CN112134489B - 一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，包括壳体以及设置于壳体内部的阶梯轴、压电悬臂梁、单侧开口空腔结构以及自由重物；其中阶梯轴的中轴线与壳体的母线重合，阶梯轴的两端分别于壳体的两个端面配合固定；压电悬臂梁的一端与阶梯轴配合固定，压电悬臂梁的另一端为自由端；单侧开口空腔结构的开口底部固定在压电悬臂梁的自由端，单侧开口空腔结构的开口均朝向所述阶梯轴的转动方向；应用本技术方案可实现旋转式压电振动能量收集装置只需要安装在外附旋转机构中转动部件上，可以与外附旋转机构中转动部件同心安装也可以任意偏心距离安装。
Description
技术领域
本发明涉及能量转换领域，具体是指一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置。
背景技术
随着5G网络的布局逐渐完善，物联网中传感器的分布领域也越来越广，未来将会有数以万亿级别的传感器遍布在我们生活中的各个角落，实现万物互联。目前，绝大多数的传感器仍然是采用传统的化学电池供电，这就需要面对化学电池功能寿命短、频繁更换维护、更换困难、破坏环境以及回收成本高等问题，这将限制物联网向更广阔应用领域的发展。为了解决采用传统电池给无线传感器供电所带来的问题，研究人员提出了振动能量收集技术作为解决该问题的方案之一。
振动能量收集技术是通过收集环境中普遍存在的振动机械能，通过压电转换、电磁转换、静电转换等方式将振动机械能转换为电能进而实现为传感器供能，整个转换的过程中安全、无污染，因此振动能量收集技术被认为是非常有潜力替代传统电池为无线电子设备长期供能的绿色能源技术。其中压电式振动能收集器因其结构简单、能量密度大，具有非常好的应用前景。
在实际应用环境中可收集的振动能量中有一种为旋转式振动能量，比如车轮、风力发电机叶片、飞机的叶片等，而这些旋转机构内部往往需要安装一些传感器(胎压监测传感器、叶片应力监测传感器等)来实时监测设备的健康情况，因此需要一套旋转式振动能量收集装置来为相应的传感器长期供能。目前，主流的旋转式压电振动能量收集装置主要是分为静子和转子两个部分，当安装在一个外附旋转机构上时，静子必须要固定在一个不会转动部件上，而转子需要与转动部件连接配合在一起，保持静子与转子之间始终存在相对运动，然后通过分别固定在静子或者转子上的拨片不断地碰撞固定在转子或者静子上的压电悬臂梁来产生电能；这样的一种结构设计需要旋转式压电振动能量收集装置中静子与转子两个部分需要分别固定外附旋转机构的静止和转动部件上，而且转子结构要保证与外附旋转机构同心；而在实际的应用中，像车轮、风力发电机叶片等旋转机构都已经是装配完成的，整个轴系结构在前期已经是设计定型了，基本很难会有空间再额外同心安装一个旋转式压电振动能量收集装置。因此，在实际的应用当中，目前这些旋转式压电能量收集装置基本上是很难安装在外附旋转机构上，对于实际应用来说非常的不方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种心安装旋转式压电振动能量收集装置，使旋转式压电振动能量收集装置只需要安装在外附旋转机构中转动部件上，可以与外附旋转机构中转动部件同心安装也可以任意偏心距离安装。。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，包括壳体以及设置于壳体内部的阶梯轴、压电悬臂梁、单侧开口空腔结构以及自由重物；
其中阶梯轴的中轴线与壳体的母线重合，阶梯轴的两端分别于壳体的两个端面配合固定；压电悬臂梁的一端与阶梯轴配合固定，压电悬臂梁的另一端为自由端；单侧开口空腔结构的开口底部固定在压电悬臂梁的自由端，单侧开口空腔结构的开口均朝向所述阶梯轴的转动方向；
所述壳体横向设置，自由重物覆盖在壳体底部的部分区域；当安装在外附旋转机构的壳体发生同心转动或者偏心转动的时候，壳体以及阶梯轴、压电悬臂梁和单侧开口空腔结构随壳体同步转动；在重力作用下，自由重物始终位于所述壳体的底部的部分区域；当压电悬臂梁转动使压电悬臂梁的自由端转动经过壳体底部自由重物覆盖的区域时，固定在压电悬臂梁自由端的单侧开口空腔结构浸没在自由重物中，从而使单侧开口空腔结构在压电悬臂梁旋转的路径上对压电悬臂梁施加阻力并使其发生弯曲变形，进而通过压电效应产生电能；当压电悬臂梁继续转动离开自由重物覆盖的区域时，部分的自由重物由单侧开口空腔结构的开口进入其内部，这部分自由重物对压电悬臂梁的自由端施加一个沿重力方向的力，使得压电悬臂梁在转动脱离自由重物覆盖的区域之后仍然会保持一定的弯曲形变；当压电悬臂梁继续转动的时候，单侧开口空腔结构内的自由重物会逐渐由开口掉落，此时额外加载在压电悬臂梁自由端的力逐渐被卸掉，从而压电悬臂梁的自由衰减振动，进而导致压电悬臂梁在一个旋转周期内再一次产生电能。
在一较佳的实施例中，壳体安装在外附旋转机构中转动部件上，与外附旋转机构中转动部件同心安装或偏心安装。
在一较佳的实施例中，自由重物具体为若干个自由滚动的小球。
在一较佳的实施例中，所述自由重物具体为低粘度液体。
在一较佳的实施例中，所述压电悬臂梁以所述阶梯轴的中轴线为中心旋转设置，且设置有多个。
在一较佳的实施例中，所述壳体具体为圆柱壳体，所述壳体横向设置时，所述壳体的中心线水平设置。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提出了一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，解决了现有旋转式压电振动能量收集装置需要与外附旋转机构同心安装，并且能量收集装置中静子与转子结构需要分别固定在外附旋转机构中静止部件和转动部件上等限制要求所带来的不便，实现了旋转式压电振动能量收集装置只需要安装在外附旋转机构中转动部件上，而且可任意偏心距离安装；
1.将自由重物覆盖在圆柱壳体的底部部分区域，当安装在外附旋转机构的圆柱壳体发生同心转动即自转与公转重合，或者偏心转动即只有围绕着旋转中心的公转的时候，这些自由重物只会随着圆柱壳体公转而不会随着圆柱壳体自转；而且在公转的时候，在重力的作用下这些自由重物只会位于圆柱壳体在任意位置处的最低区域，因此在圆柱壳体底部的可自由滚动的自由重物与旋转式压电能量收集装置中对压电悬臂梁会始终存在一个相对运动，可以给压电悬臂梁施的自由端施加一个力，迫使压电悬臂梁发生弯曲形变后产生电能；
2.利用覆盖在圆柱壳体底部部分区域的自由重物只会随着圆柱壳体公转而不会随着圆柱壳体自转的特点对压电悬臂梁施加阻力使其发生弯曲形变，因此旋转式压电振动能量收集装置只安装在外附旋转机构的转动部件上即可，而且可以与外附旋转机构的转动部件任意偏心距离位置进行安装，极大的降低了旋转式压电振动能量收集装置在外附旋转机构上的安装限制。
3.压电悬臂梁的末端固定了一个单侧开口空腔结构，可以增大压电悬臂梁在经过自由重物覆盖区域内受到的阻力，而且在压电悬臂梁与脱离自由重物覆盖的区域之后，空腔内部可以收集到一部分自由重物，这部分自由重物会对压电悬臂梁的自由端施加一个沿重力方向的力，使得压电悬臂梁在转动脱离若干个小球覆盖的区域之后仍然会保持一定的弯曲形变；当压电悬臂梁继续转动的时候，单侧开口空腔结构内的小球会逐渐从空腔内掉落，此时额外加载在压电悬臂梁自由端的力逐渐被卸掉，从而压电悬臂梁的自由衰减振动，可以让压电悬臂梁在一个旋转周期内再一次产生电能。
附图说明
图1为本发明优选实施例1中可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置的整体结构示意图；
图2为本发明优选实施例2中可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置的整体结构示意图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，参考图1，包括圆柱壳体1以及设置于圆柱壳体1内部的阶梯轴2、压电悬臂梁3、单侧开口空腔结构4、若干个可自由滚动的小球5；
所述阶梯轴2的中轴线与所述圆柱壳体1的母线中和，并且所述阶梯轴2的两端分别于所述圆柱壳体1的两个圆形端面配合固定；所述压电悬臂梁3的一端与阶梯轴2配合固定，压电悬臂梁3的另一端为自由端；所述单侧开口空腔结构4的开口底部固定在所述压电悬臂梁3的自由端，单侧开口空腔结构4的开口均朝向所述阶梯轴的转动方向；所述若干个可自由滚动的小球5覆盖在所述圆柱壳体1底部的部分区域；
当安装在外附旋转机构的圆柱壳体1发生同心转动即自转与公转重合或者偏心转动即只有围绕着旋转中心的公转的时候，圆柱壳体1以及固定在圆柱壳体1内部的阶梯轴2、压电悬臂梁3以及单侧开口空腔结构4会跟随圆柱壳体1同步转动；圆柱壳体1内的若干个可自由滚动的小球5由于可以在圆柱壳体1内部自由滚动，因此在重力的作用下并不会随着圆柱壳体1一起转动，而是始终处于圆柱壳体1的底部滚动；因此，当压电悬臂梁3和单侧开口空腔结构4转动经过底部若干个可自由滚动小球5覆盖的区域时，单侧开口的空腔结构4会逐渐浸没在若干个可自由滚动的小球5中，从而在压电悬臂梁3旋转的路径上对其施加阻力并使其发生弯曲形，进而通过压电效应产生电能；当压电悬臂梁3继续转动离开若干个可自由滚动的小球5覆盖区域的时候，固定在压电悬臂梁3自由端单侧开口的空腔4内部则会收集到一部分可自由滚动的小球5，这部分可自由滚动的小球5会在压电悬臂梁3的自由端施加一个沿重力方向的力，使得压电悬臂梁3在转动脱离可自由滚动的小球5覆盖的区域之后仍然会保持一定的弯曲形变；当压电悬臂梁3继续转动的时候，单侧开口空腔结构4内的可自由滚动的小球5会逐渐从空腔内掉落，此时额外加载在压电悬臂梁自由端3的力逐渐被卸掉，压电悬臂梁3在力被卸掉后会发生自由衰减振动，进而导致压电悬臂梁3在一个旋转周期内再一次产生电能。
综述所述，本发明提出了一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，通过在同心转动或者偏心转动的圆柱壳体1内放置若干个可自由滚动的小球5，在重力的作用下小球5不会随着圆柱壳体1发生同步转动的特性，可以对固定在圆柱壳体1内部并与圆柱壳体1同步转动的压电悬臂梁3在转动的路径上施加阻力从而使其发生弯曲形变产生电能；而且利用固定在压电悬臂梁3自由端处单侧开口的空腔结构4在压电悬臂梁3旋转脱离小球5覆盖的区域的时候可以收集部分小球5，使得压电悬臂梁3在转动脱离可自由滚动的小球5覆盖的区域之后仍然会保持一定的弯曲形变；当压电悬臂梁3继续转动的时候，单侧开口的空腔结构4内的可自由滚动的小球3会逐渐从单侧开口的空腔结构4内掉落，此时额外加载在压电悬臂梁3自由端的压力逐渐被卸掉，压电悬臂梁3在压力被卸掉后会发生自由衰减振动，进而导致压电悬臂梁3再一次产生电能；可以有效解决前述背景技术中心旋转式压电振动能量收集装置必须外附旋转结构同心安装这一局限问题，而且一个周期内压电悬臂梁可以两次发电，能够进一步提高能量转换效率。
实施例2
一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，参考图2，包括圆柱壳体1以及设置于圆柱壳体1内部的阶梯轴2、压电悬臂梁3、单侧开口空腔结构4、一定量的低粘度液体6；
所述阶梯轴2的中轴线与所述圆柱壳体1的母线重合，并且所述阶梯轴2的两端分别于所述圆柱壳体1的两个圆形端面配合固定；所述压电悬臂梁3的一端与阶梯轴2配合固定，压电悬臂梁3的另一端为自由端；所述单侧开口空腔结构4的底部固定在所述压电悬臂梁3的自由端，顶部为开放式结构；所述一定量的低粘度液体6覆盖在所述圆柱壳体1底部的部分区域；
当安装在外附旋转机构的圆柱壳体1发生同心转动即自转与公转重合或者偏心转动即只有围绕着旋转中心的公转的时候，圆柱壳体1以及固定在壳体内部的阶梯轴2、压电悬臂梁3以及单侧开口空腔结构4会跟随圆柱壳体同步转动；在圆柱壳体内的一定量的低粘度液体6在重力的作用下并不会随着圆柱壳体1一起转动，而是始终处于圆柱壳体1的底部；因此，当压电悬臂梁3和单侧开口空腔结构4转动经过底部一定量的低粘度液体6覆盖的区域时，单侧开口的空腔结构4会逐渐浸没在一定量的低粘度液体6中，从而在压电悬臂梁3旋转的路径上对其施加阻力并使其发生弯曲形，进而通过压电效应产生电能；当压电悬臂梁3继续转动离开一定量的低粘度液体6覆盖区域的时候，固定在压电悬臂梁3自由端单侧开口的空腔4内部则会收集到一部分一定量的低粘度液体6，这部分低粘度液体6会在压电悬臂梁3的自由端施加一个沿重力方向的力，使得压电悬臂梁3在转动脱离一定量的低粘度液体6覆盖的区域之后仍然会保持一定的弯曲形变；当压电悬臂梁3继续转动的时候，单侧开口空腔结构4内的一定量的低粘度液体6会逐渐从空腔内流落，此时额外加载在压电悬臂梁自由端3的力逐渐被卸掉，压电悬臂梁3在力被卸掉后会发生自由衰减振动，进而导致压电悬臂梁3在一个旋转周期内再一次产生电能。
综述所述，本发明提出了一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，只需要安装在外附旋转机构中转动部件上，而且可任意偏心距离安装；通过放置在圆柱壳体底部部分区域若干个可自由滚动的小球或者一定量低粘度液体，在重力的作用下小球和低粘度液体只会随着圆柱壳体公转而不会随着圆柱壳体发生自转的特性，可以对固定在圆柱壳体内部并与圆柱壳体同步转动的压电悬臂梁在转动的路径上施加阻力从而使其发生弯曲形变产生电能；而且利用固定在压电悬臂梁自由端处单侧开口空腔结构在旋转进入若干个可自由滚动小球或者一定量低粘度液体覆盖的区域的时候可以增加压电悬臂梁受到的阻力；当固定在压电悬臂梁自由端处单侧开口空腔结构脱离若干个可自由滚动的小球或者一定量低粘度液体覆盖的区域的时候可以收集部分小球或者液体，使得压电悬臂梁在转动脱离可自由滚动的小球覆盖的区域之后仍然会保持一定的弯曲形变；当压电悬臂梁继续转动的时候，单侧开口的空腔结构内的可自由滚动的小球或者低粘度液体会逐渐从空腔内掉落，此时额外加载在压电悬臂梁自由端的力逐渐被卸掉，从而压电悬臂梁的自由衰减振动，进而导致压电悬臂梁再一次产生电能；此方案可以有效解决前述背景技术中心旋转式压电振动能量收集装置需要与外附旋转机构同心安装，并且能量收集装置中静子与转子结构需要分别固定在外附旋转机构中静止部件和转动部件上等限制安装条件所带来的不便。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，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，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (4)
1.一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，其特征在于包括壳体以及设置于壳体内部的阶梯轴、压电悬臂梁、单侧开口空腔结构以及自由重物；
其中阶梯轴的中轴线与壳体的母线重合，阶梯轴的两端分别于壳体的两个端面配合固定；压电悬臂梁的一端与阶梯轴配合固定，压电悬臂梁的另一端为自由端；单侧开口空腔结构的开口底部固定在压电悬臂梁的自由端，单侧开口空腔结构的开口均朝向所述阶梯轴的转动方向；
所述壳体横向设置，自由重物覆盖在壳体底部的部分区域；当安装在外附旋转机构的壳体发生同心转动或者偏心转动的时候，壳体以及阶梯轴、压电悬臂梁和单侧开口空腔结构随壳体同步转动；在重力作用下，自由重物始终位于所述壳体的底部的部分区域；当压电悬臂梁转动使压电悬臂梁的自由端转动经过壳体底部自由重物覆盖的区域时，固定在压电悬臂梁自由端的单侧开口空腔结构浸没在自由重物中，从而使单侧开口空腔结构在压电悬臂梁旋转的路径上对压电悬臂梁施加阻力并使其发生弯曲变形，进而通过压电效应产生电能；当压电悬臂梁继续转动离开自由重物覆盖的区域时，部分的自由重物由单侧开口空腔结构的开口进入其内部，这部分自由重物对压电悬臂梁的自由端施加一个沿重力方向的力，使得压电悬臂梁在转动脱离自由重物覆盖的区域之后仍然会保持一定的弯曲形变；当压电悬臂梁继续转动的时候，单侧开口空腔结构内的自由重物会逐渐由开口掉落，此时额外加载在压电悬臂梁自由端的力逐渐被卸掉，从而压电悬臂梁的自由衰减振动，进而导致压电悬臂梁在一个旋转周期内再一次产生电能；所述自由重物具体为低粘度液体。
2.根据权利要求1所述的一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，其特征在于：自由重物具体为若干个自由滚动的小球。
3.根据权利要求1所述的一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，其特征在于：所述压电悬臂梁以所述阶梯轴的中轴线为中心旋转设置，且设置有多个。
4.根据权利要求1所述一种可偏心安装旋转式压电振动能量收集装置，其特征在于：所述壳体具体为圆柱壳体，所述壳体横向设置时，所述壳体的中心线水平设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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