一种宽频带风致振动压电能量采集器制造技术

一种新型宽频带风致振动压电能量采集器，由运动输入加速模块、运动输出转换模块和能量采集模块组成；运动输入加速模块由风扇、输入轴、轴承A、内啮合小齿轮、轴承B、轴承D、平键A、平键B、插销、外壳、轴承C以及行星轮系组成；运动输出转换模块由输出轴、倾斜圆盘、轴承E、直线轴承、中心基座弯曲杆、滑杆及连杆组成；能量采集模块由基座块、悬臂梁以及压电片组成；其工作过程为：1装配一种宽频带风致振动压电振动能量采集器；2自然风吹动风扇，将旋转运动传递至运动输入加速模块中的行星轮系，与此同时，运动输出转换模块和能量采集模块做相应运动。本发明专利技术克服了以往设计对风速不断变化的低速状态下的风能无法有效采集的缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种风能量采集器，尤其涉及一种宽频带风致振动压电能量采集器，属于风能发电以及能量采集

技术介绍
随着不可再生能源的逐渐枯竭以及其带来的全球性的环境污染逐渐影响到人类生产生活。进而利用风能、水能、潮汐能等低污染或无污染的可再生能源造福人类，推动社会发展进步，已是全社会的共识。同时云数据采集日益成为社会热门。物联网、智能工业监控、智能高原环境监测、智能海洋数据采集等，一系列的智能自控户外设备的普及和应用，要求其设备进行自供电的要求逐渐提高。本专利技术之前已有很多利用风能、水能、潮汐能等可再生能源，经压电片振动发电输出电能的设备，并且得到应用。但是由于风能本身不具有稳定性，造成发电效率无法提高，且无法稳定、长效的使用。(1)公开号为CN 101951188 A,标题为“一种利用风能的压电能量收集方法及装置”的专利技术专利公开了一种利用风能的压电能量收集方法及装置，它采用风能驱动轴旋转，轴上的永久磁铁产生对悬臂梁上的固定磁铁的斥力，使得悬臂梁振动，从而让悬臂梁上的压电片材料变形后产生能量。但是，由于自然风速是不断变化的，且风速变化非常大。故专利技术专利在低风速的环境中，压电片无法产生足够的能量。在高风速的环境中，轴上的悬臂梁向轴的旋转方向弯曲且不易产生振动，影响悬臂梁上粘覆的压电片发电。(2)公开号为CN 204304836 U，标题为“一种宽频带风力压电发电装置”的技术公开了一种宽频带风力压电发电设备，该技术具有能够采集不同风速的风能的优点。但是其不足之处在于压电悬臂梁布置过于密集，在振动的过程中各悬臂梁之间容易相互干涉，影响风能采集效率。并且通过凸轮撞击连杆振动，易造成压电片脱落。(3)公开号为CN 105626383 A,标题为“一种弹簧振子型风力压电发电装置”的专利技术公开了一种振子型风力压电发电机构。该专利技术通过风扇带动旋转轴上的齿轮旋转，使得齿轮的轮齿撞击布置在外侧的悬臂梁，从而使悬臂梁产生振动，压电片产生能量。该专利技术结构简单，具有宽频带等优点。但是，该专利技术受风速影响大，噪音大。悬臂梁表面粘附的压电片在长期的振动过程会发出脱落现象，缩短装置使用寿命。(4)公开号为CN 204304834 U,标题为“对称式风力压电发电装置”的技术公开了一种对称式的风力压电发电装置。该技术采用风扇驱动旋转轴转动，旋转轴上布置凸轮。当凸轮转动时，撞击悬臂梁振动，从而使得悬臂梁上的压电片发电。它的优点是机构简单，驱动机构运动的风速要求低，但是由于其不具有宽频带性质，故不能充分采集风速较高的风能。(5)在《压电与声光》2015年第37卷第2期“基于压电效应的风力发电方法研究”文章。文章中设计了一种能利用风能驱动多片压电片振动发电的装置。设计了一种能利用风能驱动多片压电片振动发电的装置。该装置通过风能驱动叶轮旋转，利用叶轮的旋转扭力迫使压电片振动.将压电片振动产生的电能通过整流电路、储能电容及DC—DC转换后供负载使用。本设计结构简单，在内圈壁上可布置大量悬臂梁压电片，发电量较大，且具有宽频带的性质。但是，本设计属于旋转激励撞击式发电装置，利用旋转的叶片撞击压电振子，该方法仅适用转速较低场合、且存在较大冲击、噪音及可能的撞击损毁。显然，这种沿旋转体回转方向撞击激励压电振子发电机在结构上存在缺陷，制约其推广应用，尤其不适用高速、匀速及使用空间受限等场合。本申请与专利技术专利(1)、技术(4)的本质区别是：本专利技术具有宽频带的优点，通过对长短不同的悬臂梁阵列布置，拓宽其振动频带。本申请与技术(2)的本质区别是：本专利技术具有对低速风能旋转加速的优点，利用行星轮系对输入的旋转运动加速输出，增加激励频率，提高风能采集效率。上述专利考虑宽频带很少，即使考虑了宽频带，但所有装置均未考虑加速环节，本专利致力于提出适用于宽频带，且具有加速功能的风致振动压电能量采集器。
技术实现思路
本专利技术的目的即为克服现有技术未考虑低风速环境下的低频率振动且压电片无法产生有效电能的缺陷，提出一种宽频带风致振动压电能量采集器。本专利技术的核心技术特点为：将风扇采集的风能转换为旋转运动；然后，通过行星轮系对此旋转运动进行加速；再利用凸轮原理将旋转运动转换为直线往复运动，在宽频带风致振动压电能量采集器输出端布置悬臂梁-压电片组件，拓宽风能的采集带宽，适用多变风速。一种宽频带风致振动压电振动能量采集器由运动输入加速模块、运动输出转换模块和能量采集模块组成；其中，运动输入加速模块由风扇(1)、输入轴(2)、轴承A(3)、内啮合小齿轮(5)、轴承B(6)、外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、轴承C(8)、外啮合大齿轮(11)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)、轴承D(12)、平键A(24)、平键B(25)、平键C(27)、平键D(28)、插销(26)及外壳(4)组成；其中，内啮合小齿轮(5)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)以及行星轮组成行星轮系，行星轮又由外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、外啮合大齿轮(11)、轴承C(8)及平键C(27)及平键D(28)组成；行星轮的为3组，即外啮合小齿轮(7)、外啮合大齿轮(11)、短轴(10)、轴承C(8)、平键C(27)及平键D(28)的数量均为3个；短轴(10)轴向截面为两端细，中间粗，中间有截面为正方形的凸起；行星架(13)一端粗长并在其端面有正方形的安装孔，称为粗长端，另一端细短且端面平整，称为细短端，粗长端与细短端中间为行星轮安装架，安装架共3个，属于行星架(13)的组成部分；安装架以行星架(13)轴线为中心，周向呈120°均匀布置；内啮合大齿轮(9)的一个侧面以该齿轮圆心为中心环形阵列布置6个伸出小圆柱；小圆柱与内啮合大齿轮(9)为一体；输入轴(2)一端端面为平整，侧曲面有键槽；另一端端面为凹槽，侧面为曲面，布置有6个插销孔及键槽；外壳(4)主要包括运动输入加速前腔(简称前腔)和运动输出转换后腔(简称后腔)以及分隔板；其中，前腔的内径比后腔的内径大；前腔外端面有一个中心通孔A；前腔与后腔之间为分隔板，分隔板上有中心通孔B，并且在前腔侧面上以中心通孔B轴线为中心环形阵列6个齿轮固定小孔；外壳的后腔端面有一个中心通孔C，并且有两个以中心通孔C轴线为中线对称的直线轴承(17)安装孔，其中，中心通孔C的直径比直线轴承(17)安装孔直径大；运动输出转换模块由输出轴(15)、倾斜圆盘(14)、轴承E(16)、直线轴承(17)、中心基座弯曲杆(18)、滑杆(19)及连杆(20)组成；其中，输出轴(15)的一个端面为圆形，另一个端面为正方形；滑杆(19)一端为平整端面，一端为细尖状，且尖端为球面；连杆(20)的中点位置有中心孔，中点两侧有长孔；能量采集模块由基座块(21)、悬臂梁(22)以及压电片(23)组成；其中，基座块(21)的一个侧面有凸出短杆；悬臂梁(22)长短不一，其数量取值范围为1到15个；一种宽频带风致振动压电能量采集器中各模块的装配关系如下：一种宽频带风致振动压电能量采集器中运动输入模块装配顺序及安装关系如下：风扇(1)定位安装到输入轴(2)平整端，并利用平键A(24)固定于输入轴(2)上；输入轴(2)通过轴承A(3)装配定位于外壳(4)前腔外端面的中心通孔A；内啮合小齿轮(5)采用平键B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽频带风致振动压电振动能量采集器，其特征在于：由运动输入加速模块、运动输出转换模块和能量采集模块组成；其中，运动输入加速模块由风扇(1)、输入轴(2)、轴承A(3)、内啮合小齿轮(5)、轴承B(6)、外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、轴承C(8)、外啮合大齿轮(11)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)、轴承D(12)、平键A(24)、平键B(25)、平键C(27)、平键D(28)、插销(26)及外壳(4)组成；其中，内啮合小齿轮(5)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)以及行星轮组成行星轮系，行星轮又由外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、外啮合大齿轮(11)、轴承C(8)及平键C(27)及平键D(28)组成；行星轮为3组，即外啮合小齿轮(7)、外啮合大齿轮(11)、短轴(10)、轴承C(8)、平键C(27)及平键D(28)的数量均为3个；短轴(10)轴向截面为两端细，中间粗，中间有截面为正方形的凸起；行星架(13)一端粗长并在其端面有正方形的安装孔，称为粗长端，另一端细短且端面平整，称为细短端，粗长端与细短端中间为行星轮安装架，安装架共3个，属于行星架(13)的组成部分；安装架以行星架(13)轴线为中心，周向呈120°均匀布置；内啮合大齿轮(9)的一个侧面以该齿轮圆心为中心环形阵列布置6个伸出小圆柱；小圆柱与内啮合大齿轮(9)为一体；输入轴(2)一端端面为平整，侧曲面有键槽；另一端端面为凹槽，侧面为曲面，布置有6个插销孔及键槽；外壳(4)主要包括运动输入加速前腔(简称前腔)和运动输出转换后腔(简称后腔)以及分隔板；其中，前腔的内径比后腔的内径大；前腔外端面有一个中心通孔A；前腔与后腔之间为分隔板，分隔板上有中心通孔B，并且在前腔侧面上以中心通孔B轴线为中心环形阵列6个齿轮固定小孔；外壳的后腔端面有一个中心通孔C，并且有两个以中心通孔C轴线为中线对称的直线轴承(17)安装孔，其中，中心通孔C的直径比直线轴承(17)安装孔直径大；运动输出转换模块由输出轴(15)、倾斜圆盘(14)、轴承E(16)、直线轴承(17)、中心基座弯曲杆(18)、滑杆(19)及连杆(20)组成；其中，输出轴(15)的一个端面为圆形，另一个端面为正方形；滑杆(19)一端为平整端面，一端为细尖状，且尖端为球面；连杆(20)的中点位置有中心孔，中点两侧有长孔；能量采集模块由基座块(21)、悬臂梁(22)以及压电片(23)组成；其中，基座块(21)的一个侧面有凸出短杆；悬臂梁(22)长短不一，其数量取值范围为1到15个。...

【技术特征摘要】
1.一种宽频带风致振动压电振动能量采集器，其特征在于：由运动输入加速模块、运动输出转换模块和能量采集模块组成；其中，运动输入加速模块由风扇(1)、输入轴(2)、轴承A(3)、内啮合小齿轮(5)、轴承B(6)、外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、轴承C(8)、外啮合大齿轮(11)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)、轴承D(12)、平键A(24)、平键B(25)、平键C(27)、平键D(28)、插销(26)及外壳(4)组成；其中，内啮合小齿轮(5)、内啮合大齿轮(9)、行星架(13)以及行星轮组成行星轮系，行星轮又由外啮合小齿轮(7)、短轴(10)、外啮合大齿轮(11)、轴承C(8)及平键C(27)及平键D(28)组成；行星轮为3组，即外啮合小齿轮(7)、外啮合大齿轮(11)、短轴(10)、轴承C(8)、平键C(27)及平键D(28)的数量均为3个；短轴(10)轴向截面为两端细，中间粗，中间有截面为正方形的凸起；行星架(13)一端粗长并在其端面有正方形的安装孔，称为粗长端，另一端细短且端面平整，称为细短端，粗长端与细短端中间为行星轮安装架，安装架共3个，属于行星架(13)的组成部分；安装架以行星架(13)轴线为中心，周向呈120°均匀布置；内啮合大齿轮(9)的一个侧面以该齿轮圆心为中心环形阵列布置6个伸出小圆柱；小圆柱与内啮合大齿轮(9)为一体；输入轴(2)一端端面为平整，侧曲面有键槽；另一端端面为凹槽，侧面为曲面，布置有6个插销孔及键槽；外壳(4)主要包括运动输入加速前腔(简称前腔)和运动输出转换后腔(简称后腔)以及分隔板；其中，前腔的内径比后腔的内径大；前腔外端面有一个中心通孔A；前腔与后腔之间为分隔板，分隔板上有中心通孔B，并且在前腔侧面上以中心通孔B轴线为中心环形阵列6个齿轮固定小孔；外壳的后腔端面有一个中心通孔C，并且有两个以中心通孔C轴线为中线对称的直线轴承(17)安装孔，其中，中心通孔C的直径比直线轴承(17)安装孔直径大；运动输出转换模块由输出轴(15)、倾斜圆盘(14)、轴承E(16)、直线轴承(17)、中心基座弯曲杆(18)、滑杆(19)及连杆(20)组成；其中，输出轴(15)的一个端面为圆形，另一个端面为正方形；滑杆(19)一端为平整端面，一端为细尖状，且尖端为球面；连杆(20)的中点位置有中心孔，中点两侧有长孔；能量采集模块由基座块(21)、悬臂梁(22)以及压电片(23)组成；其中，基座块(21)的一个侧面有凸出短杆；悬臂梁(22)长短不一，其数量取值范围为1到15个。2.如权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电振动能量采集器，其特征还在于：一种宽频带风致振动压电能量采集器中各模块的装配关系如下：一种宽频带风致振动压电能量采集器中运动输入模块装配顺序及安装关系如下：风扇(1)定位安装到输入轴(2)平整端，并利用平键A(24)固定于输入轴(2)上；输入轴(2)通过轴承A(3)装配定位于外壳(4)前腔外端面的中心通孔A；内啮合小齿轮(5)采用平键B(25)进行径向定位，利用插销(26)进行轴向定位在输入轴(2)的凹槽端；运动输入模块中的行星轮定位装配关系如下：外啮合小齿轮(7)侧面与短轴(10)一端肩部对齐，外啮合小齿轮(7)的中心孔与短轴(10)一端对齐配合，并通过平键C(27)定位固定；短轴(10)中间高处安装轴承C(8)，短轴(10)通过轴承C(8)定位安装到行星架(13)的安装架的孔中；外啮合大齿轮(11)侧面与短轴(10)另一端肩部对齐，外啮合大齿轮(11)的中心孔与短轴(10)另一端对齐配合，并通过平键D(28)定位固定；3组行星轮以各组间隔120°安装到行星架(13)的安装架上；内啮合大齿轮(9)侧面利用小圆柱嵌入外壳(4)中；行星架(13)细端利用轴承B(6)与输出轴(15)定位配合，行星架(13)粗端利用轴承D(12)与外壳(4)定位配合，行星架(13)粗端端面方形孔装配输出轴(15)，并采用销钉固定形式；其中轴承A(3)内圈和输入轴(2)、外壳(4)前腔外端面中心通孔A内径和轴承A(3)外圈、轴承C(8)内圈和短轴(10)中间直径最大的部分、轴承C(8)外圈和行星架(13)安装架上的安装孔、轴承B(6)外圈和输入轴(2)凹槽端端面中心孔、轴承B(6)内圈和行星架(13)细端、轴承D(12)外圈和外壳(4)中间分隔板中心通孔B、轴承D(12)内圈和行星架(13)粗端的配合关系为过盈配合；行星轮系的传动比依据公式(1)计算： i a H b = ω a ω H = 1 - i a b H = 1 - Z c Z b Z a Z d = n 1 n 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹东兴，刘彦琦，汪涛，姚明辉，张伟，
申请(专利权)人：北京工业大学，北京市劳动保护科学研究所，卢继华，
类型：发明
国别省市：北京;11