CN217769914U - 振动能量回收装置和振动源 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供的振动能量回收装置和振动源，所述振动能量回收装置包括：能量采集机构，包括与振动源连接的外壳，缠绕于外壳外侧壁的线圈和位于外壳内的间距可调组件，间距可调组件包括永磁体、压电片以及连接于永磁体和压电片之间的弹簧，永磁体随振动源的振动而振动，弹簧采用变刚度弹簧，能量采集机构用于采集振动源的振动能量，并将振动能量转换为交流电能；工作频段调节机构，用于调节间距可调组件内各部件的相对间距，以此调节能量采集机构的工作频段；和能量处理模块，用于将能量采集机构采集的交流电能转换为直流电能后向负载输出。本公开实施例装置中，可以实现宽频振动能量回收，且工作频段可调节，适应性更广。

Description

振动能量回收装置和振动源

技术领域

本公开涉及能量回收技术领域，特别涉及一种振动能量回收装置和具有该振动能量回收装置的振动源。

背景技术

目前，振动能量回收装置大多为定刚度装置，固有频率恒定，工作频带较窄且无法调节，而日常生活中大多振动源的振动频率随时间变化，因此定刚度振动能量回收装置无法有效地回收此类变频振动源的振动能量，适应性较差。

发明内容

本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本公开第一方面实施例提供的可以实现宽频振动能量回收和工作频段调节功能的振动能量回收装置，包括：

能量采集机构，所述能量采集机构包括与振动源连接的外壳，缠绕于所述外壳外侧壁的线圈和位于所述外壳内的间距可调组件，所述间距可调组件包括永磁体、压电片以及连接于所述永磁体和所述压电片之间的弹簧，所述永磁体随所述振动源的振动而振动，所述弹簧采用变刚度弹簧，所述能量采集机构用于采集振动源的振动能量，并将所述振动能量转换为交流电能；

工作频段调节机构，用于调节所述间距可调组件内各部件的相对间距，以此调节所述能量采集机构的工作频段；和

能量处理模块，用于将所述能量采集机构采集的所述交流电能转换为直流电能后向负载输出。

本公开第一方面实施例提供的振动能量回收装置，具有以下特点及有益效果：

本公开第一方面实施例提供的振动能量回收装置，可以通过变刚度的能量采集机构实现宽频振动能量回收，在收集宽频的振动能量时具备较好的回收效果；且可以通过改变间距可调组件中各部件的相对间距，从而改变能量采集机构的工作频段，可以依据振动源的振动频段，调节装置的工作频段，进行针对性的振动能量回收，相比其他工作频段无法改变的振动能量回收装置具有更强的适用性。

在一些实施例中，所述外壳为采用绝缘材料制成的壳体。

在一些实施例中，在所述外壳内设有至少一组所述间距可调组件；每组所述间距可调组件中，设有一个所述永磁体，仅在所述永磁体的一侧设置至少一个所述压电片，或者在所述永磁体的两侧分别设置至少一个所述压电片，在所述永磁体与各所述压电片之间分别连接一个所述弹簧，且每组所述间距可调组件中的所有弹簧构成变刚度弹簧。

在一些实施例中，所述工作频段调节机构包括至少一个螺栓，所述螺栓的一端穿过所述外壳的一端后与所述压电片连接，所述螺栓的另一端位于所述外壳外部，通过旋进或者旋出所述螺栓调节所述间距可调组件中各部件的相对间距。

在另一些实施例中，所述外壳一端为敞口端，所述工作频段调节机构包括与所述外壳一端通过螺纹配合的端盖，所述端盖与所述压电片相接触，通过旋进或者旋出所述端盖调节所述间距可调组件中各部件的相对间距。

本公开第二方面实施例提供的振动源，该车辆包括根据本公开第一方面任一实施例提供的振动能量回收装置。

附图说明

图1为本公开第一方面实施例提供的振动能量回收装置的实施例1的外部三维视图。

图2为图1所示振动能量回收装置的解剖三维视图。

图3为图1所示振动能量回收装置的剖面图。

图4为本公开第一方面实施例提供的振动能量回收装置的实施例2的剖面图。

图5为本公开第一方面实施例提供的振动能量回收装置的实施例2的外部三维视图。

图中：

10—变刚度能量采集机构，11—外壳，12—线圈，13—间距可调组件，131—永磁体， 132—压电片，133—变刚度弹簧；

20—工作频段调节机构，21—螺栓，22—端盖；

30—能量处理模块。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

本公开第一方面实施例提供的振动能量回收装置，包括：

能量采集机构，所述能量采集机构包括与振动源连接的外壳，缠绕于所述外壳外侧壁的线圈和位于所述外壳内的间距可调组件，所述间距可调组件包括永磁体、压电片以及连接于所述永磁体和所述压电片之间的弹簧，所述永磁体随所述振动源的振动而振动，所述弹簧采用变刚度弹簧，所述能量采集机构用于采集振动源产生的振动能量，并将该振动能量转换为交流电能，所述间距可调组件的等效刚度随振动源的振动变化；

工作频段调节机构，用于调节能量采集机构内间距可调组件内各部件间的相对间距，以此调节能量采集机构的工作频段；和

能量处理模块，用于将能量采集机构采集的交流电能转换为直流电能后向负载输出。

以下介绍本公开第一方面实施例提供的振动能量回收装置的实施例1：

参见图1～图3，本实施例1的振动能量回收装置包括：

能量采集机构10，包括与振动源连接的外壳11，缠绕于外壳11外侧壁的线圈12和位于外壳11内的间距可调组件13，该间距可调组件13包括永磁体131、压电片132以及连接于永磁体131和压电片132之间的变刚度弹簧133；永磁体131随振动源的振动在外壳 11内振动，使线圈12中产生电动势，由压电片132产生压电电压，同时，由于变刚度弹簧133的弹力随永磁体131位置的变化而变化，永磁体131受到变刚度弹簧133的变弹力作用，能在多个激励频率下实现间距可调组件13的共振，从而实现宽频能量采集；

工作频段调节机构20，包括至少一个螺栓21，螺栓21的一端穿过外壳11的一端后与压电片132连接，螺栓21的另一端位于外壳11外部，通过旋进或者旋出螺栓21调节间距可调组件13中各部件的相对间距(在本实施例中，该相对间距是指上下间距)，以改变变刚度弹簧133的预紧情况，从而改变间距可调组件13的共振频点位置和频带宽度，实现对能量采集机构10工作频段的调节；和

能量处理模块30，能量处理模块30安装在外壳11上，包括整流电路，该整流电路将线圈12中产生的动生电动势和由压电片132产生的压电电压经整流后变成直流电压并输出，实现对负载的供电。

在一些实施例中，外壳11为采用亚克力或PVC等绝缘材料制成的圆柱壳体。

在一些实施例中，在外壳11内设有至少一组间距可调组件13，当设置多组间距可调组件时，相邻两个间距可调组件之间的距离应大于压电片直径且不存在显著的相互干扰；每组间距可调组件13中，设有一个永磁体131，永磁体131的高度和直径需与外壳11、变刚度弹簧133的尺寸相匹配，即永磁体131与变刚度弹簧133的高度总和应小于外壳11 高度，永磁体131的直径应在变刚度弹簧133与该永磁体131接触面的直径的1-2倍之间，以满足装置结构强度需求；压电片132可采用钛酸钡、PZT等具有压电效应的材料制成，根据外壳11的底面积和形状确定压电片132的数量和尺寸，可在永磁体131的一侧设置一个或多个压电片132，也可在永磁体131的两侧分别设置一个或多个压电片132，当设置的压电片132位于永磁体两侧时，位于永磁体131一侧的压电片132与外壳11一端固接，位于永磁体131另一侧的压电片132悬空设置在外壳11内，该另一侧的压电片132与螺栓 21位于外壳11内的一端固接；在永磁体131与各压电片132之间分别连接一个弹簧，设置在永磁体131一侧与压电片132之间的弹簧可以为定刚度弹簧和/或变刚度弹簧，保证每组间距可调组件13中的所有弹簧构成变刚度弹簧即可，对应一个频率区间，在永磁体131 的振动过程中，间距可调组件13的等效刚度不断改变，可以使能量采集机构10在一个较大的频率范围内实现能量采集。此外，通过压电式与电磁式的复合振动能量回收，使得能量回收效率得到提高。

进一步地，在每组间距可调组件中，各部件在初始状态下均共轴设置(对于永磁体侧边设置多个压电片和/或多个弹簧的情况，将多个压电片和/或多个弹簧均匀地布设在永磁体的相应侧)，可以增加工作频段调节机构20的稳定性，保证使用寿命。

在一些实施例中，在外壳11一端与一个压电片131之间设置一个螺栓21或设置均匀分布的多个螺栓21。

实施例1的工作过程为：将外壳11与振动源(如车身)固连，振动源振动引起本实施例装置整体振动，永磁体131在变刚度弹簧133的作用下振动，在线圈12上产生电动势，同时压电片132产生压电电压，这两部分交流电压通过导线被输入到能量处理模块30的整流电路中经整流后将不稳定的交流电压转为直流电压输出。振动过程中，由于变刚度弹簧133的弹力随永磁体131位置的变化而变化，因此永磁体131受到变化的弹力最优，能在多个激励频率下达到共振，从而实现宽频能量采集。通过转动螺栓21，改变压电片132 与永磁体131的间距，从而可以改变变刚度弹簧133的预紧情况，改变共振频点位置以及频带宽度，从而实现对能量采集机构10工作频段的调节。

以下介绍本公开第一方面实施例提供的振动能量回收装置的实施例2：

参见图4、图5，本实施例2的振动能量回收装置与实施例1的振动能量回收装置的不同之处在于，工作频段调节机构20的实现方式不同。具体地，本实施例2的工作频段调节机构20采用带外螺纹的端盖22，在外壳11的一端内侧壁上设有与该外螺纹相匹配的内螺纹，端盖22与永磁体131一侧的压电片132相接触，通过旋进或者旋出端盖22改变位于永磁体131一侧的压电片132与该永磁体131的间距。本实施例的其余部分均与实施例1相同，此处不再赘述。

本公开第二方面实施例提供的振动源，该振动源具有本公开第一方面实施例提供的振动能量回收装置，将该振动能量回收装置内的外壳与振动源固定，从而实现在振动源振动过程中对振动能量的采集，并将该振动能量转换为稳定的电能输出，可供负载使用。

所述振动源可以为车辆，机械设备，桥梁与建筑结构，还可以是其他振动结构。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种振动能量回收装置，其特征在于，包括：

能量采集机构，所述能量采集机构包括与振动源连接的外壳，缠绕于所述外壳外侧壁的线圈和位于所述外壳内的间距可调组件，所述间距可调组件包括永磁体、压电片以及连接于所述永磁体和所述压电片之间的弹簧，所述永磁体随所述振动源的振动而振动，所述弹簧采用变刚度弹簧，所述能量采集机构用于采集振动源的振动能量，并将所述振动能量转换为交流电能；

工作频段调节机构，用于调节所述间距可调组件内各部件的相对间距，以此调节所述能量采集机构的工作频段；和

能量处理模块，用于将所述能量采集机构采集的所述交流电能转换为直流电能后向负载输出。

2.根据权利要求1所述的振动能量回收装置，其特征在于，所述外壳为采用绝缘材料制成的壳体。

3.根据权利要求2所述的振动能量回收装置，其特征在于，在所述外壳内设有至少一组所述间距可调组件；每组所述间距可调组件中，设有一个所述永磁体，仅在所述永磁体的一侧设置至少一个所述压电片，或者在所述永磁体的两侧分别设置至少一个所述压电片，在所述永磁体与各所述压电片之间分别连接一个所述弹簧，且每组所述间距可调组件中的所有弹簧构成变刚度弹簧。

4.根据权利要求2所述的振动能量回收装置，其特征在于，所述工作频段调节机构包括至少一个螺栓，所述螺栓的一端穿过所述外壳的一端后与所述压电片连接，所述螺栓的另一端位于所述外壳外部，通过旋进或者旋出所述螺栓调节所述间距可调组件中各部件的相对间距。

5.根据权利要求2所述的振动能量回收装置，其特征在于，所述外壳一端为敞口端，所述工作频段调节机构包括与所述外壳一端通过螺纹配合的端盖，所述端盖与所述压电片相接触，通过旋进或者旋出所述端盖调节所述间距可调组件中各部件的相对间距。

6.一种振动源，其特征在于，包括根据权利要求1～5中任一项所述的振动能量回收装置。

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