CN114629376A - 一种可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新能源发电技术领域，公开了一种可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，包括旋转体、环型质量块和压电组件，旋转体的圆周外侧面上设有安装凹槽，安装凹槽内固定有压电梁底座，环型质量块套设在旋转体外侧，环型质量块的质心与旋转体的旋转中心在无重力的状态下重合，环型质量块与旋转体之间具有间隙，压电组件包括压电悬臂梁和压电片，压电悬臂梁位于环型质量块外侧面，压电片固定在压电悬臂梁上，本发明通过环型质量块的设置可使压电组件和系统环型质量块远离旋转中心安装，而工作时俘能器的质量中心依然位于旋转中心，环型质量块带动压电悬臂梁进行振动，控制了压电悬臂梁的振动范围，提高压电片的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，特别是一种可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器。
背景技术
随着汽车数量的快速增长，车辆的交通事故频繁发生，其中车辆胎压异常是导致交通意外事故的重要原因之一，因此车辆胎压监测显得尤为重要。目前车辆胎压监测采用的是无线通信的方式进行数据传输，但胎压监测系统在轮毂中是无法通过有线方式进行供电，一般采用化学电池作为电源。由于电池存在更换困难，有限使用寿命等问题，就迫切需要一种能够直接从车辆轮胎中获取能量的俘能器为胎压无线传感监测系统进行供电。
车辆在行驶过程中，车轮转速较高、蕴含着大量的机械能，如果能将这部分机械能转化为电能则可以很好地解决车辆的胎压无线传感监测系统的供电问题。目前，将机械能转化为电能有静电式，电磁式，摩擦电及压电等形式。其中利用压电式俘能器对轮胎的旋转运动进行能量收集的研究受到越来越多学者的关注。目前的旋转压电俘能装置，由于质量块的质心远离旋转中心，旋转质量产生离心力使得系统的等效刚度增大，最终导致悬臂梁的振幅小，输出电能小(根据论文Rui,X.；Zeng,Z.；Zhang,Y.；Li,Y.；Feng, H.；Huang,X.；Sha,Z.Design and experimental investigation of a self-tuning piezoelectricenergy harvesting system for intelligent vehicle wheels)目前仍未能有较好的压电俘能器结构解决上述问题，这也限制了压电俘能器在车辆轮胎中进行能量收集。
发明内容
为此，需要提供一种可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，解决现有压电式俘能器，离心力大，振动幅度小的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，包括旋转体、环型质量块和压电组件，所述旋转体的圆周外侧面上设有安装凹槽，所述安装凹槽内固定有压电梁底座，所述压电梁底座上设有安装孔，所述环型质量块穿过安装孔，所述环型质量块套设在旋转体外侧，所述环型质量块的质心与旋转体的旋转中心在无重力的状态下重合，所述环型质量块与旋转体之间具有间隙，所述压电组件包括压电悬臂梁和压电片，所述压电悬臂梁位于环型质量块外侧面，所述压电悬臂梁的一端与压电梁底座相固定，压电悬臂梁的另一端与环型质量块相连接，所述压电片固定在压电悬臂梁上。
进一步，所述压电梁底座的数量为多个，所述压电组件的数量为多个，多个压电梁底座和多个压电组件周向对称设置在旋转体的安装凹槽内。
进一步，所述压电梁底座的数量为两个，所述压电组件的数量为两个，压电梁底座和压电组件均对称设置在旋转体的安装凹槽内。采用中心对称的双压电悬臂梁结构可以较好地解决旋转体转动过程中可能引起的不平衡问题，同时也增大俘能器的能量输出密度。
进一步，所述环型质量块包括两个半圆质量块，所述两个半圆质量块的两端可拆卸连接。将环型质量块分解成两个半圆质量块，方便环型质量块在旋转体上的安装。环型质量块除了为两个半圆组成圆环形，还可以为多边形。
进一步，所述压电梁底座的侧面通过第一紧固件与旋转体相固定，所述压电悬臂梁通过第二紧固件与压电梁底座相固定，所述压电悬臂梁通过第三紧固件与环型质量块相固定，两个所述半圆质量块通过第四紧固件相固定，所述第一紧固件、第二紧固件、第三紧固件、第四紧固件均包括相匹配的螺栓和螺母。通过螺栓和螺母紧固件对压电俘能器内部的连接部位进行连接固定，方便压电俘能器的组装和拆卸。
进一步，所述压电悬臂梁为圆弧形，所述压电片也为圆弧形，所述压电悬臂梁与环型质量块为同心圆结构。压电悬臂梁可以与环型质量块做同等幅度的振动，进而使得压电片受到拉伸或压缩，进而输出电能。
进一步，所述压电悬臂梁的内外侧面均固定有所述的压电片。双压电片共同放电，有效的提高电能的输出。
进一步，所述压电悬臂梁为铝合金基板，所述压电片通过绝缘粘合剂粘附在压电悬臂梁侧面上。绝缘粘合剂能够防止压电片产生的电荷发生泄漏，保证压电俘能器的安全性，铝合金基板具有较强的韧性，能够承受高频率的拉伸/压缩，保证压电俘能器的使用寿命。
进一步，还包括有电能收集电路板，所述电能收集电路板固定在旋转体的外侧面上，所述电能收集电路板与压电片电性连接。电能收集电路板用于收集压电片产生的电能。
进一步，应用在车辆胎压监测系统，所述旋转体为汽车轮毂，所述电能收集电路板用于为车辆胎压监测系统供能。在车辆行驶过程中压电片能够将轮毂的部分机械能转化为电能，从而为车辆胎压监测系统供能，解决了化学电池更换困难和使用寿命有限的问题。本发明装置的应用领域除了应用在车辆轮毂上，还可以应用在其他旋转体发电领域，如电机的转动叶轮上。
上述技术方案具有以下有益效果：
本发明中，环型质量块和旋转体之间具有间隙，可使得环型质量块在旋转体旋转运动时，环型质量块在重力和离心力的作用下发生周期变化，从而往复拉伸或压缩压电悬臂梁上的压电片，进而输出电能，间隙的设置避免压电俘能器的动质量体在转动过程中产生过大的离心力，同时将振动幅度限制在间隙范围内，保护压电元件，压电悬臂梁固定在环型质量块上，其旋转半径可以控制在一个很小的范围内，避免俘能器在转动过程中产生较大的离心力，可以提升压电悬臂梁振动幅度和压电俘能器的功率输出。
附图说明
图1为具体实施方式所述压电俘能器的结构图。
图2为具体实施方式所述压电组件的结构图。
图3为具体实施方式所述压电俘能器的侧视图。
图4为图3中沿A-A线的剖面图。
图5为具体实施方式所述两个半圆质量块的连接示意图。
图6为具体实施方式环型质量块和压电组件的示意图。
附图标记说明：
1、旋转体；11、安装凹槽；2、环型质量块；21、半圆质量块；22、第四紧固件；3、压电组件；31、压电悬臂梁；32、压电片；33、第三紧固件； 34、安装孔；4、压电梁底座；41、第一紧固件；42、第二紧固件；5、间隙。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1-6，本实施例一种可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，包括旋转体1、环型质量块2、压电组件3和电能收集电路板(附图未显示)，本实施例以旋转式压电俘能器应用在车辆胎压监测系统时为例，此时旋转体1为汽车轮毂。
旋转体1的圆周外侧面上设有安装凹槽11，安装凹槽11内固定有压电梁底座4，压电梁底座4上设有安装孔34，环型质量块2穿过安装孔34，环型质量块2的质心与旋转体1的旋转中心在无重力的状态下重合，环型质量块2 与旋转体1之间具有间隙5。
压电组件3包括压电悬臂梁31和压电片32，压电悬臂梁31位于环型质量块2外侧面，压电悬臂梁31的一端与压电梁底座4相固定，压电悬臂梁31 的另一端与环型质量块2相连接，压电片32固定在压电悬臂梁31上。
本实施例中，压电悬臂梁31为圆弧形，压电片32也为圆弧形，压电悬臂梁31与环型质量块2在没有重力的情况下为同心圆结构。压电悬臂梁31 可以与环型质量块2做同等幅度的振动，进而使得压电片32受到拉伸或压缩，进而输出电能。压电悬臂梁31的内外侧面均固定有的压电片32。双压电片32共同放电，有效的提高电能的输出。压电悬臂梁31为铝合金基板，压电片 32通过绝缘粘合剂粘附在压电悬臂梁31侧面上。绝缘粘合剂能够防止压电片32产生的电荷发生泄漏，保证压电俘能器的安全性，铝合金基板具有较强的韧性，能够承受高频率的拉伸/压缩，保证压电俘能器的使用寿命。
压电梁底座4的数量为多个，压电组件3的数量为多个，多个压电梁底座4和多个压电组件3周向对称设置在旋转体1的安装凹槽11内。
本实施例中，压电梁底座4的数量为两个，压电组件3的数量为两个，压电梁底座4和压电组件3均对称设置在旋转体1的安装凹槽11内。采用中心对称的双压电悬臂梁31结构可以较好地解决旋转体1转动过程中可能引起的不平衡问题，同时也增大俘能器的能量输出密度。
环型质量块2包括两个半圆质量块21，两个半圆质量块21的两端可拆卸连接。将环型质量块2分解成两个半圆质量块21，方便环型质量块2在旋转体1上的安装。
环型质量块2和旋转体1之间的间隙5即为环型质量块2在转动过程中的最大离心距离，从而限制环型质量块2的最大离心力，使其所受的离心力小于受重力，避免在转动过程中由于离心力过大使环型质量块2被固定在某一位置而无振动产生。间隙5距离d需满足公式：d<g/ω2，其中g表示重力加速度，ω表示匀速旋转运动的角速度，g表示重力加速度。
本实施例中，压电梁底座4的侧面通过第一紧固件41与旋转体1相固定，压电悬臂梁31通过第二紧固件42与压电梁底座4相固定，压电悬臂梁31通过第三紧固件33与环型质量块2相固定，两个半圆质量块21通过第四紧固件22相固定，第一紧固件41、第二紧固件42、第三紧固件33、第四紧固件 22均包括相匹配的螺栓和螺母。通过螺栓和螺母紧固件对压电俘能器内部的连接部位进行连接固定，方便压电俘能器的组装和拆卸。
电能收集电路板固定在旋转体1的外侧面上，电能收集电路板与压电片 32电性连接，电能收集电路板用于收集压电片32产生的电能，汽车的轮胎内设有车辆胎压监测系统，电能收集电路板与车辆轮胎压监测系统相连接，电能收集电路板用于为车辆胎压监测系统供能。在车辆行驶过程中压电片32能够将轮毂的部分机械能转化为电能，从而为车辆胎压监测系统供能，解决了化学电池更换困难和使用寿命有限的问题。
本发明属于新能源发电技术和测量、测试技术领域。旋转体1以车辆轮毂为例，本发明可以实现对车辆轮毂的旋转动能的收集，并为车辆轮胎内部的胎压无线传感监测系统进行供能，本发明采用环型质量块2，可使整个压电俘能器系统(包含环型质量块2)远离旋转中心安装，而俘能器的质量中心依然位于旋转中心。压电悬臂梁31的质量块的旋转半径可以控制在一个很小的范围内，避免俘能器在转动过程中产生较大的离心力，可以提升压电悬臂梁 31振动幅度和压电俘能器的功率输出。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，包括旋转体、环型质量块和压电组件，所述旋转体的圆周外侧面上设有安装凹槽，所述安装凹槽内固定有压电梁底座，所述压电梁底座上设有安装孔，所述环型质量块套设在旋转体外侧，所述环型质量块穿过安装孔，所述环型质量块的质心与旋转体的旋转中心在无重力的状态下重合，所述环型质量块与旋转体之间具有间隙，所述压电组件包括压电悬臂梁和压电片，所述压电悬臂梁位于环型质量块外侧面，所述压电悬臂梁的一端与压电梁底座相固定，压电悬臂梁的另一端与环型质量块相连接，所述压电片固定在压电悬臂梁上。
2.如权利要求1所述的可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，所述压电梁底座的数量为多个，所述压电组件的数量为多个，多个压电梁底座和多个压电组件周向对称设置在旋转体的安装凹槽内。
3.如权利要求2所述的可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，所述压电梁底座的数量为两个，所述压电组件的数量为两个，压电梁底座和压电组件均对称设置在旋转体的安装凹槽内。
4.如权利要求1所述的可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，所述环型质量块包括两个半圆质量块，所述两个半圆质量块的两端可拆卸连接。
5.如权利要求4所述的可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，所述压电梁底座的侧面通过第一紧固件与旋转体相固定，所述压电悬臂梁通过第二紧固件与压电梁底座相固定，所述压电悬臂梁通过第三紧固件与环型质量块相固定，两个所述半圆质量块通过第四紧固件相固定，所述第一紧固件、第二紧固件、第三紧固件、第四紧固件均包括相匹配的螺栓和螺母。
6.如权利要求1所述的可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，所述压电悬臂梁为圆弧形，所述压电片也为圆弧形，所述压电悬臂梁与环型质量块为同心圆结构。
7.如权利要求6所述的可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，所述压电悬臂梁的内外侧面均固定有所述的压电片。
8.如权利要求1所述的可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，所述压电悬臂梁为铝合金基板，所述压电片通过绝缘粘合剂粘附在压电悬臂梁侧面上。
9.如权利要求1所述的可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，还包括有电能收集电路板，所述电能收集电路板固定在旋转体的外侧面上，所述电能收集电路板与压电片电性连接。
10.如权利要求9所述的可远离旋转中心安装的新型旋转式压电俘能器，特征在于，应用在车辆胎压监测系统，所述旋转体为汽车轮毂，所述电能收集电路板用于为车辆胎压监测系统供能。
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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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