓷片串联连接。其中，图3示出了单独的压电陶瓷片6。
所述压电陶瓷片6表面设置成多个彼此绝缘的扇形导电涂层7、8。
如图1所示，根据本发明的实施方式，为了提高转轴产生挠度的效果，可以在转轴上设置配重块5。
根据本发明所提供的技术方案，转轴1在重力的作用下产生静挠度，当转轴1启动后，转轴1会绕着静挠度曲线旋转，此时转轴上会产生交变循环载荷，从而，压电叠堆3会承受着一个大小不变位置不断变化的载荷。
根据本发明的优选的实施方式，将压电片的导电涂层分成了多个彼此绝缘扇形导电涂层，因此对于每部分的压电片，其承受的载荷幅值会发生改变，从而产生电压输出。
根据本发明优选的实施方式，压电叠堆3可以由多个截面为环形的压电片组成，压电片表面涂有多个彼此绝缘的导电涂层，压电叠堆依靠压电片表面的导电涂层的接触依次串联形成。
如图3所示，其示出本发明的又一实施方式，与图1是的实施方式相比不同在于，其没置了导电滑环9，导电滑环9设置在转轴1上，压电叠堆产生的电压可以从其表面由导线引出，通过导电滑环9可以将能量采集装置的输出电压导出到后续的处理电路中。
根据本发明所提供的能量采集实验装置，其为一种采集转子横向振动的能量采集实验装置。第一固定螺母2和第二固定螺母4通过螺纹啮合的方式安装在转轴1上，压电叠堆依靠两侧的螺母进行定位和夹紧，可以通过这样的结构有效的将转轴因重力产生的变形传递到压电叠堆上，通过还可以通过调节两个螺母对压电叠堆施加的预紧力来调节能量采集装置的输出特性。
如图4所示，示出了能量采集装置输出电压与预紧力的关系，通过对压电叠堆3施加不同的预紧力来调节能量采集器的输出特性。可以理解，压电叠堆两端的螺母可以采用其它任意数量的螺母，与螺母啮合的螺纹可以直接刻在转轴上，也可以刻在轴套上然后通过配合的方式安装在转轴上，压电叠堆和螺母之间的绝缘可以通过绝缘涂层实现，也可以通过添加一层其它绝缘材料实现。
如图5所示，其示出了能量采集装置输出电压和压电片扇形区域数量的关系。压电片上的导电涂层可以分成若干个彼此绝缘的扇形导电涂层，导电涂层的数量会影响能量采集器的输出性能。
在本发明的实施方式中，压电片表面分成了两个彼此绝缘的半圆形的银材料导电涂层。这样的处理可以将压电叠堆分成两个部分，每部分都会受到循环载荷，压电叠堆可以产生持续的电压输出。可以理解，能量采集装置表面的导电涂层不限于银材料，可以由其它材料组成。能量采集装置表面的互相绝缘的扇形区域的数量和形状可以更换。
图6示出根据本发明的再一种实施方式，能量采集实验装置包括：
直流电机1、弹性联轴器2、左侧轴承座3、右侧轴承座7、电机座10、试验台底座9、转子构成。
左侧轴承座3、右侧轴承座7设置在试验台底座9上，左侧轴承座3、右侧轴承座7之间安装转子；左侧轴承座3外侧设置有直流电机1，该直流电机通过电机座10安装在试验台底座9上，通过弹性联轴器2与伸出左侧轴承座3的转子连接。
转子包括能量采集器8、圆盘5、传感器6、转轴4。
能量采集器8设置在所述转轴4上，所述转轴进行转动使得在所述能量采集装置上的产生交变载荷，从而所述能量采集装置能够产生电压输出。
能量采集器8采集的电能能够通过连接能量采集器8和传感器的导线传送到传感器6。
参见附图7所示，能量采集装置包括固定螺母81、压电片82、83、8和套筒85。
套筒85表面加工有螺纹，并通过过盈配合安装在转轴4上。
所述的压电片82、83、84安装在套筒85上。所述的固定螺母81和套筒的端面分居在压电片的两端，将其固定在转轴4上；以及
所述的固定螺母81和套筒85设置成向所述的压电片施加不同的预紧力。
在本实施方式中，其设置了圆盘作为配重，并且，将传感器设置于圆盘上，圆盘作为配重不会引入不平衡质量，不会对转子系统原有的工作状态产生影响；将传感器和能量采集器结合能够在不引入其它供电装置的情况下实现传感器的持续工作，对转子系统的工作状态进行实时监测。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种能量采集实验装置，其包括：转轴(1)、转轴支撑部(10)以及能量采集装置，
其中，所述转轴支撑部支撑转轴，使得所述转轴在外力下进行转动；
所述能量采集装置设置在所述转轴上，所述转轴进行转动使得在所述能量采集装置上产生交变载荷，从而所述能量采集装置能够产生电压输出；
所述能量采集装置包括压电叠堆(3)、第一固定螺母(2)以及第二固定螺母(4)；
所述第一固定螺母和所述第二固定螺母分别设置于所述压电叠堆的两侧，利用所述第一固定螺母和所述第二固定螺母能够将所述压电叠堆固定于所述转轴；以及
所述第一固定螺母和所述第二固定螺母设置成向所述压电叠堆施加不同的预紧力。
2.根据权利要求1所述的能量采集实验装置，其中，所述压电叠堆由多片压电陶瓷片组成，多片所述压电陶瓷片串联连接。
3.根据权利要求2所述的能量采集实验装置，其中，所述压电陶瓷片表面设置成多个彼此绝缘的扇形导电涂层。
4.根据权利要求1所述的能量采集实验装置，还包括配重块，所述配重块设置于所述转轴上。
5.一种能量采集实验装置，其包括：
直流电机以及转子部件；
所述转子部件包括能量采集器、圆盘、传感器以及转轴；
所述直流电机驱动所述转轴转动；
能量采集器设置在所述转轴上，所述转轴进行转动使得在所述能量采集器上产生交变载荷；
传感器设置于所述圆盘上；
能量采集器与所述传感器电连接，能量采集器采集的电压输出到所述传感器；
所述能量采集器包括固定螺母、压电片和套筒；
所述固定螺母和套筒分别设置于所述压电片的左右两侧，利用所述固定螺母和所述套筒能够将所述压电片固定于所述转轴；以及
所述固定螺母和所述套筒设置成向所述压电片施加不同的预紧力。
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