面向超小位移输入的频率上变换压电-电磁混合式集能器

技术领域

本发明属于微型传感器技术领域，特别涉及一种双向频率上变换集能器。

背景技术

近二十年中，面向轨道振动能量采集的集能器研究受到关注越来越多，这些集能器的发电方式主要为电磁式、压电式、液压式以及摩擦电式。而对该类集能器领域的研究主要集中在压电式和电磁式两种形式，其研究超过总量的90％。

其中，可根据轮轨力作用于压电材料时，压电材料产生的不同变形而将其分为受压型和受弯型。一方面，受压型压电采集装置利用列车经过时钢轨下压产生压缩形变来进行能量采集，另一方面，受弯型压电采集装置主要将压电材料贴附于钢轨底部或悬臂梁根部，当钢轨或悬臂梁变形时，压电片随之因应变而完成能量采集。但常规的压电式集能器适合工作在较高频范围内，而在低频环境中的输出并不理想。进一步的，在更加适用于低频环境的电磁式集能器方面，可将其按照运动形式主要可分为线性振动式和旋转式。对于旋转式电磁集能器，由于其更高的功率输出(瓦级别)而得到更多的关注。旋转式电磁集能器主要利用到轨道振动的大载荷特性，通过传动机构将轨道的低频线性振动转换为快速的旋转运动。就目前应用在轨道振动的电磁集能器而言，几乎所有的基于齿轮齿条的电磁旋转式集能器所需要的位移输入较大(2.75-12.7mm)，然而，目前高速铁路运输中应用最广泛的连续焊接无砟轨道的垂向位移往往低于2mm。但齿轮齿条式传动机构在小于2mm位移输入下，齿轮间隙会严重影响到机械效率，尤其是在收集具有脉冲特性的轨道振动能量时，此外，大部分集能器的能量转换方式单一的同时发电功率过于依赖列车车速。

因此，为了能够克服上述问题，使集能器在各种应用场合都可以达到理想的效果，进一步拓展其应用领域，有必要设计一种能够放大激励位移，且能实现压电-电磁混合能量采集的双向频率上变换集能器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、性能可靠、能量回收效率高且具备根据实际应用进行优化设计的和较好基础的双向频率上变换集能器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种面向超小位移输入的频率上变换压电-电磁混合式集能器，包括柔性放大机构、传动机构、发电机构和其他起到支撑固定作用的机构；

所述柔性放大机构包括两个直梁柔性铰链、两个半圆柔性铰链、一个对称柔性铰链；两个直梁柔性铰链的一端与支撑顶板通过螺栓连接，另一端与半圆柔性铰链和对称柔性铰链通过螺栓连接；半圆柔性铰链的另一端与支撑梁通过螺栓连接；对称柔性铰链一端和直梁柔性铰链连接，另一端装夹于丝杠上。

所述传动机构包括丝杠、丝杠螺母、主动轴、两个不同向的单向轴承、两个主动齿轮、一对从动齿轮,一对从动轴；丝杠一端安装在对称柔性铰链上，另一端通过丝杠螺母与主动轴相连接；主动轴的另一端安装在支撑底板上；两个主动齿轮通过不同向的单向轴承与主动轴配合安装，并分别与两个从动齿轮在不同高度上满足齿轮啮合关系；从动齿轮安装在从动轴上；从动轴通过固定架固定于支撑底板，上端与飞轮连接。

所述发电机构包括第一发电机构和两个第二发电机构；拨动块嵌套在丝杠螺母上，压电悬臂梁安装在支撑梁上，压电悬臂梁有压电片，构成第一发电机构；飞轮与从动轴连接，其上安装有多个磁铁，线圈通过线圈固定板固定，构成第二发电机构。

进一步地，所述柔性放大机构，可将外界微位移激励无间隙放大。

进一步地，所述传动机构，可以将丝杠的轴向运动转变为主动轴的旋转运动。在丝杠向下运动时，主动轴通过单向轴承和上主动齿轮耦合，带动集能器左侧从动齿轮转动；在丝杠由下往上运动时，主动轴通过单向轴承和下主动齿轮耦合，带动集能器右侧从动齿轮转动。

进一步地，所述第一发电机构，拨动块随丝杠螺母转动而转动，且每个拨动块均可拨动压电悬臂梁产生形变，从而利用压电效应将形变能转化为电能进行存储。

进一步地，所述第二发电机构中的磁铁固定在飞轮上，可以随飞轮转动而转动，与固定线圈产生相对转动，从而利用电磁感应定律将动能转化为电能进行存储。进一步地，所述一对从动齿轮关于支撑梁呈对称分布，而两侧从动齿轮只在高度上略有差别。

本发明的有益效果是：本发明结构紧凑、性能可靠，运用于振动能量回收时，可以将微位移激励进行放大，通过滚珠丝杠机构将轴向运动转变为旋转运动，与齿条传动相比可大大减小结构间隙带来的能量损失。进一步地，本发明采用双向集能方式，在丝杠向下运动和向上运动时，分别与两主动齿轮之一耦合，避免了普通机械整流带来的效率损失问题。进一步地，本发明通过嵌套拨动块将轨道低频振动转化为压电梁高频共振，以此提高能量回收效率。本发明集成度高、回收能量效率高、适用性高、应用前景广泛。

附图说明

图1为本发明集能器的结构示意图；

图2为本发明集能器柔性放大机构和第一发电机构示意图；

图3为本发明集能器的工作流程图；

图4为本发明集能器的刚柔耦合动力学模型；

附图标记说明：1-支撑顶板，2-直梁柔性铰链，3-半圆柔性铰链，4-对称柔性铰链。5-丝杠，6-丝杠螺母，7-拨动块，8-压电悬臂梁，9-单向轴承，10-主动轴，11-支撑梁，12-支撑底板，13-主动齿轮，14-从动齿轮，15-固定架，16-从动轴，17-飞轮，18-磁铁，19-线圈，20-压电片，21-线圈固定板。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1、图2所示，一种面向超小位移输入的频率上变换压电-电磁混合式集能器，包括柔性放大机构、传动机构、发电机构、其他起到支撑固定作用的机构；

所述柔性放大机构包括两个直梁柔性铰链2、两个半圆柔性铰链3、一个对称柔性铰链4；两个直梁柔性铰链2的一端与支撑顶板1通过螺栓连接，另一端与半圆柔性铰链3和对称柔性铰链4通过螺栓连接；半圆柔性铰链3的另一端与支撑梁11通过螺栓连接；对称柔性铰链4一端和直梁柔性铰链2连接，另一端装夹于丝杠5上。

所述传动机构包括丝杠5、主动轴10、丝杠螺母6、两个不同向的单向轴承9、一对主动齿轮13、一对从动齿轮14，一对从动轴16；丝杠5一端安装在对称柔性铰链4上，另一端通过丝杠螺母6与主动轴10相连接；主动轴10的另一端安装在支撑底板12上；两个主动齿轮13通过不同向的单向轴承9与主动轴10配合安装，并分别与一对从动齿轮14满足齿轮啮合关系；从动齿轮14一一对应的安装在从动轴16上；从动轴16通过固定架15固定于支撑底板12，上端与各自的飞轮17连接。

所述发电机构包括拨动块7，压电片20，压电悬臂梁8，飞轮17，线圈19，磁铁18；拨动块7嵌套在丝杠螺母6上，压电悬臂梁8安装在支撑梁11上，压电悬臂梁8上有阵列布置的压电片20，构成第一发电机构；飞轮17与从动轴16连接，其上安装有多个磁铁18，线圈19通过线圈固定板21固定，构成第二发电机构。

进一步地，所述柔性放大机构，可将外界微位移激励无间隙放大，以减小后级常规传动机构固有间隙及长时间工作和温度变化造成的结构应力和变形带来的不利影响。

进一步地，所述传动机构，可以将丝杠5的轴向往复运动转变为主动轴10的两个单向旋转运动。在丝杠5向下运动时，主动轴10和上主动齿轮13耦合，带动集能器左侧从动齿轮转动；在丝杠5由下往上运动时，主动轴10和下主动齿13轮耦合，带动集能器右侧从动齿轮转动。这种方式实现了双向线性运动转化为两个主动齿轮13反向的单向旋转，在避免了单个飞轮17因丝杠5的往复运动而换向导致能量损失的同时减少传动冲击使得集能器工作寿命提高。

进一步地，所述磁铁18固定在飞轮17上，可以随飞轮17转动而转动，与固定线圈19产生相对转动。同时，利用飞轮17来存储传动机构传递的机械能量，飞轮17的快速旋转实现磁通量的快速变化的频率上变换效果，从而将机械能转化为电能，实现了轨道冲击能量的持续采集、存储和稳定输出。

进一步地，所述第一发电机构，拨动块7随丝杠螺母6转动而转动，且每个拨动块7均可波动压电悬臂梁8产生形变，与此同时，由于轨道振动的大载荷特性，第一发电机构的介入并不会影响第二发电机构的能量采集，最终实现了与第二发电机构解耦的低频振动输入转变为高频共振发电。

进一步地，所述集能器除两侧从动齿轮14外关于支撑梁11呈对称分布，而两侧从动齿轮14只在高度上略有差别。以实现双集能机构完全采集双向振动能量，这将有效利用钢轨振动的大载荷特性(>100KN)。

本发明的工作原理为：如图3所示，与钢轨固定连接的支撑顶板接收钢轨振动激励，通过柔性放大机构将垂向位移放大后传递到滚珠丝杠的丝杠5上，丝杠5的上、下运动使丝杠螺母6带动传动轴作顺、逆时针转动，再通过两个相反方向的单向轴承9传递动力，使两个主动齿轮13做不同向的单向转动实现了从动轴16和飞轮17间的动力传递。值得注意的是，由于单向轴承9的作用，丝杠5在向下运动时，传动轴能够带动齿轮作逆时针旋转，而在向上运动时，无法带动齿轮旋转变向，实现了飞轮17保持顺时针方向的自由旋转运动。在图1所示的结构示意图中，丝杠5向下运动时只会带动上面的主动齿轮13作逆时针旋转，而丝杠5向上运动时只会带动下面的主动齿轮13作顺时针旋转，从而实现了左、右两侧的飞轮17分别保持顺、逆时针的持续旋转，在采集完成双向的振动能量的同时实现了轨道冲击能量的存储，从而实现了能量的高效采集，改善了集能器输出的平顺性和系统的鲁棒性。与此同时，对于压电悬臂梁8，无论钢轨振动是向上还是向下，丝杠螺母6上的拨动块7都能够将其拨动以实现发电，拨动块7的推力使压电悬臂梁8发生偏转，这个过程中将动能存储为形变势能，在分离后压电悬臂梁8在其固有频率下自由振荡，压电陶瓷则将形变能快速的转化为电能输出。这是一种将低频激励中的能量通过高频振荡快速释放出来从而提高功率输出的频率上变换方法，这种方法的采用使集能器工作频率范围变宽，优于常规的低频压电集能器。更重要的是，轨道振动所具有的大载荷特性，使两种发电机构相互解耦，使能量采集效率进一步的提升。

图4展示了所提出的集能器的刚柔耦合动力学模型。该集能器可看作多刚体传动机构，将柔性铰链机构等效为弹簧连接着杠杆的简化模型，杠杆将输入的钢轨位移放大后输出到丝杠5。滚珠丝杠将线性运动转化为旋转运动，使得主动轴10随着激励位移变化而作顺、逆时针旋转。由于单向轴承9的存在，只有当主动轴10和其同向且角速等于主动齿轮13时，转矩才能从主动轴10传递到从动轴16。其余情况下，从动轴16和飞轮17由于惯性保持自由旋转运动。

本发明所提出的一种面向超小位移输入的频率上变换压电-电磁混合式集能器，能够实现对小振幅、低频和大载荷激励条件下的能量高效提取。该装置具有无机械摩擦、高精度、能有效避免齿轮齿条等刚性传动机构的工作间隙问题的柔性放大机构，即初级传动机构，能够实现微小位移的无间隙放大，将放大后的位移输入传递至常规后级传动结构时能有效减少后级传动间隙造成的不利影响，而后，丝杠5、丝杠螺母6和两个单向轴承9的结构，可以实现动力的单向传递，同时，嵌套在丝杠螺母6上的拨动块7也可以将低频激励转换为压电梁的高频共振，以实现高效的能量采集，最后，利用齿轮传动，将力传递到飞轮17，飞轮17带动磁铁18旋转，切割线圈19产生电能，实现与第一发电机构的解耦能量采集的同时将轨道的冲击能量进行存储和提取，提高了能量采集效率和集能器的稳定性和鲁棒性。

本发明所提出的一种面向超小位移输入的频率上变换压电-电磁混合式集能器，相比于常规的集能器，其不仅可以完成大部分轨道的低频小振幅的能量提取，而且由于运用了双向能量采集，可以极大减小飞轮17跟随振动方向反转造成储能浪费和结构冲击，此外，还应用了电磁-压电混合采能技术，由于轨道振动具有的大载荷特点，实现了电磁发电单元和压电发电单元的并联，二者解耦，极大增加了提取能量的总值的同时实现了持续输出，因此其能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通能量采集器，经验证，所采集到的电能可为微型传感器等元件供电。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。