一种矿用振动源微型压电发电机装置的制作方法

1.本发明属于新能源发电技术领域，涉及一种矿用振动源微型压电发电机装置。


背景技术：

2.煤炭是我国的主体能源，但瓦斯突出、透水等事故频发，对工人生命、财产造成了重大的损失。煤炭安全高效开采的前提是解决瓦斯抽采、定向探放水等问题，定向复合钻进是解决该问题的有效手段。而随钻测量系统是定向钻进的眼睛，在钻孔施工时，随钻测量系统将探测到钻孔施工的轨迹传输到钻孔外部，用以指导钻进。
3.随钻测量系统分为有线随钻测量和无线随钻测量，有线随钻测量需要用通缆钻杆，钻杆中心极代替电缆供电，但通缆钻杆损耗快、成本高，振动过程中易磨损导致接触不良，影响钻孔施工进度，阻碍生产。无线随钻测量系统通过电池供电，降低了钻杆成本，但受煤矿井下ma要求(电池容量不得超过100w/h)，因此无线随钻测量系统在钻孔施工时会出现电量耗尽、施工中断，需退出已推入钻孔的钻杆，取出仪器到地面充电，待充好电后再将钻杆接到之前长度将仪器送入孔中继续测量。该种“重复”进退钻杆的施工方式，严重制约了无线随钻测量系统有效发挥作用，且严重影响了钻孔施工效率，甚至在软煤钻进时会导致钻孔坍塌，间接的降低了煤矿的生产效率和经济效益。现有的解决该种问题的方案有涡轮发电机，其属于钻孔持续性供电的方式，但有但由于其尺寸较大，不适用于小直径钻孔施工。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种矿用振动源微型压电发电机装置，解决现有无线随钻测量系统电池续航时间短，严重制约煤矿井下钻孔施工效率的问题，是煤矿井下无线随钻测量系统目前急需解决的刚需问题。
5.为解决上述问题，本发明采取以下技术方案：
6.一种矿用振动源微型压电发电机装置，设置振动源压电发电组件、电压转换电路、充电保护电路、储能装置和放电保护电路，电压转换电路将振动源压电发电组件振动产生的电压转换为需要的电压，通过充电保护电路给储能装置充电，最后通过放电保护电路输出电流。
7.可选的，振动源压电发电组件设置振动源发电单元，振动源发电单元由交替设置的压电片和减震片组成；压电片和减震片依次交叉排列，并用导电胶粘贴，压电片两侧分别为正负两极，分别引出正极输出导线和负极输出导线，每一个压电片引出的导线，负极与负极并联，正极与正极并联，输出整合后的电压。
8.可选的，所述的压电片为pzt-5压电片，减震片为pvdf聚偏氟乙烯片，压电片的厚度为1mm，直径为24mm，pvdf聚偏氟乙烯片的厚度为1mm，直径为24mm。
9.可选的，振动源压电发电组件设置套筒，套筒内安装设置振动源发电单元，压电发电单元两端安装弹簧，弹簧端部由封堵件顶紧。
10.可选的，设置筒形的发电机壳体，发电机壳体内沿轴向依次设置振动源压电发电组件，电路安装骨架，电路安装骨架上依次设置电压转电路、充电保护电路和放电保护电路，电路安装骨架后设置储能装置，振动源压电发电组件、电压转换电路、充电保护电路、储能装置和放电保护电路依次电连接。
11.可选的，所述的电路安装骨架为半圆柱形的块体，在半圆柱的平面端，制作电路安装凹槽，安装电压转换电路、充电保护电路和放电保护电路。
12.可选的，发电机壳体通过外周设置的支撑环沿轴向设置在钻杆内，支撑环上设置过水孔。
13.可选的，所述的电压转换电路使用芯片lt1763设计两级电压转换电路；
14.第一级电压转换电路引脚pin8 in与引脚pin5接振动源压电发电组件1电压输出端bat1 ，引脚pin3、pin6、pin7 gnd连接振动源压电发电组件1电压输出端bat1-，引脚pin1 out输出电压；引脚pin2为sense，连接至r5与r8之间，用于输出检测；引脚pin4为byp，悬空；电路中c9、c10、c11为滤波作用，r5与r8选取用来调节芯片lt1763的输出电压；
15.第二级电压转换电路的输入电压即为第一级电压转换电路的输出电压，第二级芯片lt1763引脚pin8 in与引脚pin5的输入为第一级电压转换电路的输出电压；引脚pin3、pin6、pin7 gnd连接r8，引脚pin1为out；引脚pin2为sense，连接与电阻r7、r9之间，用于输出检测；引脚pin4为byp，悬空；电阻r7、r9用来调节第二级lt1763的输出电压；电容c12、c13用来滤波；第二级lt1763输出的电压正极为d1 ，负极为gnd；r6为上拉电阻，拉高电压，pena为常闭开关的一端，开关的另一端接地，常闭状态下，引脚不工作，芯片停止工作；钻孔施工时开关打开，引脚开始工作，芯片正常工作，将发电机振动产生的电压转换为需要的电压。
16.可选的，所述的充电保护电路3使用充电管理芯片tp4050，pin1引脚chrg为tp4054芯片的充电状态指示功能，在充电的过程中，连接的led为亮，电阻r2的作用为分压；充电充满的时候，连接的led为灭；pin 2引脚gnd：tp4054芯片的参考地，属于电路的公共端；pin 3引脚bat：tp4054芯片的充电输出端，直接连接到单节锂电池的正极；pin 4引脚vcc：tp4054芯片的电源输入端，也是单节锂电池的充电输入接口，电压工作范围为4.5v～6.5v，正好满足发电的输出电压，电容c3的作用为滤波；pin5引脚prog：tp4054芯片的充电电流设置功能，阻值r1决定充电电流i。
17.可选的，所述的放电保护电路输出电压，其中rel1、rel2为继电器qtq209-5v；
18.继电器qtq209-5v引脚3和引脚2、引脚4，引脚8和引脚7、引脚9，分别为单刀双掷的开关，引脚1和引脚10分别为电源正负接入处；放电保护电路c1、c2接高电平，继电器吸合，开始放电；c1、c2接低电平，继电器断开，停止放电；
19.继电器rel1的引脚3、引脚8接插座p1的4脚bat1f ；d1、d2并联接在c1与bat1-之间，保护继电器；继电器rel1引脚4、引脚7接插座p3的1脚bat1ff ；继电器rel2的引脚3、引脚8接插座p1的3脚bat2f ；d3、d4并联接在c2与bat2-之间，保护继电器；继电器rel2引脚4、引脚7接插座p3的2脚bat2ff ；bat1ff 、bat1-，bat2ff 、bat2-输出到仪器的电路板；插座p1的引脚2、引脚1为bat1-、bat2-，插座p4的引脚1、引脚3为bat2-、bat1-，bat1-为第一路电池的负极，bat2-为第二路电池的负极。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.本发明为压电材料将钻机振动产生的能量通过压电效应转化为电能，使得无线随钻测量系统从受ma限制的有限工作天数，变成持续性“永动”的工作模式。煤矿井下钻机稳定的振动，受ma限制的低功率仪器，都为振动源发电机提供良好的条件。同时，在煤矿井下施工时，钻机的振动等能量没有被合理利用，因此，该振动源发电机收可收集空间中浪费的机械能，将部分无效能量转化为有效能量，也符合回收再利用的环保政策。并且该发电机直径小，可通过改变支撑柱的长度来实现在多种规格钻杆中通用的目的。综上所述，振动源压电发电机是煤矿井下急需的技术，该发电机的应用可以有效提高钻孔施工的效率，间接提高煤矿的生产效率和经济效益。
附图说明
22.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
23.图1是本发明的矿用振动源微型压电发电机总体方案结构框图；
24.图2是本发明的矿用振动源微型压电发电机装置结构示意图；
25.图3是图2中的振动源压电发电组件结构原理图；
26.图4是电压转换电路；
27.图5是充电保护电路；
28.图6是放电保护电路；
29.图7是压电组件表面电势分布图；
30.图8是压电组件仿真模型示意图；
31.图9是发电机表面电势分布图；
32.图10是压电组件电压与电流波形图；
33.图11是压电组件表面应力示意图；
34.图中各标号表示为：
35.1-振动源压电发电组件、11-振动源发电单元、111-压电片、112-减震片、12-弹簧、13-封堵件、14-套筒、2-电压转换电路、3-充电保护电路、4-放电保护电路、41-电流输出端、5-电路安装骨架、6-储能装置、7-发电机壳体、8-支撑环、81-过水孔、9-钻杆。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
37.煤矿井下没有应用压电发电机的案例，但煤矿井下钻机稳定的机械振动，与煤矿井下受ma限制的仪器(需要较低工作功率)，使得振动源压电发电机可将高的激励源能量与仪器低需求的工作能量，降低了对振动源压电发电机性能的要求，所以煤矿井下的条件是最适合振动源压电发电机研制与使用的。
38.结合图1，本发明的矿用振动源微型压电发电机装置，设置振动源压电发电组件1、电压转换电路2、充电保护电路3、储能装置6和放电保护电路4，电压转换电路2将振动源压电发电组件1振动产生的电压转换为需要的电压，通过充电保护电路3给储能装置6充电，储能装置6可选择单节18650型锂电池；最后通过放电保护电路4输出到仪器内部电路板。
39.矿用振动源微型压电发电机装置整体结构如图2所示。设置筒形的发电机壳体7，发电机壳体7内沿轴向依次设置振动源压电发电组件1，电路安装骨架5，电路安装骨架5上依次设置电压转电路2、充电保护电路3和放电保护电路4，电路安装骨架5后设置储能装置6，振动源压电发电组件1、电压转换电路2、充电保护电路3、储能装置6和放电保护电路4依次电连接。发电机壳体7通过外周设置的支撑环8沿轴向设置在钻杆9内，支撑环8上设置过水孔81，且放电保护电路4接出的电流输出端41与用电仪器电连接实现供电。当钻机进行钻孔施工时，振动源压电发电组件1由于钻孔施工产生振动而共振，并通过压电效应产生电流，进而通过电压转换电路2和充电保护电路3给储能装置6充电，等待钻孔施工停止，钻杆完全进入到钻孔中时，此时测量仪器测量，钻机上钻杆。放电保护电路4的电流输出端41连接测量仪器，给测量仪器供电。在实际使用时，发电机壳体7用支撑环8固定在钻杆9中，支撑环8上留有过水孔81，发电装置尺寸小，但适用性广，适用任何直径的钻杆9，可依据钻杆9内径的尺寸，减去发电机壳体7的尺寸来加工支撑环8的尺寸，满足实际使用需求。
40.振动源压电发电组件1具体的结构为如图3所示，压电片111为pzt-5压电片，减震片112为pvdf聚偏氟乙烯片，pzt-5压电片厚度为1mm，直径为24mm，pvdf聚偏氟乙烯片的厚度为1mm，直径为24mm；pzt-5压电片与pvdf聚偏氟乙烯片依次交叉排列，并用导电胶粘贴，pzt-5压电片两边分别为正负两极，分别引出正极输出导线和负极输出导线，每一个pzt-5压电片引出的导线，负极与负极并联，正极与正极并联，输出整合后的电压。作用于压电片的之间，用来减震，因为压电片材质较硬，易疲劳。整合后的振动源发电单元11安装于套筒14内，压电发电单元11两端安装弹簧12，弹簧12两端用硬质封口材料封口形成封堵件13，套筒14内径为24mm，外径为30mm。
41.振动源发电单元11由多组压电振子组成，由于单组压电振子的电流为微安级，所以需要通过整合电流的方式将多组压电振子匹配起来，保证其输出电流可以达到仪器电路所需的工作电流。单组压电振子指的是单组压电振子指的是一个pzt-5陶瓷片(两端为正负极)，最细的定向复合钻进用无线随钻测量系统外管直径为30mm，壁厚大约为3mm，遂采用直径为24mm，厚度为1mm的圆形压电振子，压电振子的材料为pzt-5陶瓷片(以下统称为陶瓷片)，陶瓷片截面的中心为中心轴，陶瓷片截面垂直于中心轴依次排列，如图3所示。每个陶瓷片之间通过同样直径为24mm，厚度为1mm的pvdf(聚偏氟乙烯)材料隔开，并用导电胶将陶瓷片、pvdf粘贴在一起，以保证结构的牢固性，在粘贴的同时，将陶瓷片的两端视为电池的正负两极，分别引出导线，将所有陶瓷片引出的导线中正极与正极连接，负极与负极连接，以并联的形式输出，组成并联式振动源发电单元11。将振动源发电单元11封装到内径为25mm，外径为30mm，长度为30cm的金属套筒14中，振动源发电单元11两端安装弹簧12，弹簧12外端采用硬质材料封口形成封堵件13，以便于振动源发电单元11最大化接收钻杆的振动。压电振子在振动过程中做的是一个往复运动，压电层在拉伸和收缩状态之间来回转化，因此，从压电振子直接输出的为交流电。而仪器内部工作所需的是稳定的直流电源，所以需将交流电转化为直流电。采用桥式整流电路，比如桥式整流器，将交流电转化为标准的直流电。
42.钻孔施工时，将该振动源压电发电机放入压电振子主要是利用正压电效应进行工作的，正压电效应就是当压电材料受到外界激励(振动)发生形变(压缩或伸长)时，压电材料上下表面产生电荷，从而形成电势差，实现机械能向电能的转化，当外力消失时，压电材
料又恢复原始状态。正压电效应示意图如图7所示。压电振子需要极小的外力就可以产生较大的电能，而环境中大部分的振动激励幅度与频率较小，因此发电的应用面较宽。压电振子形变最大，输出电压达到最大。通常，压电振子所受应力与产生电场的关系利用第一类压电方程表示，即
43.d＝dt ε
t
e；
44.s＝set de；
45.式中：d为电位移；d为压电常数；t为应力；e为电场强度；ε
t
是应力恒定时自由介电常数矩阵；s是应变；se是电场恒定时短路弹性柔顺系数矩阵。
46.结合图4，电压转换电路2使用芯片lt1763，lt1763为稳压芯片。芯片lt1763的引脚pin3、pin6、pin7为gnd，接低电平及电池的负极；引脚pin8为in，接高电平及电池的正极；引脚pin5为脚pin5为引脚必须连接到vin，若该引脚为低电平或者未连接，则处于断电状态；引脚pin1为out，输出引脚，输出稳压后的电压；引脚pin2为sense，sense引脚是误差放大器的输入，输出检测功能；引脚pin4为byp，byp引脚用于旁路lt1763稳压器的基准电压，以实现稳压器的低噪声性能。如果不使用，该引脚必须保持未连接状态。电压转换电路使用芯片lt1763设计两级电压转换电路，第一级电压转换电路引脚pin8 in与引脚pin5接振动源压电发电组件1电压输出端bat1 ，引脚pin3、pin6、pin7 gnd连接振动源压电发电组件1电压输出端bat1-，振动源压电发电组件1输入电压为5.5v，引脚pin1 out输出电压为5.2v；引脚pin2为sense，连接至r5与r8之间，用于输出检测；引脚pin4为byp，悬空；电路中c9、c10、c11为滤波作用，r5与r8选取用来调节lt1763的输出电压。第二级电压转换电路的输入电压即为第一级电压转换电路的输出电压5.2v，第二级电压转换电路输出电压为5v，即第二级芯片lt1763引脚pin8 in与引脚pin5输入为5v。引脚pin3、pin6、pin7 gnd连接r8，引脚pin1为out，输出电压为5v；引脚pin2为sense，连接与电阻r7、r9之间，用于输出检测；引脚pin4为byp，悬空；电阻r7、r9用来调节第二级lt1763的输出电压；电容c12、c13用来滤波；第二级lt1763输出的电压正极为d1 ，负极为gnd；r6为上拉电阻，拉高电压，pena为常闭开关的一端，开关的另一端接地，常闭状态下，引脚不工作，芯片停止工作。钻孔施工时开关打开，引脚开始工作，芯片正常工作，将发电机振动产生的电压转换为需要的电压。
47.电压转化电路2连接充电保护电路3的输入端，充电保护电路3的输出端连接储能装置6，给储能装置6充电。结合图5，充电保护电路3使用充电管理芯片tp4050，pin1引脚chrg为tp4054芯片的充电状态指示功能，在充电的过程中，连接的led为亮，电阻r2的作用为分压；充电充满的时候，连接的led为灭。pin 2引脚gnd：tp4054芯片的参考地，属于电路的公共端；pin 3引脚bat：tp4054芯片的充电输出端，直接连接到单节锂电池的正极；pin 4引脚vcc：tp4054芯片的电源输入端，也是单节锂电池的充电输入接口，电压工作范围为4.5v～6.5v，正好满足发电的输出电压，电容c3的作用为滤波；pin 5引脚prog：tp4054芯片的充电电流设置功能，选择不同的阻值r1，就可以设定不同的充电电流i。
48.结合图6，储能装置6通过放电保护电路4输出电压，其中rel1、rel2为继电器qtq209-5v。继电器qtq209-5v引脚3和引脚2、引脚4，引脚8和引脚7、引脚9，分别为单刀双掷
的开关，引脚1和引脚10分别为电源正负接入处。放电保护电路c1、c2接高电平，继电器吸合，开始放电。c1、c2接低电平，继电器断开，停止放电。继电器rel1的引脚3、引脚8接插座p1的4脚bat1f ；d1、d2并联接在c1与bat1-之间，保护继电器；继电器rel1引脚4、引脚7接插座p3的1脚bat1ff ；继电器rel2的引脚3、引脚8接插座p1的3脚bat2f ；d3、d4并联接在c2与bat2-之间，保护继电器；继电器rel2引脚4、引脚7接插座p3的2脚bat2ff ；bat1ff 、bat1-，bat2ff 、bat2-输出到仪器的电路板。插座p1的引脚2、引脚1为bat1-、bat2-，插座p4的引脚1、引脚3为bat2-、bat1-，bat1-为第一路电池的负极，bat2-为第二路电池的负极。
49.上述电压转换电路2、充电保护电路3和放电保护电路4均安装于图2中的电路安装骨架5上。电路安装骨架5的具体结构为圆柱形，圆柱截面不变，从圆柱截面的外截面往圆柱中心延伸2mm处，向下延伸至圆柱截面的中心线处，切割掉。只剩2mm厚的圆柱截面以及圆柱截面中心线以下的半圆柱部分。在半圆柱的上端，制作电路安装凹槽，安装电压转换电路2、充电保护电路3和放电保护电路4。
50.用有限元仿真计算软件comsol对该振动源压电发电装置进行仿真验证，步骤如下：
51.1.新建工程，选择二维几何模型。
52.2.选择物理场：选择物理场中的结构力学模块中的固体力学接口；选择物理场中的ac/dc模块中的电场和电流中的静电接口。
53.3.几何模型构建：新建矩阵一，以(0,0)为角基准：宽为1mm，高为36mm，并对矩阵一做阵列处理，一行300列；新建矩阵二，以(-100，0)为角基准，宽为1mm，高为36mm，建立矩阵二；新建矩阵三，以(400，0)为角基准，宽为1mm，高为36mm，建立矩阵三；
54.4.设置材料属性：将域2到301的设置为lead zirconate titanate(pzt-5h)，并设置其材料属性明细：
[0055][0056]
[0057]
将域2到301的设置为structural steel(mat2)；
[0058]
属性变量值单位属性组密度rho7500[kg/m^3]kg/m3基本
[0059]
5.物理场设置：(1)设置固体力学场：添加压电材料1为{2,4,6,8...298,300}，坐标系为基矢坐标系2；添加压电材料2为{3,5,7,9...301}，坐标系为基矢坐标系3；添加弹簧阻尼器1，弹簧常数k为150[n/mm]，阻尼系数c为0，自由长度
△
l010[mm]，添加弹簧阻尼器1的源点1，选择点3、4，添加弹簧阻尼器1的目标点，选择点5、6；添加弹簧阻尼器2，弹簧常数k为150[n/mm]，阻尼系数c为0，自由长度
△
l010[mm]，添加弹簧阻尼器1的源点1，选择点605、606，添加弹簧阻尼器2的目标点，选择点3、4、607、608；添加刚性域，选择域1和302，选择刚性域的指定位移，x方向u0x为a*sin(2*3.14*f*x)，增加刚性连接件，选择边界5和905，增加辊支承1，选择边界{6,7,9,10,12,13,15,16,18,19,21...621,622,624,625,627,628,630,631,633,634,636,637,639}；(2)设置静电场：设置所有域初始值为零，添加电荷守恒，压电1，选择域{2,3,4,5...298,299,300,301}；添加接地1，选择边界{8,14,20,26...884,890,896,902}；(3)设置多物理场：添加压电效应，选择域{2,3,4...299,300,301}；
[0060]
6.设置网格：设置物理场控制网格；
[0061]
7.研究1：选择瞬态场，输出时间范围为{0,0.001,0.002...0.4998,0.4999,0.5}s。
[0062]
经过上面的仿真实验，得到以下实验结果：
[0063]
图8给出的是压电组件仿真模型示意图，用comsol对多组匹配的矿用振动源压电发电机进行有限元仿真计算，压电组件长度为30cm，直径为36mm，弹簧长度为3cm，直径为36mm，刚度为50n/m2，压电组件表面电势分布图如图7所示。
[0064]
图9给出的是发电机表面电势分布图，从图中可以看出，压电组件两侧分布着较大的正电势与负电势，主要原因是其两侧与弹簧之间为硬接触，压电组件产生形变较大。压电组件中间部分的电势逐渐减小，由于压电组件长度较长，越靠近中间的压电组件，形变越小，压电效应越弱，但整体输出可满足需求。
[0065]
图10给出的是压电组件电压与电流波形图，从图中可以看出，电压每个完整的振动周期，振动中间过程电压最大，约为6v，而起振时电流最大，约为2a，因此该压电组件可通过振动产生电能储存到储能装置中，输出后给仪器供电。
[0066]
图11给出的是压电组件表面应力示意图，由图可见，弹簧两端处应力最大，由两端到中间的部分，应力逐渐减小，但保持在一定的数值上。中间压电组件的应力在0.5～1
×
104n/m2左右，组件两端的应力在1.5～2
×
104n/m2左右。
[0067]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。