CN113014141A - 一种双转换模式升频旋转振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双转换模式升频旋转振动能量采集器，包括驱动组件、产能组件、夹具和管理电路，所述驱动组件由驱动悬臂梁和吸附在驱动悬臂梁自由端两侧的永磁体构成，驱动悬臂梁的另一端固定设置在夹具中部；所述产能组件包括产能悬臂梁和线圈绕组，产能悬臂梁的自由端在朝向永磁体的一侧均固定设置有线圈绕组，另一端固定在夹具的侧端，在线圈绕组与夹具之间的产能悬臂梁上固定设置有压电体，压电体的极化方向垂直于产能悬臂梁的表面。本发明旨在提供一种具有两种电能转化的方式，并借助升频机制改善低频环境下的输出效果，从而提高功率密度的能量采集器。
Description
技术领域
本发明涉及能量采集的技术领域，尤其涉及一种双转换模式升频旋转振动能量采集器。
背景技术
货运铁路网络的快速发展和载重的不断提升对列车安全运行和***可靠性均提出了巨大的挑战。一般来说，包括在轨传感器和车载传感器在内的健康监测***不仅能实时评估列车的运营状态，还能诊断故障防患于未然。与在轨传感器相比，车载传感器能够连续监测车辆位置、轴温和空气制动故障等信号，由此提高铁路运营的安全性和可靠性。由于传统货运列车缺乏电力供应，基本靠化学电池驱动车载传感器。但是电池存在寿命有限、需定期充电或更换的问题。能量收集技术能将列车中稳定存在的旋转能转化为电能，实现列车的自传感无线监测。其中，梁式旋转能量采集器由于其方便装配、易于小型化和持久耐用等优点而得到了广泛研究。
现有梁式旋转能量收集技术主要存在以下问题：结构小型化时，增加了样机的谐振频率，使其无法有效拾取列车旋转能；能量采集器的输出功率和振动频率的立方成正比，采集器在起步或制动等低频环境下不能很好地发挥作用；单一的压电转换模式，输出能量较低且在低频环境下输出电量不稳定。综上所述，梁式旋转能量采集器普遍存在功率密度较小，结构尺寸较大等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种具有两种电能转化的方式，并借助升频机制改善低频环境下的输出效果，从而提高功率密度的能量采集器。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：
一种双转换模式升频旋转振动能量采集器，包括驱动组件、产能组件、夹具和管理电路，所述驱动组件由驱动悬臂梁和吸附在驱动悬臂梁自由端两侧的永磁体构成，驱动悬臂梁的另一端固定设置在夹具中部；所述产能组件包括产能悬臂梁和线圈绕组，产能悬臂梁的自由端在朝向永磁体的一侧均固定设置有线圈绕组，另一端固定在夹具的侧端，在线圈绕组与夹具之间的产能悬臂梁上固定设置有压电体，压电体的极化方向垂直于产能悬臂梁的表面；所述管理电路包括用于将线圈绕组、压电体与超级电容相连通的整流桥路，以及将整流桥路和超级电容固定在夹具上的电路板，各线圈绕组的两端、各压电体的电极端分别与配套设置的整流桥路的交流输入端相连接，各整流桥路的正极输出和负极输出分别并联为与超级电容相连接的正极引脚和负极引脚。
进一步的，所述永磁铁与线圈绕组的中心线相重合且二者的圆周长相等。
进一步的，所述驱动悬臂梁由1060铝板构成，所述产能悬臂梁由铍青铜构成，所述永磁铁由NdFeB35构成，所述压电体由M2807-P2MFC构成。
进一步的，所述驱动悬臂梁与产能悬臂梁的厚度为0.3-0.35mm。
进一步的，所述整流桥路由MB110S模块构成，所述超级电容由电容量为0.22F的纽扣法拉V型电容构成。
进一步的，所述夹具由均为Z型的上夹具和下夹具构成，上夹具与下夹具对称的固定设置并在侧端设置有用于固定产能悬臂梁的垫片，驱动悬臂梁夹设在上夹具与下夹具的固定端。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过驱动悬臂梁在外界旋转激励下产生往复运动，并碰撞两个产能悬臂梁来驱动压电体变形产生正压电效应，同时永磁体靠近远离线圈绕组导致线圈绕组磁通量变化而产生电动势，利用双转换模式从单一的旋转中转化更多的能量，且借助升频机制改善低频环境的输出效果，进一步提高了能量采集器的功率密度。在列车起步和制动的情况下，永磁体与线圈绕组构成的电磁式转化模式产生的功率较高，列车正常运转的状况下，压电体构成的压电式转化效率较高。因此，电磁-压电的双转换模式不仅能从单一的旋转运动中转换更多的电力，还能将不同转换机制的优点结合在一起，由此实现启动、制动以及运转工况下的实时产能。而且，两个产能悬臂梁能避免驱动悬臂梁在高频激励下过度扭曲偏转而损坏，延长了驱动悬臂梁的寿命。产能悬臂梁的振动频率高于驱动悬臂梁，输出功率与频率立方正相关，使得输出功率较高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明的电路连接示意图；
图4为本发明的均根植电压输出图。
附图标记：
1-驱动悬臂梁，2-永磁体，3-产能悬臂梁，4-压电体，5-线圈绕组，6-夹具，7-整流桥路，8-超级电容，31-上产能悬臂梁，32-下产能悬臂梁，41-上压电体，42-下压电体，51-上线圈绕组，52-下线圈绕组，61-上夹具，62-下夹具，63-垫片，71-上线圈整流桥路，72-上压电体整流桥路，73-下压电体整流桥路，74-下线圈整流桥路，75-交流输入端，76-正极输出引脚，77-负极输出引脚，81-正极引脚，82-负极引脚。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，一种双转换模式升频旋转振动能量采集器，包括驱动组件、产能组件、夹具和管理电路，所述驱动组件由驱动悬臂梁1和吸附在驱动悬臂梁1自由端两侧的永磁体2构成，驱动悬臂梁1的另一端固定设置在夹具6中部；所述产能组件包括产能悬臂梁3和线圈绕组5，产能悬臂梁3的自由端在朝向永磁体2的一侧均固定设置有线圈绕组5，另一端固定在夹具6的侧端，在线圈绕组5与夹具6之间的产能悬臂梁3上固定设置有压电体4，压电体4的极化方向垂直于产能悬臂梁3的表面；所述管理电路包括用于将线圈绕组5、压电体4与超级电容8相连通的整流桥路7，以及将整流桥路7和超级电容8固定在夹具6上的电路板，各线圈绕组5的两端、各压电体4的电极端分别与配套设置的整流桥路7的交流输入端75相连接，各整流桥路7的正极输出和负极输出分别并联为与超级电容8相连接的正极引脚81和负极引脚82。
其中，所述夹具6由均为Z型的上夹具61和下夹具62构成，上夹具61与下夹具62对称的固定设置并在侧端设置有用于固定产能悬臂梁3的垫片63，上夹具61与下夹具62之间、产能悬臂梁3与垫片63之间均通过固定件固定连接，驱动悬臂梁1夹设在上夹具61与下夹具62的固定端。为Z型并对称固定设置的上夹具61和下夹具62可同时满足让驱动悬臂梁1和产能悬臂梁3的自由端相对齐，并使驱动悬臂梁1的长度大于产能悬臂梁3，从而使驱动悬臂梁1的振动频率较低，由频率较低的驱动悬臂梁1驱动频率较高的产能悬臂梁3，实现由低频到高频的转化。
其中，所述永磁铁2与线圈绕组5的中心线相重合且二者的圆周长相等，能够最大化线圈绕组5的磁通量。
其中，所述驱动悬臂梁1由1060铝板构成，所述产能悬臂梁3由铍青铜构成，所述永磁铁2由NdFeB35构成，所述压电体4由M2807-P2 MFC构成。所述驱动悬臂梁1与产能悬臂梁3的厚度为0.3-0.35mm。驱动悬臂梁1、产能悬臂梁3和压电体4的材质均较软，易于在外部旋转激励下产生形变，促使永磁铁2与线圈绕组5撞击产生磁通量，易于使压电体4变形产生正压电效应。而且驱动悬臂梁1相比产能悬臂梁3较软，利于提升振动频率。低刚度的1060铝板能够使得驱动悬臂梁1感应低频激励，驱动悬臂梁1在外界低频激励下产生上下往复运动，碰撞上下频率较高的产能悬臂梁3，从而实现低频激励高频响应的转换。
其中，所述整流桥路7由MB110S模块构成，所述超级电容8由电容量为0.22F的纽扣法拉V型电容构成，以此形成稳定直流电路。
本发明通过将夹具6固定在列车的车轮或其他旋转机构，使整个能量采集器沿径向位于旋转机构做圆周运动，且永磁体2的位置不超过旋转机构的圆心。如图3所示，上线圈绕组51和下线圈绕组52的首尾两端分别连接上线圈整流桥路71和下线圈整流桥路74的两个交流输入端75，上压电体41和下压电体42的两个引线分别连接上压电体整流桥路72和下压电体整流桥路73的两个交流输入端75，四个整流桥路7的四个正极输出引脚76并联形成正极引脚81，四个负极输出引脚77并联形成负极引脚82，正极引脚81和负极引脚82连接存储单元的超级电容8。
驱动悬臂梁1在旋转机构的旋转激励下，由于驱动悬臂梁1自由端的永磁体2自重影响而产生形变，产生往复运动撞击上产能悬臂梁31和下产能悬臂梁32端部的线圈绕组5，导致线圈绕组5磁通量变化而产生电动势。同时由于撞击使两个产能悬臂梁产生形变，而引起两个压电体变形产生正压电效应。
在列车起步或制动的情况下，永磁体2与线圈绕组5构成的电磁式转换模式产生的功率较高。列车正常运转的状况下，压电体4构成的压电式转化效率较高。因此。电磁压电双转换模式不仅能从单一的旋转运动中转换更多的电力，还能将不同转换机制的优点结合到同一能量采集器中，由此实现启动、制动以及运转工况下的实时产能。而且上产能悬臂梁31和下产能悬臂梁32能避免驱动悬臂梁1在高频激励下过度扭曲偏转而损坏，延长了驱动悬臂梁的寿命。
如图4所示为本实施例中典型货运列车的车速为80-100km/h，840mm轮对直径下，对应的频率为8.43-10.53Hz，在7-11Hz范围内的均根植电压输出数值。本实施例中的驱动悬臂梁1的长为60mm，宽为15mm，厚为0.35mm；永磁体2的直径为15mm，厚为3mm；产能悬臂梁3的长为50mm，宽为10mm，厚为0.3mm；压电体4的有效面积为28×7mm2；线圈绕组5直径为0.02mm，圈数为1500；上夹具61与下夹具62的三个折边长度分别为10mm、13.5mm和10mm，厚为2.5mm，高为25mm；垫片的体积为25×10×2.5mm3；能量采集器的长为70mm，宽为37.65mm，厚为25mm。在该工况下，产能悬臂梁3的振动频率高于驱动悬臂梁1，输出功率与频率立方正相关，使得输出功率较高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双转换模式升频旋转振动能量采集器，其特征在于：包括驱动组件、产能组件、夹具和管理电路，所述驱动组件由驱动悬臂梁和吸附在驱动悬臂梁自由端两侧的永磁体构成，驱动悬臂梁的另一端固定设置在夹具中部；所述产能组件包括产能悬臂梁和线圈绕组，产能悬臂梁的自由端在朝向永磁体的一侧均固定设置有线圈绕组，另一端固定在夹具的侧端，在线圈绕组与夹具之间的产能悬臂梁上固定设置有压电体，压电体的极化方向垂直于产能悬臂梁的表面；所述管理电路包括用于将线圈绕组、压电体与超级电容相连通的整流桥路，以及将整流桥路和超级电容固定在夹具上的电路板，各线圈绕组的两端、各压电体的电极端分别与配套设置的整流桥路的交流输入端相连接，各整流桥路的正极输出和负极输出分别并联为与超级电容相连接的正极引脚和负极引脚。
2.根据权利要求1所述的一种双转换模式升频旋转振动能量采集器，其特征在于：所述永磁铁与线圈绕组的中心线相重合且二者的圆周长相等。
3.根据权利要求1所述的一种双转换模式升频旋转振动能量采集器，其特征在于：所述驱动悬臂梁由1060铝板构成，所述产能悬臂梁由铍青铜构成，所述永磁铁由NdFeB35构成，所述压电体由M2807-P2 MFC构成。
4.根据权利要求3所述的一种双转换模式升频旋转振动能量采集器，其特征在于：所述驱动悬臂梁与产能悬臂梁的厚度为0.3-0.35mm。
5.根据权利要求1所述的一种双转换模式升频旋转振动能量采集器，其特征在于：所述整流桥路由MB110S模块构成，所述超级电容由电容量为0.22F的纽扣法拉V型电容构成。
6.根据权利要求1所述的一种双转换模式升频旋转振动能量采集器，其特征在于：所述夹具由均为Z型的上夹具和下夹具构成，上夹具与下夹具对称的固定设置并在侧端设置有用于固定产能悬臂梁的垫片，驱动悬臂梁夹设在上夹具与下夹具的固定端。
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