[发明专利]一种压电式振动能量采集转换装置

说明书

本发明涉及一种压电式振动能量采集转换装置，用以在轨道交通列车运行环境中，采集列车运行时振动产生的机械能并转化为电能，该装置包括、用以固定在列车上且上端开口的底座、与底座扣合形成内部空间的外壳、设置在底座底面上的限位仓以及设置在内部空间内且在限位仓的约束下垂直运动的压电振子。与现有技术相比，本发明具有有效形变量大、发电效率高、可靠性强、免维护、安全性高、使用寿命长、便于拆卸和安装等优点。

技术领域

本发明涉及列车收集振动能量，尤其是涉及一种压电式振动能量采集转换装置。

背景技术

列车运行过程中的安全问题一直是人们关注的重点，随着无线传输和监测技术飞速发展，低功耗的无线传感器已经在列车监测领域中承担了重要的角色。而在实际运用过程中，供电困难等问题限制了无线传感器的大规模普及使用。机械振动能是轨道列车运行环境下普遍存在的一种能量，利用列车运行时振动产生的能量，通过能量采集装置转化为电能为监测设备供能是一种既具有经济效益、又解决了实际问题的方法。

但目前大多数的压电式振动能量采集装置结构存在缺陷，出现了压电材料寿命短、发电效率不足、可靠性差等问题，以待解决。因此，针对上述情况，本发明在提高装置可靠性的前提下，通过优化结构与参数提出一种获得更高的能量采集功率、安全性更高的振动能量采集装置。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压电式振动能量采集转换装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种压电式振动能量采集转换装置，用以在轨道交通列车运行环境中，采集列车运行时振动产生的机械能并转化为电能，该装置包括、用以固定在列车上且上端开口的底座、与底座扣合形成内部空间的外壳、设置在底座底面上的限位仓以及设置在内部空间内且在限位仓的约束下垂直运动的压电振子。

所述的压电振子包括防松螺栓、固定在防松螺栓底端且受限位仓约束的限位块、设置在防松螺栓底端顶端的上自锁螺母、质量块、下自锁螺母、黄铜基底以及同轴贴设在黄铜基底上下两侧的压电陶瓷片，所述的下自锁螺母、质量块、下压电陶瓷片、黄铜基底、上压电陶瓷片的中心在限位块与自锁螺母之间依次自下至上由防松螺栓穿过，所述的黄铜基底两侧通过螺栓固定在底座与外壳的扣合面上。

所述的质量块为可调质量的黄铜质量块，通过改变质量来改变压电振子的固有频率。

所述的压电振子还包括设置在黄铜基底与质量块中心通孔处的垫圈，该垫圈的外径小于下压电陶瓷片中心通孔的孔径，使得质量块受到的力仅通过防松螺栓与垫圈作用在黄铜基底上，以保证压电陶瓷片应力分散。

该装置的发电功率P计算式为：

其中，K为压电材料发电系数，a为加速度，m为压电振子总质量，l为基底中心距离螺栓孔长度，b为基底宽度，h为基底厚度，综合考虑体积因素，得出的使发电功率最大时的各个参数值。

所述的防松螺栓在与孔的连接处均预涂粘合剂。

所述的限位仓呈下端开口的圆筒形且倒扣在底座底面上，其侧壁设有限位块入口，其顶面设有与限位块入口配合的L形导向槽，用以使限位块安装在限位仓内，并在X-Y平面限制其位移，在Z方向限制振幅。

所述的底座和外壳上设有用以引出压电振子导线的引出孔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明专利通过在压电陶瓷中心开孔，将外力直接传递至黄铜基底，不作用于压电陶瓷，以保证表面应力分散，增加使用寿命。

二、本发明专利设置了导轨式限位装置，包括限位块与设有导向槽的限位仓。该限位装置通过螺栓连接，结构简单，便于拆卸和安装，免维护，安全性高，并在列车工作环境中可承受较大冲击。