CN113258826A - 一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器，属于振动俘能技术领域，本发明是为了解决现有的旋转型俘能器大多是压电装置固定在旋转盘上，导致使用寿命缩短、空间利用率不足、调频方式单一、俘能效率低的问题。压电悬臂梁通过螺栓螺母和夹板固定连接在圆筒上，圆筒和盖板通过螺纹连接，旋转圆盘的旋转轴通过轴承与盖板中心孔同轴心连接，磁铁周向均布粘贴在旋转圆盘的圆盘上。本发明是一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器，可通过改变圆盘数量和圆筒内表面形状增大俘能器的空间使用率，并且可改变磁铁数量和转速调整激励频率，具有设计灵活、调频方式多样、俘能效率高等优点，本发明可广泛应用于齿轮箱、汽轮机和汽车车轮等领域的能量收集。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种压电俘能器，具体涉及一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器，属于振动俘能技术领域。
背景技术
近年来，国家大力倡导绿色能源和新能源的开发利用，但目前无论是在生活用品还是在工业用品中所使用的传感器，依然采用电化学电池对其供能，这不但对于环境会产生污染和破坏，而且当传感器应用在一些结构比较复杂的机械或危险场合时，对其更换电池是一项非常麻烦和复杂的工作。
振动俘能是可以利用环境中的振动机械能转化为电能的一项技术，主要包括电磁俘能、静电俘能、压电俘能等，而压电俘能具有功率密度大和应用方便等优点而被广泛使用。在日常生活中，旋转机械可以随处可见，例如汽轮机、齿轮箱、风扇和汽车车轮等，因此现在有很多学者正在从事利用旋转机械的离心力或旋转机械能转变为电能的方向研究。如文献“Wang Y,Yang Z,Cao D Q.On the offset distance of rotational piezoelectricenergy harvesters[J].Energy,2021,220.”和“Zhou G,Li Z,Zhu Z,et al.A NewPiezoelectric Bimorph Energy Harvester Based on the Vortex-Induced-VibrationApplied in Rotational Machinery[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2019,24(2):700-709.”中提出的应用在旋转环境中的压电俘能器。其结构虽然有一定的俘能效果，但所介绍的构型都是将压电装置直接固定在旋转盘上，这会导致当旋转盘高速运转时，很容易损坏压电装置，并且当维修压电装置时，需要对其停止工作，这样势必会影响工作效率，另外，由于压电俘能装置跟随旋转盘转动，要想俘能装置的外接导线不缠绕在一起，需要使用滑环，而滑环在工作过程中会损失一部分俘获的电能，导致俘能器的俘能效率低，而且这种构型的空间利用率受限，同时这种构型只能依靠转盘的转速进行调频，调频方式单一。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器，以解决空间利用率受限，旋转机械俘能调频方式单一，俘能效率低的问题。
一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器包括压电悬臂梁、旋转圆盘、盖板、圆筒、磁铁组件；
压电悬臂梁通过螺栓螺母和夹板固定连接在圆筒上，圆筒和盖板通过螺纹连接，旋转圆盘的旋转轴通过轴承与盖板中心孔同轴心连接，磁铁周向均布粘贴在旋转圆盘的圆盘上。
优选的：压电悬臂梁包括弹性基体和压电材料，压电材料粘贴在弹性基体上，且二者宽度相等，弹性基体的末端开有螺纹孔，螺栓螺母通过弹性基体末端螺纹孔将压电悬臂梁固定在夹板上，弹性基体未开螺纹孔的另一端固定粘贴磁铁。
优选的：圆筒外表面是圆形，圆筒内表面为了方便安装压电悬臂梁可设计成正八边形，圆筒外表面的周向方向开有多个圆筒凹槽，每个圆筒凹槽内贯穿四个螺纹孔用于固定夹板，螺栓螺母通过夹板螺纹孔和圆筒螺纹孔使安装有压电悬臂梁的夹板固定在圆筒内壁上。
优选的：轴承配合在盖板中心孔内，旋转圆盘的旋转轴与轴承内圈接触，多个磁铁均布且相对位置粘贴在两个相邻圆盘对向面的磁铁凹槽内。
优选的：圆筒外壁上下端分别开有圆筒外螺纹，圆筒外螺纹和盖板内螺纹旋合连接。
优选的：压电悬臂梁所俘获的电能通过导线由圆筒导线孔导出。
优选的：磁铁的形状可以为直棱柱、圆柱或圆台等，所述磁铁优选为棱柱。
优选的：圆筒内表面可以设计成正四边形、正五边形或正多边形等。
优选的：旋转圆盘的圆盘数量可以是三个、四个、五个或多个。
本发明与现有产品相比具有以下效果：
1、通过旋转圆盘的旋转运动，使粘贴在圆盘上的磁铁与压电悬臂梁末端磁铁的磁力产生周期性变化，致使压电悬臂梁产生振动，压电材料由于正压电效应，可将振动能转为电能，这种旋转型压电俘能器具有激励方式简单、运行稳定、结构新颖、俘能效率高的优点；
2、本发明可以扩展成更多层的俘能结构，即可以把旋转圆盘设计成多个，在每两个相邻圆盘的相对面粘贴多个磁铁，同时也可以将圆筒的内表面设置成正多边形，可以安装更多的压电悬臂梁，这样的旋转型俘能器具有空间利用率高、设计灵活、可系列化的优点；
3、本发明不仅可以通过调整旋转圆盘的转速进行调频，而且也可以通过改变磁铁粘贴在圆盘上的数量来改变激励频率，使压电悬臂梁实现最大发电量，具有应用性更强的优点。
附图说明
图1是一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器的结构示意图；
图2是旋转圆盘与盖板连接的结构示意图；
图3是旋转圆盘的结构示意图；
图4是压电悬臂梁与夹板连接方式的爆炸示意图；
图5是圆筒的结构示意图；
图6是压电悬臂梁安装在圆筒上的走线示意图。
图中：1-压电悬臂梁、2-压电材料、3-弹性基体、4-弹性基体末端螺纹孔、5-夹板、6-磁铁、7-夹板螺纹孔、8-圆筒、9-圆筒凹槽、10-圆筒螺纹孔、11-轴承、12-盖板、13-盖板中心孔、14-旋转圆盘、15-旋转轴、16-圆盘、17-圆筒外螺纹、18-盖板内螺纹、19-圆筒导线孔、20-磁铁凹槽。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
如图1至图6所示，本发明所述的一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器包括压电悬臂梁1、旋转圆盘14、盖板12、圆筒8、磁铁6组件；
压电悬臂梁1通过螺栓螺母和夹板5固定连接在圆筒8上，圆筒8和盖板12通过螺纹连接，旋转圆盘14的旋转轴15通过轴承11与盖板中心孔13同轴心连接，磁铁6周向均布粘贴在旋转圆盘14的圆盘16上。
进一步：压电悬臂梁1包括弹性基体3和压电材料2，压电材料2粘贴在弹性基体3上，且二者宽度相等，弹性基体3的末端开有螺纹孔，螺栓螺母通过弹性基体末端螺纹孔4将压电悬臂梁1固定在夹板5上，弹性基体3未开螺纹孔的另一端固定粘贴磁铁6。
进一步：圆筒8外表面是圆形，圆筒8内表面为了方便安装压电悬臂梁1可设计成正八边形，圆筒8外表面的周向方向开有多个圆筒凹槽9，每个圆筒凹槽9内贯穿四个螺纹孔用于固定夹板5，螺栓螺母通过夹板螺纹孔7和圆筒螺纹孔10使安装有压电悬臂梁1的夹板5固定在圆筒8内壁上。
进一步：轴承11配合在盖板中心孔13内，旋转圆盘14的旋转轴15与轴承11内圈接触，多个磁铁6均布且相对位置粘贴在两个相邻圆盘16对向面的磁铁凹槽20内。
进一步：圆筒8外壁上下端分别开有圆筒外螺纹17，圆筒外螺纹17和盖板内螺纹18旋合连接。
进一步：压电悬臂梁1所俘获的电能通过导线由圆筒导线孔19导出。
本实施例中的磁铁形状不限于所设计形状，也可以为圆柱或圆台等，圆筒内表面可以设计成正四边形、正五边形或正多边形，且旋转圆盘的圆盘数量可以是三个、四个、五个或多个。
本实施例中旋转圆盘做旋转运动，使粘贴在圆盘上的磁铁与压电悬臂梁末端磁铁的磁力产生周期性变化，致使压电悬臂梁产生振动，压电材料可将振动能转为电能，这种俘能器具有激励方式简单、运行稳定、结构新颖、俘能效率高的优点。本发明在可以扩展成更多层的俘能结构，即可以设计成多个旋转圆盘，在每两个相邻圆盘的相对面粘贴多个磁铁，同时也可以将圆筒的内表面设置成正多边形，可以安装更多的压电悬臂梁，具有空间利用率高、设计灵活、可系列化的优点，并且可以通过改变转速或者改变粘贴在圆盘上的磁铁数量来改变激励频率，使压电悬臂梁实现最大发电量，具有应用性更强的特点。本发明可广泛应用于汽轮机、齿轮箱、风扇和汽车车轮等领域的能量收集。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
Claims (5)
1.一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器，其特征在于：压电悬臂梁(1)、旋转圆盘(14)、盖板(12)、圆筒(8)、磁铁(6)组件；
压电悬臂梁(1)通过螺栓螺母和夹板(5)固定连接在圆筒(8)上，圆筒(8)和盖板(12)通过螺纹连接，旋转圆盘(14)的旋转轴(15)通过轴承(11)与盖板中心孔(13)同轴心连接，磁铁(6)周向均布粘贴在旋转圆盘(14)的圆盘(16)上。
2.根据权利要求1所述的一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器，其特征在于：所述压电悬臂梁(1)包括弹性基体(3)和压电材料(2)，压电材料(2)粘贴在弹性基体(3)上，且二者宽度相等，弹性基体(3)的末端开有螺纹孔，螺栓螺母通过弹性基体末端螺纹孔(4)将压电悬臂梁(1)固定在夹板(5)上，弹性基体(3)未开螺纹孔的另一端固定粘贴磁铁(6)。
3.根据权利要求1所述的一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器，其特征在于：所述圆筒(8)外表面是圆形，圆筒(8)内表面为了方便安装压电悬臂梁(1)可设计成正八边形，圆筒(8)外表面的周向方向开有多个圆筒凹槽(9)，每个圆筒凹槽(9)内贯穿四个螺纹孔用于固定夹板(5)，螺栓螺母通过夹板螺纹孔(7)和圆筒螺纹孔(10)使安装有压电悬臂梁(1)的夹板(5)固定在圆筒(8)内壁上。
4.根据权利要求1所述的一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器，其特征在于：所述轴承(11)配合在盖板中心孔(13)内，旋转圆盘(14)的旋转轴(15)与轴承(11)内圈接触，多个磁铁(6)均布且相对位置粘贴在两个相邻圆盘(16)对向面的磁铁凹槽(20)内。
5.根据权利要求3所述的一种旋转型磁力调频式层叠高效的压电俘能器，其特征在于：圆筒(8)外壁上下端分别开有圆筒外螺纹(17)，圆筒外螺纹(17)和盖板内螺纹(18)旋合连接。
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