CN114039510A - 多方向宽频压电能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多方向宽频压电能量收集装置，包括支撑组件、传动组件以及俘能组件；传动组件的一端滑动设置在支撑组件上，传动组件的另一端连接设置在俘能组件上，俘能组件滑动设置在支撑组件上；支撑组件包括固定底座、矩形空心立柱以及T型立柱；矩形空心立柱竖直安装在固定底座上，T型立柱竖直安装在固定底座上；矩形空心立柱和T型立柱相互抵接设置；传动组件的两端分别连接设置在矩形空心立柱和俘能组件上，俘能组件滑动设置在T型立柱上。本发明所设计的能量收集装置结构紧凑，可用于各种机械结构中，相比常见的压电能量收集装置具有更高的体积能量密度和更宽的工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及压电振动能量收集技术领域，具体地，涉及一种多方向宽频压电能量收集装置，尤其是一种利用齿轮齿条传动的多方向宽频压电能量收集装置。
背景技术
振动俘能器件的设计与研究越发受到人们的重视，作为一种环保型能源器件，通过收集环境中无处不在的振动能量并转换为电能可源源不断的为低功耗设备提供能源。随着社会的电子化与信息化程度不断增加，各种微型电子设备组成的电子元器件如可穿戴设备，无线传感网络在日常生活中的使用逐渐普及，目前这类装置的能源供给主要依赖于化学原电池。化学原电池虽然在一段时间内可以为电子元器件提供稳定的能量，但是化学原电池的能量有限，在其电能完全耗尽前需要及时更换。频繁更换电池不仅会带来较高的人力物力成本，而且在一些应用场合及时更换电池难以实现。例如随着传感器网络布局的规模越来越大，一些中等规模的传感器网络需要上万的供电节点，电池的更换难度极大。此外在一些偏远地区，例如山区和远洋，为了更换电池付出的成本将会急剧增加。而振动能量收集装置具有替代化学原电池的能力，而且自然界中源源不断的振动能量确保了振动俘能装置工作的稳定性与长久性。相比能量密度有限的化学原电池，振动俘能装置无需频繁更换，不会产生环境污染。其工作寿命取决于结构与材料寿命，从而工作时长远远大于化学原电池的工作时长。因此利用振动俘能装置收集环境中广泛存在的振动能量为微型电子设备供能具有非常重要的意义。
压电能量收集是目前常见的振动能量收集装置类型之一，利用正压电效应的压电俘能装置具有工作效率高，易于集成，成本低廉等优势而快速发展。最初的压电能量收集装置是利用线性悬臂梁振子的共振型线性压电能量收集装置，线性压电能量收集装置只能在结构的共振频率附近实现高效的工作，而非共振状态下其输出效率将极大降低，造成线性压电能量收集装置的工作带宽极窄。但是环境中的振动频率分布较广，而且大多数情况下环境中的振动不是稳定在单一频率附近，所以线性压电俘能器件并不适用。此外考虑到外界环境中振动的随机性，其方向有可能随激励情况的变化而变化。所以实现压电能量收集装置的多方向振动收集性能并拓宽压电器件的工作带宽对于提升实用性十分重要。
目前对于多方向能量收集装置的实现方式大多是通过布置振子的不同朝向来实现。公开号为CN106899234A的专利文献公开了一种压电式多向振动能量收集装置，用于解决现有压电式能量收集装置存在的收集方向单一和频带宽度窄的技术问题，包括固定座、设置在固定座上的支架、内梁、外梁、弹性元件、支撑杆、环形元件、第一磁性块和第二磁性块；内梁包括第一弹性基板、粘贴在第一弹性基板固定端的第一压电片和粘贴在第一压电片上的第一电极；外梁包括第二弹性基板、粘贴在第二弹性基板固定端的第二压电片和粘贴在第二压电片上的第二电极；第二弹性基板固定在支架上，第一弹性基板、弹性元件和支撑杆位于第二弹性基板的缺口内，且第一弹性基板与第二弹性基板垂直；第一弹性基板的固定端与弹性元件的自由端固定，并通过环形元件悬挂在支撑杆的自由端。公开号为CN108270370B的专利文献公开了一种多向的宽频的压电式振动能量收集装置的实现方法，该装置采用回型悬梁臂结构，将压电元件粘贴在每块弹性基板，既可以收集到环境x方向和z方向的振动能量，也可收集到环境中不同频率的振动能量，该装置回形结构的设计能够缩小各个弹性基板的一阶谐振频率与二阶谐振频率的相差倍数，从而在一定尺寸的设计下，可以很好地实现拓宽频带的功能。
目前对于宽频压电俘能装置的设计有两种常见的方式，分别是非线性压电能量收集装置和多模态阵列式压电能量收集装置。
对于非线性压电能量收集装置通过构建***的多个稳态，利用阱间运动不仅仅取决于激励频率的约束，而实现宽频能量收集。公开号为CN113280074A的专利文献公开了一种具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置及多稳态磁耦合方法，该装置包括支座导轨，支座导轨沿Y向延伸并滑动连接支座滑台；支座滑台上固定一支座；支座上设置弹性组件；第一直线导轨和第二直线导轨沿X向延伸，第一直线导轨上滑动连接至少一个短导轨；短导轨上滑动连接一短导轨滑台，短导轨滑台上固定一磁铁组件，磁铁组件包括一磁铁；第二直线导轨上滑动连接一滑台，滑台与弹性组件连接；滑台上固定一磁铁振子组件，磁铁振子组件包括一振子磁体；第二直线导轨内设置与滑台接触的摩擦层。公开号为CN110212809B的专利文献公开了一种自适应耦合非线性能量俘获***，包括支座，曲柄，压电悬臂梁，钝体，振动磁铁，滑轨，滑块和滑动磁铁，滑轨通过螺栓固定在支座底部，滑轨上安装有若干滑块，滑块可以在滑轨上滑动，每个滑块上固定一滑动磁铁；曲柄通过支座顶部所设的孔安装在支座顶部且可在孔中旋转，曲柄底部安装有压电悬臂梁，压电悬臂梁末端连接一钝体，钝体底部固定若干振动磁铁。
对于多模态阵列式压电能量收集装置通过叠合多个振子的共振频带实现对***整体共振带宽的拓宽，从而实现宽频能量收集。公开号为CN110071661A的专利文献公开了一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，包括基座和四个压电能量回收模块，所述压电能量回收模块设置有四个，每个压电能量回收模块的通过基座上的安装孔水平固定在基座上，所述压电能量回收模块包括第一L型压电悬臂梁、第二L型压电悬臂梁、质量块、压电材料和自适应调频模块，调频底座垂直于近基座端端面的两个侧面上均设置有中部插接口和端部插接口，中部插接口设置在调频底座侧面的中部，端部插接口设置在调频底座侧面远离近基座端的一侧，端部插接口用于插接第一L型压电悬臂梁，中部插接口用于插接第二L型压电悬臂梁。公开号为CN106856380A的专利文献公开了一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置，包括基础骨架、悬臂梁阵列、磁铁块、压电发电片，基础骨架由呈空间坐标式分布的金属管组成，悬臂梁阵列由多根悬臂梁组成且由短到长依次排列，基础骨架的每根金属管上均排列着一组所述悬臂梁阵列，且悬臂梁阵列垂直于其所在的金属管，悬臂梁阵列的安装方向要保证其振动方向与所在金属管的长度方向平行，悬臂梁阵列中的每根悬臂梁末端都安装有磁铁块，且相邻悬臂梁之间的磁铁块相同磁极相对，每根悬臂梁的根部均粘贴着压电发电片。
公开号为CN208316598U的专利文献公开了一种压电能量收集装置，包括：基座、悬臂梁和多个设置在所述基座上的质量块，所述悬臂梁的一端连接在所述基座上，所述悬臂梁的另一端连接在一个所述质量块上，所述悬臂梁的一面上设有压电层。但是该专利文献仍然存在工作带宽有限的缺陷。
常见的多方向宽频压电能量收集装置无论是基于多模态阵列式宽频能量收集装置具有极低的体积能量密度缺陷还是非线性压电能量收集装置具有不易调整的非线性特性和拓宽频率范围有限等缺陷。因此设计一种不引入非线性调控特性的，结构更加紧凑具有更高体积能量密度和更宽的工作带宽的多方向能量宽频压电能量收集装置具有较大的价值和意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多方向宽频压电能量收集装置。
根据本发明提供的一种多方向宽频压电能量收集装置，包括支撑组件、传动组件以及俘能组件；
所述传动组件的一端滑动设置在所述支撑组件上，所述传动组件的另一端连接设置在所述俘能组件上，所述俘能组件滑动设置在所述支撑组件上；
所述支撑组件包括固定底座、矩形空心立柱以及T型立柱；
所述矩形空心立柱竖直安装在所述固定底座上，所述T型立柱竖直安装在所述固定底座上；所述矩形空心立柱和所述T型立柱相互抵接设置；
所述传动组件的两端分别连接设置在所述矩形空心立柱和所述俘能组件上，所述俘能组件滑动设置在所述T型立柱上。
优选的，所述传动组件包括螺旋弹簧、第一质量块、第一连杆、第二连杆、第一轴销、第二轴销、第三轴销、齿轮以及齿条；
所述螺旋弹簧的一端设置在所述矩形空心立柱内的底部侧壁上，所述第一质量块设置在所述螺旋弹簧的另一端，所述第一质量块滑动抵接设置在所述矩形空心立柱内侧壁上；
所述第一连杆的一端通过所述第一轴销转动设置在所述第一质量块上，所述第一连杆的另一端通过所述第二轴销转动设置在所述第二连杆的一端；
所述第二连杆的另一端通过第三轴销转动设置在所述齿轮上；所述齿轮和所述齿条相互啮合；
所述齿条连接设置在所述俘能组件上。
优选的，所述俘能组件包括矩形实心立柱、悬臂梁、压电元件以及第二质量块；
所述矩形实心立柱滑动设置在所述T型立柱上，所述齿条连接设置在所述矩形实心立柱上；
所述悬臂梁的一端连接设置在所述矩形实心立柱上，所述第二质量块连接设置在所述悬臂梁远离所述矩形实心立柱的一端；
所述压电元件设置在所述悬臂梁靠近所述矩形实心立柱的一端。
优选的，所述T型立柱和所述矩形实心立柱采用铝合金材料制作。
优选的，所述螺旋弹簧采用弹簧钢材料制作。
优选的，所述第一质量块和所述第二质量块采用黄铜材料制作。
优选的，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第一轴销、所述第二轴销以及所述第三轴销采用铝合金材料制作。
优选的，所述齿轮和所述齿条采用球墨铸铁材料制作。
优选的，所述压电元件选用压电陶瓷或柔性压电元件聚偏氟乙烯。
优选的，所述悬臂梁采用弹簧钢材料制作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明同时具有多方向振动能量收集与宽频振动能量收集的能力，通过利用不同齿数的齿轮齿条的耦合传动实现多方向能量收集并实现对输入***中的激励频率的拓展，在较宽的激励频率下可实现俘能组件的共振，提高压电俘能装置的实用性和工作效率；
2、本发明所设的宽频压电能量收集装置解决了现有常见多模态阵列式的宽频能量收集装置具有极低的体积能量密度和非线性宽频能量收集装置具有不易调整的非线性特性和拓宽频率范围有限等缺陷，所设计的装置更适用于外界激励频率变化的振动能量收集；
3、本发明结构紧凑，实用性强，可以广泛应用于各种机械结构中，相比常见的压电能量收集装置具有更高的体积能量密度和更宽的工作带宽。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的多方向宽频压电能量收集装置的整体结构示意图；
图2为本发明的多方向宽频压电能量收集装置的局部结构示意图。
图中示出：
T型立柱1 第二质量块9
齿条2 第二轴销10
齿轮3 第一连杆11
第三轴销4 第一轴销12
第二连杆5 螺旋弹簧13
矩形实心立柱6 固定底座14
压电元件7 第一质量块15
悬臂梁8 矩形空心立柱16
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例提供一种多方向宽频压电能量收集装置，包括支撑组件、传动组件以及俘能组件。传动组件的一端滑动设置在支撑组件上，传动组件的另一端连接设置在俘能组件上，俘能组件滑动设置在支撑组件上。
支撑组件包括固定底座14、矩形空心立柱16以及T型立柱1，矩形空心立柱16竖直安装在固定底座14上，T型立柱1竖直安装在固定底座14上，矩形空心立柱16和T型立柱1相互抵接设置，传动组件的两端分别连接设置在矩形空心立柱16和俘能组件上，俘能组件滑动设置在T型立柱1上。
传动组件包括螺旋弹簧13、第一质量块15、第一连杆11、第二连杆5、第一轴销12、第二轴销10、第三轴销4、齿轮3以及齿条2。螺旋弹簧13的一端设置在矩形空心立柱16内的底部侧壁上，第一质量块15设置在螺旋弹簧13的另一端，第一质量块15滑动抵接设置在矩形空心立柱16内侧壁上，第一连杆11的一端通过第一轴销12转动设置在第一质量块15上，第一连杆11的另一端通过第二轴销10转动设置在第二连杆5的一端，第二连杆5的另一端通过第三轴销4转动设置在齿轮3上；齿轮3和齿条2相互啮合，齿条2连接设置在俘能组件上。
俘能组件包括矩形实心立柱6、悬臂梁8、压电元件7以及第二质量块9。矩形实心立柱6滑动设置在T型立柱1上，齿条2连接设置在矩形实心立柱6上，悬臂梁8的一端连接设置在矩形实心立柱6上，第二质量块9连接设置在悬臂梁8远离矩形实心立柱6的一端，压电元件7设置在悬臂梁8靠近矩形实心立柱6的一端。
T型立柱1和矩形实心立柱6采用铝合金材料制作。螺旋弹簧13采用弹簧钢材料制作。第一质量块15和第二质量块9采用黄铜材料制作。第一连杆11、第二连杆5、第一轴销12、第二轴销10以及第三轴销4采用铝合金材料制作。齿轮3和齿条2采用球墨铸铁材料制作。压电元件7选用压电陶瓷或柔性压电元件聚偏氟乙烯。悬臂梁8采用弹簧钢材料制作。
工作原理：
当外界激励沿着水平方向时，俘能组件中的第二质量块9受到自身惯性力的作用而使悬臂梁8摆动，悬臂梁8固定端附近产生的应变通过压电元件7转换为电能。当外界激励沿着竖直方向时，传动组件中的第一质量块15受到自身惯性力的作用而上下往复运动，第一质量块15的往复运动通过第一连杆11和第二连杆5转换为齿轮3的转动。与齿轮3耦合的齿条2将齿轮转动转换为矩形实心立柱6的水平运动，从而激励俘能组件中的第二质量块9并使悬臂梁8固定端粘接的压电元件7产生电能。
本实施例所设计的压电能量收集装置同时具有较宽的工作频带优势。通过齿条2与齿轮3之间的不同的齿数比，可以实现将单一频率的外界激励转换为多个不同频率的位移作用，这些不同频率的位移作用于俘能组件有助于拓宽所设计装置的工作带宽。当俘能组件的固有频率与其中一个的位移频率接近时，俘能组件将可以保持高效运动。通过将外界单一频率转换为多种不同频率的位移，增加了***的鲁棒性，当外界激励频率变化时，***输入的频率范围仍可包含俘能组件的固有频率，实现了所设计装置的工作频带的拓宽。
实施例2：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
如图1和图2所示，本实施例提供一种利用齿轮3齿条2传动的多方向宽频压电能量收集装置，具体涉及振动能量转换与收集技术领域，包括有支撑组件、传动组件以及俘能组件。
支撑组件包括固定底座14、竖直安装在固定底座14上的矩形空心立柱16以及竖直安装在固定底座14上的T型立柱1。固定底座14、矩形空心立柱16、T型立柱1以及矩形实心立柱6采用铝合金材料制作。
传动组件包括螺旋弹簧13和第一质量块15组成的弹簧振子单元、第一连杆11、第二连杆5、第一轴销12、第二轴销10、第三轴销4、齿轮3以及齿条2。弹簧振子单元安置在矩形空心立柱16的空腔内，螺旋弹簧13连接在固定底座14上。第一连杆11的一端通过第一销轴12固定在第一质量块15侧面，第一连杆11的另一端通过第二销轴10连接第二连杆5的一端，第二连杆5的另一端通过第三轴销4连接齿轮3，齿轮3与齿条2相互啮合。
齿条2与齿轮3之间应设计包含不同的齿数比，从而实现将单一频率的外界激励转换为多个不同频率的***输入激励，从而拓宽的利用齿轮3齿条2传动的多方向宽频压电能量收集装置的工作带宽。螺旋弹簧13采用弹簧钢材料制作，第一连杆11、第二连杆5、第一轴销12、第二轴销10以及第三轴销4采用铝合金材料制作，齿轮3和齿条2采用球墨铸铁材料制作。
俘能组件包括矩形实心立柱6、固定在矩形实心立柱6一端的悬臂梁8、粘接在悬臂梁8固定端附近的压电元件7以及固定在悬臂梁8自由端的第二质量块9。传动组件中的齿条2安装在俘能组件中的矩形实心立柱6上。第一质量块15和第二质量块9采用黄铜材料制作，压电元件7可选用压电陶瓷(PZT)或柔性压电元件7聚偏氟乙烯(PVDF)，悬臂梁8采用弹簧钢材料制作。
为了同时实现多方向振动能量收集以及实现俘能装置的宽频特性，并解决现有常见的多模态阵列式的宽频能量收集装置具有极低的体积能量密度和非线性宽频能量收集装置具有不易调整的非线性特性和拓宽频率范围有限等缺陷，本发明通过利用齿轮3齿条2的耦合传动实现多方向能量收集并通过设计不同齿数比实现对输入***中的激励频率的拓展，在较宽的激励频率下可实现俘能组件的共振。本发明所设计的能量收集装置结构紧凑，可用于各种机械结构中，相比常见的压电能量收集装置具有更高的体积能量密度和更宽的工作带宽。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，包括支撑组件、传动组件以及俘能组件；
所述传动组件的一端滑动设置在所述支撑组件上，所述传动组件的另一端连接设置在所述俘能组件上，所述俘能组件滑动设置在所述支撑组件上；
所述支撑组件包括固定底座(14)、矩形空心立柱(16)以及T型立柱(1)；
所述矩形空心立柱(16)竖直安装在所述固定底座(14)上，所述T型立柱(1)竖直安装在所述固定底座(14)上；所述矩形空心立柱(16)和所述T型立柱(1)相互抵接设置；
所述传动组件的两端分别连接设置在所述矩形空心立柱(16)和所述俘能组件上，所述俘能组件滑动设置在所述T型立柱(1)上。
2.根据权利要求1所述的多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，所述传动组件包括螺旋弹簧(13)、第一质量块(15)、第一连杆(11)、第二连杆(5)、第一轴销(12)、第二轴销(10)、第三轴销(4)、齿轮(3)以及齿条(2)；
所述螺旋弹簧(13)的一端设置在所述矩形空心立柱(16)内的底部侧壁上，所述第一质量块(15)设置在所述螺旋弹簧(13)的另一端，所述第一质量块(15)滑动抵接设置在所述矩形空心立柱(16)内侧壁上；
所述第一连杆(11)的一端通过所述第一轴销(12)转动设置在所述第一质量块(15)上，所述第一连杆(11)的另一端通过所述第二轴销(10)转动设置在所述第二连杆(5)的一端；
所述第二连杆(5)的另一端通过第三轴销(4)转动设置在所述齿轮(3)上；所述齿轮(3)和所述齿条(2)相互啮合；
所述齿条(2)连接设置在所述俘能组件上。
3.根据权利要求2所述的多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，所述俘能组件(包括矩形实心立柱(6)、悬臂梁(8)、压电元件(7)以及第二质量块(9)；
所述矩形实心立柱(6)滑动设置在所述T型立柱(1)上，所述齿条(2)连接设置在所述矩形实心立柱(6)上；
所述悬臂梁(8)的一端连接设置在所述矩形实心立柱(6)上，所述第二质量块(9)连接设置在所述悬臂梁(8)远离所述矩形实心立柱(6)的一端；
所述压电元件(7)设置在所述悬臂梁(8)靠近所述矩形实心立柱(6)的一端。
4.根据权利要求3所述的多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，所述T型立柱(1)和所述矩形实心立柱(6)采用铝合金材料制作。
5.根据权利要求3所述的多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，所述螺旋弹簧(13)采用弹簧钢材料制作。
6.根据权利要求3所述的多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，所述第一质量块(15)和所述第二质量块(9)采用黄铜材料制作。
7.根据权利要求3所述的多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，所述第一连杆(11)、所述第二连杆(5)、所述第一轴销(12)、所述第二轴销(10)以及所述第三轴销(4)采用铝合金材料制作。
8.根据权利要求3所述的多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，所述齿轮(3)和所述齿条(2)采用球墨铸铁材料制作。
9.根据权利要求3所述的多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，所述压电元件(7)选用压电陶瓷或柔性压电元件聚偏氟乙烯。
10.根据权利要求3所述的多方向宽频压电能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁(8)采用弹簧钢材料制作。
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