CN110429863A - 一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，由安装于壳体内的多根压电梁组成，压电梁相对端间通过铁磁性材料的质量块和限位栓连接，对过冲击载荷作用下的大变形予以控制。同时在壳体内安装永磁体在质量块处产生磁场，组成压电磁弹性结构。在外界振动加载条件下，振动能量传入壳体，使压电梁产生垂直于压电梁的非线性振动，实现宽频带能量收集；压电梁末端连接能量收集模块，由能量收集模块采集压电梁振动产生的电荷。本发明具备压电梁大应变、响应频带宽、电荷输出高的特性，同时兼顾结构在振动能量采集过程中的可靠性；从而既保证高效的振动能量收集能力，又保证结构的长期可靠稳定工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量收集装置，具体来说是一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置。
背景技术
目前铁路货运列车车厢没有电源，如需监测货车车厢在行驶中的状态，安置在货车车厢的传感器终端则需要自己解决供电问题；根据货车车厢在行驶中轮轨接触能够提供源源不断的振动能量这一特点，振动能量的收集为传感器的供电问题给出了一种解决思路，基于压电悬臂梁结构的振动能量收集装置因可提供大应变设计，高电荷产出，而被广泛研究，而在实际工程应用当中，往往存在大冲击载荷作用于压电梁结构，压电梁根部易发生疲劳断裂，存在结构可靠性固有缺陷。对于铁路运输线路，轮轨存在意外冲击载荷的可能，对安装在货车转向架上的振动能量收集装置提出了较高的力学环境适应性设计要求。
研究表明：振动能量收集装置在振动环境中，为保证长期稳定的工作状态，振动采集装置的可靠性需要得到充分的保证，才能在实际工程应用中推广和发展。
对压电梁而言，如采用相对可靠的结构方式，如简支或固支结构，其能量收集能力又受到较大的影响，需要给出一种既保证机电转换效率，又比较可靠的约束方案来确保压电梁结构适用于工程实际。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种振动能量收集效率高、振动冲击环境下长期稳定可靠工作的宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，在实现压电梁大应变、宽频响、电荷输出高的特性同时，通过同步耦合约束控制其受大冲击载荷情况下的过大变形，提高压电梁式能量收集的结构可靠性，同时所采用的双梁耦合结构，保证了采用同一收集电路的电荷收集能力。本发明解决了铁路货运车辆车厢在无供电条件下，车厢传感器终端实现自供能设计，实现实时转向架关键状态参数得以监控的目的。
本发明宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，由电能转化模块和能量收集模块组成。
其中，电能转化模块由至少2根安装于壳体内的压电梁耦合而成，且压电梁周向均布，末端固定于壳体上，前端通过连接件耦合，连接件为铁磁性材料。上述连接件采用质量块；质量块左端与右端设计有压电梁插孔，压电梁前端插入压电梁插孔内，质量块随压电梁振动产生横向位移，且可相对压电梁插合面产生相对滑动。压电梁前端与质量块上开有同轴限位孔；限位孔内同轴设置直径小于限位孔内径的限位栓；限位栓两端螺纹安装有限位栓帽，限位栓帽直径大于限位孔内径，旋入质量块顶面上设计的凹槽内；通过限位栓实现压电梁与质量块的机械连接以及限制质量块与压电梁的相对滑动范围。
在壳体内安装的永磁体在连接件处产生磁场；在外界振动加载条件下，振动传入壳体，使压电梁产生垂直于压电梁的非线性振动。
压电梁末端连接能量收集模块，由能量收集模块采集压电梁振动产生的电荷。
本发明的优点在于：
1、本发明宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，与传统压电悬臂梁结构相比，通过双梁耦合互锁设计，实现压电梁更宽范围的配重设计、应变控制，易于悬臂梁高发电能力的设计实现，有利于低频环境下更多电荷的生成；提升长期可靠工作能力，实现压电梁能量收集结构的工程化应用。
2、本发明宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，与单悬臂压电梁结构相比，通过双梁耦合互锁设计，在结构上控制压电梁变形上限值，实现压电梁在配重条件下避免破坏性形变出现，防止根部断裂，结构失效，提升压电梁能量收集结构的力学环境适应性。
3、本发明宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，与简支压电梁结构相比，通过双梁耦合互锁设计，提升压电梁最大位移响应幅值，易产生较大应变，具有高效机电转换效率特点。
4、本发明宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，通过永磁体与铁磁性材料质量块实现磁弹性结构设计，拓宽压电梁振动频率响应范围，提升装置振动能量采集能力。
5、本发明宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，通过双梁耦合同步振动结构，实现双梁电荷输出一致，从而达到采用同一电路实现高效采集目的。
附图说明
图1为本发明宽频耦合压电梁能量收集装置结构示意图。
图中：
1-电能转化模块 2-能量收集模块 3-左限位孔
4-右限位孔 101-压电梁 102-共用质量块
103-限位栓 104-壳体 105-上永磁体
106-下永磁体
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，由电能转化模块1和能量收集模块2两部分共同组成。其中，能量转化模块1由压电梁耦合能量收集结构和磁场结构两部分组成。压电梁耦合能量收集结构，由压电梁101、共用质量块102、限位栓103与壳体104组成。磁场结构由上永磁体105、下永磁体106、共用质量块102组成。
所述壳体104为立方体结构，壳体104左右两个侧壁中心位置开设的压电梁安装孔，用于安装压电梁101与走线，同时保证壳体104内部的密闭。
所述压电梁101为两根，令其分别为左侧压电梁与右侧压电梁；其中，左侧压电梁与右侧压电梁平行于壳体104底面左右对称设置。左侧压电梁与右侧压电梁的末端分别固定于壳体104左侧壁与右侧壁上的压电梁安装孔内，且左侧压电梁与右侧压电梁前端相对具有间隙。
所述共用质量块102为铁磁性材料，左端与右端设计有压电梁插孔，左侧压电梁和右侧压电梁前端等长度一段插入共用质量块102左右两端设计的压电梁插孔内，并且左侧压电梁和右侧压电梁前端与共用质量块102左右方向的孔壁贴合，实现共用质量块102与压电梁101间的滑动连接；当压电梁101产生振动的同时，共用质量块102会沿压电梁101发生横向移动。上述共用质量块102可采用上下分体结构，通过上下多层质量块进行对接，形成整体质量块102，方便实现与压电梁间的安装。
上述共用质量块102左部与左侧压电梁前端位置处，沿纵向同轴开孔，形成整体左限位孔3；同样共用质量块102右部与右侧压电梁前端位置处，沿纵向同轴开设通孔，形成整体右限位孔4；且左限位孔3与右限位孔4内径相等，同时左限位孔3的轴线到左侧压电梁前端端部间距离与右限位孔4的轴线到右侧压电梁前端端部间距离相等。
所述限位栓103置于左限位孔3与右限位孔4内，上述限位栓103直径小于左限位孔3和右限位孔4的内径。限位栓103两端螺纹安装有限位栓帽5，限位栓帽5直径大于左限位孔3和右限位孔4的内径，旋入共用质量块102顶面上设计的凹槽内，实现限位栓103与共用质量块102间的定位；由此通过限位栓帽5限制限位栓103与共用质量块102间的横向及纵向位移。由于设计限位栓103直径小于左限位孔3和右限位孔4的内径，因此通过左限位孔3与右限位孔4内的限位栓103，限制共用质量块102相对压电梁的滑动范围，且限制左侧压电梁与右侧压电梁在振动时产生的横向位移；且通过共用质量块102和限位栓103结合的安装方式，实现共用质量块102配重在双压电梁101上的等重配置，实现双梁的同步变形控制。
上永磁体105与下永磁体106，分别嵌入固定于壳体104内部顶面与底面上开设的永磁体固定槽内，使在壳体内形成磁场，同时使共用质量块102位于上永磁体105与下永磁体106所形成的磁场中，实现整体结构的磁弹性设计；在双压电梁101振动过程中，共用质量块2在磁场中形成非线性振动。
在外界振动加载条件下(振动方向沿压电梁101厚度方向)，振动传入壳体101内，由于双压电梁101通过共用质量块102以及限位栓103形成互锁结构，压电梁1和压电梁2保持同步振动。振动过程中，共用质量块102可在双压电梁101前端发生一定范围内的滑动位移，释放更大的横向振幅，且滑动位移通过限位栓103限制，实现了共用质量块102的横向振幅控制，避免压电梁101根部应变超出许用范围的情况出现。
在双压电梁101同步振动过程中，共用质量块102在磁场作用下，双压电梁101产生非线性振动，对振动频段敏感范围变宽，实现高效能量转换。同时，左侧压电梁与右侧压电梁上下表面产生的正负电荷，由能量收集模块2同步采集。
所述能量收集模块2可采用任何振动能量收集电路，采集端通过导线穿过壳体104左右两侧的压电梁安装孔分别与两根压电梁101末端连接，实现双压电梁101电荷输出一致，用同一电路高效采集的目的。
本发明宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，通过双压电梁101完成振动环境下的机电转换效应，通过共用质量块102将双压电梁101互锁，实现双压电梁101的低频同步振动，通过该同步振动设计，实现压电梁101应变分布趋于一致，提高采用同一电荷收集电路，对正负电荷的收集效率。通过整个结构的磁弹性体设计，实现压电梁101非线性振动，拓宽振动频段敏感范围，提升能量采集效率。
本发明中压电梁101可以为等截面、变截面等多种结构形式；在壳体104内的排布不局限于壳体左右两侧各一根，也可以是周向均匀布置多根压电梁101；也可以纵向布置多层压电梁101，每层压电梁101至少为两根，并采用前述排布方式。同时，压电梁101间的耦合形式包括两根压电梁101之间、多根组压电梁101之间的任意结构耦合形式。
本发明中构成磁场的永磁体可为一个或多个，需保证永磁体安装分布在质量块周围产生磁场，使共用质量块102位于该磁场内。
Claims (6)
1.一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，由电能转化模块和能量收集模块组成；其特征在于：电能转化模块由至少2根安装于壳体内的压电梁耦合而成，且压电梁周向均布，末端固定于壳体上，前端通过连接件耦合，连接件为铁磁性材料；在壳体内安装的永磁体在连接件处产生磁场；在外界振动加载条件下，振动传入壳体，使压电梁产生垂直于压电梁的非线性振动；压电梁末端连接能量收集模块，由能量收集模块采集压电梁振动产生的电荷。
2.如权利要求1所述一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，其特征在于：在壳体内不同横截面上安装压电梁，形成多层压电梁结构，每层压电梁至少为两根，周向均布。
3.如权利要求1所述一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，其特征在于：连接件采用质量块；质量块左端与右端设计有压电梁插孔，压电梁前端插入压电梁插孔内产生间隙配合，质量块随压电梁振动产生横向位移，且可相对压电梁插合面产生相对滑动。
4.如权利要求3所述一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，其特征在于：压电梁前端与质量块上开有同轴限位孔；限位孔内同轴设置直径小于限位孔内径的限位栓；限位栓两端螺纹安装有限位栓帽，限位栓帽直径大于限位孔内径，旋入质量块顶面上设计的凹槽内；通过限位栓实现压电梁与质量块的机械连接以及限制质量块与压电梁的相对滑动范围。
5.如权利要求1所述一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，其特征在于：所述的压电梁可以为等截面、变截面等多种结构形式。
6.如权利要求1所述一种宽频高可靠性压电梁耦合能量收集装置，其特征在于：在连接件处产生磁场所需的永磁体可为一个或多个组成。
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