一种自控速非接触式磁耦合压电风能采集器的制作方法

1.本发明属于俘能领域，特别涉及一种自控速非接触式磁耦合压电风能采集器。


背景技术：

2.随着5g的普及以及智能化物联网时代到来，传感器需求量急剧上升，其中电能供给成为亟待解决的问题之一。由于传感器数量庞大，且一些传感器在高处、地底或人迹罕至处，人工定期去更换电池无疑大大增加运营成本浪费社会资源。自俘能技术成为解决该问题最佳方法。
3.压电采集器具有结构简单、能量密度高等优点，成为研究热门。传统压电采集器多为直接接触式如敲击，而压电材料特性易碎，这导致俘能设备使用寿命不长。例如2015年hyun jun jung在论文design and optimization of piezoelectric impact
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based micro wind energy harvester for wireless sensor network中提出一种敲击式压电风能采集器，在六组实验中有五组实验的压电片在敲击约60分钟至100分钟后碎裂。而经过他人改进后装置利用非接触磁耦合式压电发电，则受频率限制即风速限制，只有在有限的极狭窄风速段内才可获得最大能量。随后有人提出利用非线性或多稳态结构非接触磁耦合式采集器，虽然拓宽了采集器的工作带宽但功率峰值明显降低，即使工作在最优频率范围内，采集效率也有待提高。例如2019年周志勇在论文《动态多稳态压电风能俘能结构设计与实验验证》中提出一种压电风能采集器，该采集器在风速4
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5m/s输出电量最多，但随着风速提高由于压电振动频率偏离固有频率，输出能量降低；2019年白凤仙在论文《非接触pvdf压电悬臂梁风能收集系统特性研究》中提出多个拥磁梁压电阵列风能采集器，该采集器在风速3.5
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5m/s时输出电量最多，但随着风速提高由于压电振动频率偏离固有频率，输出能量降低。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：为了提高压电风能采集器收集效率克服目前设计的不足，本发明提出了一种自控速压电风能采集器。在风速较低时，即可输出较大功率能量。在风速较大时有减速装置，使得能量采集装置在高风速下也工作在最优频率段，从而获得较高的能量采集效率。
5.本发明的技术方案是：一种自控速非接触式磁耦合压电风能采集器，包括底座3、支座4、能量采集结构和自控速结构；其中自控速结构和支座4位于底座3上，支座4用于支撑能量采集结构；
6.所述能量采集结构包括风叶4、圆柱壳体12、导电滑环13、转轴15、压电片16、方形永磁体5和激励永磁体6；转轴15一端与若干风叶4连接形成风车状，中部依次连有圆柱壳体12和导电滑环13，且圆柱壳体12和导电滑环13之间存在距离不接触；圆柱壳体12与压电片16末端相连，压电片16首端固定有方形永磁体5，所述方形永磁体5可与激励磁铁6产生无接触式磁耦合作用，激励磁铁6固定在底座4；
7.所述自控速结构包括支架8、挡风板9、减速棒10、减速板11和弹簧14，支架8铰接在底座3上，其中一侧通过弹簧14支撑；挡风板9固连在支架8另一侧；减速板11采用柔性材料制成，固定连接在支架8上端；减速棒10固定在转轴15另一端，其轴线与转轴15轴线呈夹角；在风速大于阈值范围时，挡风板9起到减速作用同时支架8向后倾斜压缩弹簧，此时减速棒10与减速板11接触，减速棒10击打减速板11使得转轴转速减缓，保证能量采集结构保持高能量输出。
8.本发明进一步的技术方案是：风速在5m/s及以下时，减速棒敲击不到减速板，此时采集器为高能量输出状态；在5m/s
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10m/s时减速板后倾到减速棒可敲击到减速板进行转速控速。
9.本发明进一步的技术方案是：当风速在小于3m/s时装置处于低能量输出状态，减速板与减速棒未工作；风速在3m/s
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5m/s时装置处于高能量输出状态，减速板与减速棒未工作；风速在5m/s
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10m/s时，此时减速板与减速棒工作为转轴控速，在高风速时转轴转速范围与在3m/s
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5m/s转速旋转范围一致，从而也处于高能量输出状态。
10.本发明进一步的技术方案是：所述压电可采用厚度为0.1mm
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0.2mm的低刚度铝合金材料制成。
11.本发明进一步的技术方案是：当风驱动风叶转动，风叶带动转轴与圆柱壳体转动，由于压电片末端与圆柱壳体相连，圆柱壳体转动带动压电片转动，压电片末端粘贴有方形永磁体，底座上粘贴有激励磁铁，压电片转动时方形永磁体与激励磁铁距离较近时，通过非接触式磁力耦合，使压电片震动，通过压电效应产生电压。
12.本发明进一步的技术方案是：所述导电滑环13用于接线输出电能，防止转轴15旋转导致压电片16导线缠绕。
13.发明效果
14.本发明的技术效果在于：和现有技术相比，本发明产生的有益效果如下：
15.1本发明自控速压电风能采集器，利用风叶将风能转化为机械能，带动压电片震动，同时压电片末端与基座上各有一块磁铁，可增大压电片振动幅度提高采集能量且可降低启动风速，使装置在低风速时即可获得可观能量。
16.2本发明利用压电片末端与固定在基座的磁铁非接触式相互耦合，避免直接敲击造成压电片过早碎裂，提高采集器的使用寿命。
17.3本发明所提出的自控速组件可在高风速时根据风速大小为转轴旋转提供可变阻力，使其在风速较大时风叶及转轴可减速至最优工作转速避免转速过高导致输出能量降低以提高能量采集效率。
附图说明
18.图1为发明提出一种自控速非接触式磁耦合压电风能采集器的正视图；
19.图2为发明提出一种自控速非接触式磁耦合压电风能采集器的侧视图；
20.图3为发明提出的能量采集结构示意图；
21.图4为发明提出的自控速组件示意图；
22.图5为发明工作流程示意图；
23.图6为实验效果图；
24.附图标记说明：能量采集结构2、自控速组件3、底座4、风叶5、方形永磁体6、激励永磁体7、支座8、支架9、挡风板10、减速棒11、减速板12、圆柱壳体13、导电滑环14、弹簧15、转轴16、压电片。
具体实施方式
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。
26.参见图1
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图6，本发明包括能量采集结构1、自控速组件2和底座3，所述能量采集结构1可旋转式连接在支座7上，所述支座7固定连接在底座3上，所述自控速组件2可旋转式连接在底座3上，由弹簧14支撑。
27.进一步地，所述能量采集结构1由风叶4、圆柱壳体12、导电滑环13、转轴15、压电片16、方形永磁体5组成。所述风叶4与圆柱壳体12固定在转轴2上，所述转轴2通过导电滑环13与支座7可转动式连接，所述圆柱壳体12与压电片16末端相连，所述压电片16首端固定有方形永磁体5，所述方形永磁体5可与激励磁铁6产生无接触式磁耦合作用，所述激励磁铁6固定在底座4。
28.进一步地，所述转轴2末端安装有减速棒10。转轴2上导电滑环13用来接线输出电能，防止转轴15旋转导致压电片16导线缠绕。
29.进一步地，所述自控速组件2由支架8、挡风板9、减速板11、弹簧14组成。所述支架8可旋转式连接在底座3上由弹簧14支撑，所述挡风板9粘贴在支架8前端，所述减速板11前端粘贴在支架8上端。
30.需要说明的是，本实施例中，减速板11与底座面相互平行，减速棒10与转轴2垂直布置。补充一个安装方式不合适可以修改减速板11工作时，略微后倾会导致与底座面不平行。
31.为了让本发明的设计思路、技术创新、达成效果易于直观了解，下面以附图为例进行解释说明：
32.附图1与附图2为一种非接触磁耦合式和自控转速的风能采集器的正视图与侧视图。
33.如附图3所示能量采集结构1由风叶4、圆柱壳体12、导电滑环13、转轴15、压电片16、方形永磁体5组成。所述风叶4与圆柱壳体12固定在转轴2上，所述转轴2通过导电滑环13与支座7可转动式连接，所述圆柱壳体12与压电片16末端相连，所述压电片16首端固定有方形永磁体5，所述方形永磁体5可与激励磁铁6产生无接触式磁耦合作用，所述激励磁铁6固定在底座4。
34.所述转轴2末端安装有减速棒10。转轴2上导电滑环13用来接线输出电能，防止转轴15旋转导致压电片16导线缠绕。
35.如附图4所示自控速组件2由支架8、.挡风板9、减速板11、弹簧14组成。所述支架8可旋转式连接在底座3上由弹簧14支撑，所述挡风板9粘贴在支架8前端，所述减速板11前端
粘贴在支架8上端。其中风速越大挡风板9受力越，减速板11越向后倾斜，减速棒10敲击减速板11所受阻力越大，在风速较大时减慢转轴15转速，在低风速时，弹簧14使得支架8前倾，同理减速棒10敲击减速板11所受阻力变小，从而控制转轴15转速，实现自控速。
36.需要说明的是，减速板材料为柔性。随着风速增大减速板后移，随着后移减速棒与减速板接触时所受阻力增大，从而减缓转轴转速，使压电片工作在最优振动频率区间。
37.压电片可采用厚度为0.1mm
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0.2mm的低刚度铝合金材料作为基底。
38.本装置在风速5m/s及以下时，减速棒敲击不到减速板，此时采集器为高能量输出状态。在5m/s
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10m/s时减速板后倾到减速棒可敲击到减速板进行转速控速。
39.具体来说，在风速小于3m/s时装置处于低能量输出状态，减速板与减速棒未工作。风速在3m/s
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5m/s时装置处于高能量输出状态，减速板与减速棒未工作。风速在5m/s
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10m/s时，此时减速板与减速棒工作为转轴控速，在高风速时转轴转速范围与在3m/s
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5m/s转速旋转范围一致，从而也处于高能量输出状态。
40.如附图5所示，本发明的工作原理是：宽速度域风驱动叶片转动，叶片带动转轴与圆柱壳体转动，由于压电片末端与圆柱壳体相连，圆柱壳体转动带动压电片转动，压电片末端粘贴有方形永磁体，底座上粘贴有激励磁铁，压电片转动时方形永磁体与激励磁铁距离较近时，通过非接触式磁力耦合，使压电片震动，通过压电效应产生电压。选用刚度较小的压电片，在低风速时由圆柱壳体产生的反作用阻尼力较小，风叶可在较低风速下转动使得能量采集结构工作产生电能；当风速较大时，挡风板受力变大，使得支架后倾带动减速板后伸，当减速棒敲击到减速板时，转轴与圆柱壳体转速降低，使得压电片震动频率在固有震动频率附近，输出最大电能。风速越大，挡风板受力越大，减速板继续后伸，减速棒敲击减速板所受阻力越大(为什么)；当风速减小时，挡风板受力减小，弹簧推动支架转动，减速板前伸，减速棒敲击减速板所受阻力减小。控制转速使得压电片震动在最优频率范围内以产生电能。
41.如附图6所示，在风速约3m/s时即可输出可观功率，说明该装置具有低启动风速的有点。在风速到达约5m/s时，减速棒与减速板开始工作控制旋转轴的转速。可以看到在3
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10m/s风速范围内，该装置均可输出可观能量。说明该装置拥有低启动风速和宽工作带宽的优点。图6显示在风速3
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10m/s时，该装置可输出可观的能量，拥有低启动风速和宽工作带宽的优点。
42.本发明利用非接触式磁耦合受力，将旋转运动转换为震动使压电片产生电能。使得能量采集结构在低风速时工作产生电能，使用非接触式激励避免直接敲击压电片，大大增加压电片使用寿命。在高风速时，自控速组件控制转轴转速，使得压电片震动在最优频率范围内持续产生较高能量。
43.本发明不受上述实施方式的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，或未背离本发明的实质与原理下所作的简化、替代、改变均同理包括在本发明的专利保护范围内。