一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種新型寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器，由運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊、運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊和能量采集模塊組成；運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊由風(fēng)扇、輸入軸、軸承A、內(nèi)嚙合小齒輪、軸承B、軸承D、平鍵A、平鍵B、插銷(xiāo)、外殼、軸承C以及行星輪系組成；運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊由輸出軸、傾斜圓盤(pán)、軸承E、直線軸承、中心基座彎曲桿、滑桿及連桿組成；能量采集模塊由基座塊、懸臂梁以及壓電片組成；其工作過(guò)程為：1裝配一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器；2自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)扇，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊中的行星輪系，與此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊和能量采集模塊做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明克服了以往設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)速不斷變化的低速狀態(tài)下的風(fēng)能無(wú)法有效采集的缺陷。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種風(fēng)能量采集器，尤其設(shè)及一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器， 屬于風(fēng)能發(fā)電W及能量采集技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著不可再生能源的逐漸枯竭W及其帶來(lái)的全球性的環(huán)境污染逐漸影響到人類(lèi) 生產(chǎn)生活。進(jìn)而利用風(fēng)能、水能、潮軟能等低污染或無(wú)污染的可再生能源造福人類(lèi)，推動(dòng)社 會(huì)發(fā)展進(jìn)步，已是全社會(huì)的共識(shí)。同時(shí)云數(shù)據(jù)采集日益成為社會(huì)熱口。物聯(lián)網(wǎng)、智能工業(yè)監(jiān) 控、智能高原環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能海洋數(shù)據(jù)采集等，一系列的智能自控戶(hù)外設(shè)備的普及和應(yīng)用， 要求其設(shè)備進(jìn)行自供電的要求逐漸提高。
[0003] 本發(fā)明之前已有很多利用風(fēng)能、水能、潮軟能等可再生能源，經(jīng)壓電片振動(dòng)發(fā)電輸 出電能的設(shè)備，并且得到應(yīng)用。但是由于風(fēng)能本身不具有穩(wěn)定性，造成發(fā)電效率無(wú)法提高， 且無(wú)法穩(wěn)定、長(zhǎng)效的使用。
[0004] (1)公開(kāi)號(hào)為CN 101951188 A，標(biāo)題為"一種利用風(fēng)能的壓電能量收集方法及裝 置"的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種利用風(fēng)能的壓電能量收集方法及裝置，它采用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)， 軸上的永久磁鐵產(chǎn)生對(duì)懸臂梁上的固定磁鐵的斥力，使得懸臂梁振動(dòng)，從而讓?xiě)冶哿荷系?壓電片材料變形后產(chǎn)生能量。但是，由于自然風(fēng)速是不斷變化的，且風(fēng)速變化非常大。故發(fā) 明專(zhuān)利在低風(fēng)速的環(huán)境中，壓電片無(wú)法產(chǎn)生足夠的能量。在高風(fēng)速的環(huán)境中，軸上的懸臂梁 向軸的旋轉(zhuǎn)方向彎曲且不易產(chǎn)生振動(dòng)，影響懸臂梁上粘覆的壓電片發(fā)電。
[0005] (2)公開(kāi)號(hào)為CN 204304836 U，標(biāo)題為"一種寬頻帶風(fēng)力壓電發(fā)電裝置"的實(shí)用新 型公開(kāi)了一種寬頻帶風(fēng)力壓電發(fā)電設(shè)備，該實(shí)用新型具有能夠采集不同風(fēng)速的風(fēng)能的優(yōu) 點(diǎn)。但是其不足之處在于壓電懸臂梁布置過(guò)于密集，在振動(dòng)的過(guò)程中各懸臂梁之間容易相 互干設(shè)，影響風(fēng)能采集效率。并且通過(guò)凸輪撞擊連桿振動(dòng)，易造成壓電片脫落。
[0006] (3)公開(kāi)號(hào)為CN 105626383 A，標(biāo)題為"一種彈黃振子型風(fēng)力壓電發(fā)電裝置"的發(fā) 明公開(kāi)了一種振子型風(fēng)力壓電發(fā)電機(jī)構(gòu)。該發(fā)明通過(guò)風(fēng)扇帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)，使得 齒輪的輪齒撞擊布置在外側(cè)的懸臂梁，從而使懸臂梁產(chǎn)生振動(dòng)，壓電片產(chǎn)生能量。該發(fā)明結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，具有寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)。但是，該發(fā)明受風(fēng)速影響大，噪音大。懸臂梁表面粘附的壓電片 在長(zhǎng)期的振動(dòng)過(guò)程會(huì)發(fā)出脫落現(xiàn)象，縮短裝置使用壽命。
[0007] (4)公開(kāi)號(hào)為CN 204304834 U，標(biāo)題為"對(duì)稱(chēng)式風(fēng)力壓電發(fā)電裝置"的實(shí)用新型公 開(kāi)了一種對(duì)稱(chēng)式的風(fēng)力壓電發(fā)電裝置。該實(shí)用新型采用風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸上布 置凸輪。當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，撞擊懸臂梁振動(dòng)，從而使得懸臂梁上的壓電片發(fā)電。它的優(yōu)點(diǎn)是機(jī) 構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)速要求低，但是由于其不具有寬頻帶性質(zhì)，故不能充分采集風(fēng)速 較高的風(fēng)能。
[000引（5)在《壓電與聲光》2015年第37卷第2期"基于壓電效應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電方法研究"文 章。文章中設(shè)計(jì)了一種能利用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)多片壓電片振動(dòng)發(fā)電的裝置。設(shè)計(jì)了一種能利用風(fēng) 能驅(qū)動(dòng)多片壓電片振動(dòng)發(fā)電的裝置。該裝置通過(guò)風(fēng)能驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，利用葉輪的旋轉(zhuǎn)扭力 迫使壓電片振動(dòng).將壓電片振動(dòng)產(chǎn)生的電能通過(guò)整流電路、儲(chǔ)能電容及DC-DC轉(zhuǎn)換后供負(fù) 載使用。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在內(nèi)圈壁上可布置大量懸臂梁壓電片，發(fā)電量較大，且具有寬頻 帶的性質(zhì)。但是，本設(shè)計(jì)屬于旋轉(zhuǎn)激勵(lì)撞擊式發(fā)電裝置，利用旋轉(zhuǎn)的葉片撞擊壓電振子，該 方法僅適用轉(zhuǎn)速較低場(chǎng)合、且存在較大沖擊、噪音及可能的撞擊損毀。顯然，運(yùn)種沿旋轉(zhuǎn)體 回轉(zhuǎn)方向撞擊激勵(lì)壓電振子發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在缺陷，制約其推廣應(yīng)用，尤其不適用高速、 勻速及使用空間受限等場(chǎng)合。
[0009] 本申請(qǐng)與發(fā)明專(zhuān)利（1)、實(shí)用新型(4)的本質(zhì)區(qū)別是:本發(fā)明具有寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，通 過(guò)對(duì)長(zhǎng)短不同的懸臂梁陣列布置，拓寬其振動(dòng)頻帶。
[0010] 本申請(qǐng)與實(shí)用新型（2)的本質(zhì)區(qū)別是:本發(fā)明具有對(duì)低速風(fēng)能旋轉(zhuǎn)加速的優(yōu)點(diǎn)，利 用行星輪系對(duì)輸入的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加速輸出，增加激勵(lì)頻率，提高風(fēng)能采集效率。
[0011] 上述專(zhuān)利考慮寬頻帶很少，即使考慮了寬頻帶，但所有裝置均未考慮加速環(huán)節(jié)，本 專(zhuān)利致力于提出適用于寬頻帶，且具有加速功能的風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的即為克服現(xiàn)有技術(shù)未考慮低風(fēng)速環(huán)境下的低頻率振動(dòng)且壓電片無(wú) 法產(chǎn)生有效電能的缺陷，提出一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器。
[0013] 本發(fā)明的核屯、技術(shù)特點(diǎn)為:將風(fēng)扇采集的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);然后，通過(guò)行星輪 系對(duì)此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加速;再利用凸輪原理將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在寬頻帶風(fēng) 致振動(dòng)壓電能量采集器輸出端布置懸臂梁-壓電片組件，拓寬風(fēng)能的采集帶寬，適用多變風(fēng) 速。
[0014] -種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器由運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊、運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模 塊和能量采集模塊組成；
[0015] 其中，運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊由風(fēng)扇（1)、輸入軸(2)、軸承A(3)、內(nèi)曬合小齒輪(5)、軸 承B(6)、外曬合小齒輪(7)、短軸（10)、軸承C(8)、外曬合大齒輪（11)、內(nèi)曬合大齒輪(9)、行 星架（13)、軸承0(12)、平鍵A(24)、平鍵B(25)、平鍵C(27)、平鍵0(28)、插銷(xiāo)（26)及外殼(4) 組成；
[0016] 其中，內(nèi)曬合小齒輪（5)、內(nèi)曬合大齒輪(9)、行星架（13) W及行星輪組成行星輪 系，行星輪又由外曬合小齒輪(7)、短軸(10)、外曬合大齒輪(11)、
[0017] 軸承C(8)及平鍵C(27)及平鍵D(28)組成;行星輪的為3組，即外曬合小齒輪(7)、外 曬合大齒輪(11)、短軸（10)、軸承C(8)、平鍵C(27)及平鍵D(28)的數(shù)量均為3個(gè);短軸（10巧由 向截面為兩端細(xì)，中間粗，中間有截面為正方形的凸起；
[0018] 行星架（13)-端粗長(zhǎng)并在其端面有正方形的安裝孔，稱(chēng)為粗長(zhǎng)端，另一端細(xì)短且 端面平整，稱(chēng)為細(xì)短端，粗長(zhǎng)端與細(xì)短端中間為行星輪安裝架，安裝架共3個(gè)，屬于行星架 (13)的組成部分;安裝架W行星架（13巧由線為中屯、，周向呈120°均勻布置；
[0019]內(nèi)曬合大齒輪(9)的一個(gè)偵曬W該齒輪圓屯、為中屯、環(huán)形陣列布置6個(gè)伸出小圓柱； 小圓柱與內(nèi)曬合大齒輪(9)為一體;輸入軸(2)-端端面為平整，側(cè)曲面有鍵槽;另一端端面 為凹槽，側(cè)面為曲面，布置有6個(gè)插銷(xiāo)孔及鍵槽；
[0020]外殼(4)主要包括運(yùn)動(dòng)輸入加速前腔(簡(jiǎn)稱(chēng)前腔)和運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換后腔(簡(jiǎn)稱(chēng)后腔） W及分隔板;其中，前腔的內(nèi)徑比后腔的內(nèi)徑大;前腔外端面有一個(gè)中屯、通孔A;前腔與后腔 之間為分隔板，分隔板上有中屯、通孔B，并且在前腔側(cè)面上W中屯、通孔B軸線為中屯、環(huán)形陣 列6個(gè)齒輪固定小孔;外殼的后腔端面有一個(gè)中屯、通孔C，并且有兩個(gè)W中屯、通孔C軸線為中 線對(duì)稱(chēng)的直線軸承(17)安裝孔，其中，中屯、通孔C的直徑比直線軸承(17)安裝孔直徑大；
[0021] 運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊由輸出軸（15)、傾斜圓盤(pán)(14)、軸承E( 16)、直線軸承（17)、中屯、 基座彎曲桿(18)、滑桿(19)及連桿(20)組成；
[0022] 其中，輸出軸（15)的一個(gè)端面為圓形，另一個(gè)端面為正方形;滑桿（19) 一端為平整 端面，一端為細(xì)尖狀，且尖端為球面;連桿(20)的中點(diǎn)位置有中屯、孔，中點(diǎn)兩側(cè)有長(zhǎng)孔；
[0023] 能量采集模塊由基座塊(21)、懸臂梁(22) W及壓電片(23)組成;其中，基座塊(21) 的一個(gè)側(cè)面有凸出短桿;懸臂梁(22)長(zhǎng)短不一，其數(shù)量取值范圍為1到15個(gè)；
[0024] -種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器中各模塊的裝配關(guān)系如下：
[0025] -種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器中運(yùn)動(dòng)輸入模塊裝配順序及安裝關(guān)系如下：
[0026] 風(fēng)扇（1)定位安裝到輸入軸（2)平整端，并利用平鍵A(24)固定于輸入軸(2)上;輸 入軸(2)通過(guò)軸承A(3)裝配定位于外殼(4)前腔外端面的中屯、通孔A;內(nèi)曬合小齒輪(5)采用 平鍵B(25)進(jìn)行徑向定位，利用插銷(xiāo)(26)進(jìn)行軸向定位在輸入軸(2)的凹槽端；
[0027] 運(yùn)動(dòng)輸入模塊中的行星輪定位裝配關(guān)系如下：
[0028] 外曬合小齒輪(7)側(cè)面與短軸（10)-端肩部對(duì)齊，外曬合小齒輪(7)的中屯、孔與短 軸（10)-端對(duì)齊配合，并通過(guò)平鍵C(27)定位固定;短軸（10)中間高處安裝軸承C(8)，短軸 (10)通過(guò)軸承C(8)定位安裝到行星架（13)的安裝架的孔中；外曬合大齒輪（11)側(cè)面與短軸 (10)另一端肩部對(duì)齊，外曬合大齒輪（11)的中屯、孔與短軸（10)另一端對(duì)齊配合，并通過(guò)平 鍵D(28)定位固定;3組行星輪W各組間隔120°安裝到行星架（13)的安裝架上；
[0029] 內(nèi)曬合大齒輪(9)側(cè)面利用小圓柱嵌入外殼(4)中；行星架（13)細(xì)端利用軸承B(6) 與輸出軸（15)定位配合，行星架（13)粗端利用軸承D(12)與外殼(4)定位配合，行星架（13) 粗端端面方形孔裝配輸出軸(15)，并采用銷(xiāo)釘固定形式；
[0030] 其中軸承A(3)內(nèi)圈和輸入軸（2)、外殼(4)前腔外端面中屯、通孔A內(nèi)徑和軸承A(3) 外圈、軸承C(8)內(nèi)圈和短軸（10)中間直徑最大的部分、軸承C(8)外圈和行星架（13)安裝架 上的安裝孔、軸承B(6)外圈和輸入軸(2)凹槽端端面中屯、孔、軸承B(6)內(nèi)圈和行星架（13)細(xì) 端、軸承D(12)外圈和外殼(4)中間分隔板中屯、通孔B、軸承D(12)內(nèi)圈和行星架（13)粗端的 配合關(guān)系為過(guò)盈配合；
[0031] 行星輪系的傳動(dòng)比依據(jù)公式(1)計(jì)算：
[0032]
(1)
[0033] 其中，行星輪的傳動(dòng)比，記為:^^，《3為內(nèi)曬合小齒輪(5)的角速度，〇[1為行星架 (13)角速度，23心、2。、2汾別為內(nèi)曬合小齒輪(5)齒數(shù)、外內(nèi)曬合小齒輪(7)齒數(shù)、外曬合大 齒輪(11)的齒數(shù)、內(nèi)曬合大齒輪(9)的齒數(shù);m為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，恥為行星架轉(zhuǎn)速；
[0034] -種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器中運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊的定位裝配順序及安 裝關(guān)系如下：
[0035] 傾斜圓盤(pán)(14)熱烙粘貼固定于輸出軸（15)中間位置;輸出軸（15)圓形端面伸出外 殼(4)后腔外端面，輸出軸（15)通過(guò)軸承E(16)與外殼(4)后腔端面實(shí)現(xiàn)定位配合;滑桿(19) 尖端曲面與傾斜圓盤(pán)（14)盤(pán)面點(diǎn)接觸，滑桿（19巧由線與外殼(4)后腔端面中屯、孔呈對(duì)稱(chēng)分 布的小孔軸線對(duì)齊，并利用直線軸承（17)定位裝配；中屯、基座彎曲桿(18)焊接于外殼(4)后 腔外端面中屯、處;連桿(20)中屯、孔插入中屯、基座彎曲桿（18)上，采用銷(xiāo)釘定位的方式;連桿 (20)長(zhǎng)孔內(nèi)側(cè)面與基座塊(19)上的凸出桿件相切，采用銷(xiāo)釘定位的方式；
[0036] 滑巧（19)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程依據(jù)公式(2)計(jì)算：
[0037]
(2)
[0038] 其中，滑桿（19)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)記為d，l為外殼(4)后腔外端面的直線軸承安裝孔的距 離，e為傾斜圓盤(pán)（14)與輸出軸（15巧由線的夾角，0取值范圍為45°至60% 1取值范圍為20mm 到60mm;
[0039] -種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器中能量采集模塊的定位裝配關(guān)系如下:基座 塊(21)固定在滑桿（19)端面為圓形的一端;基座塊(21)垂直于外殼(4)后腔外端面的側(cè)面 焊接布置懸臂梁(22)，每個(gè)懸臂梁面上粘覆相應(yīng)長(zhǎng)度的壓電片(23);
[0040] -種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器中各模塊的功能如下：
[0041] 運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊的功能包括:通過(guò)風(fēng)扇（1)采集風(fēng)能，并將采集的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);再通過(guò)行星輪系對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加速，并輸出加速后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向不變；
[0042] 運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊的功能包括:輸出軸（15)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給傾斜圓盤(pán)（14)，傾 斜圓盤(pán)（14)盤(pán)面與滑桿（19)尖端球面相切運(yùn)動(dòng)，滑桿（19)隨盤(pán)面做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；中屯、基座彎曲桿（18)支撐連桿(20)，使連桿(20) W中屯、基座 彎曲桿(18)的軸線為中屯、，控制滑桿(19)細(xì)尖端球曲面與傾斜圓盤(pán)(14)的盤(pán)面始終相切；
[0043] 能量采集模塊的功能包括:基座塊(21)隨滑桿（19)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；懸臂梁(22) 在直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)振動(dòng);懸臂梁(22)上表面貼覆的壓電片(23)變形，并產(chǎn)生電能，從而 實(shí)現(xiàn)能量采集；
[0044] 通過(guò)運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊、運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊及能量采集模塊的功能實(shí)現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn) 換為電能；
[0045] -種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器的工作過(guò)程為：
[0046] 步驟一.裝配一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器，具體為：
[0047] 步驟1.1按照運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊的裝配順序及安裝關(guān)系，裝配運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊；
[0048] 步驟1.2按照運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊的定位裝配順序及安裝關(guān)系，安裝運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換 模塊；
[0049] 步驟1.3按照能量采集模塊的定位裝配關(guān)系安裝能量采集模塊；
[0050] 至此，經(jīng)過(guò)步驟1.1到步驟1.3,安裝好的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集 器安裝到使用環(huán)境中；
[0051 ]步驟二.自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)扇（1 )，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊中的行星輪 系，與此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊和能量采集模塊做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，具體為：
[0052] 步驟2.1風(fēng)扇（1)受自然風(fēng)吹動(dòng)，風(fēng)扇（1巧E動(dòng)輸入軸(2)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并將旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)輸入至運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊；
[0053] 步驟2.2輸入軸(2)將步驟2.2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至行星輪系，行星輪系對(duì)此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 進(jìn)行加速；
[0054] 步驟2.3經(jīng)步驟2.巧日速后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)行星架（13)傳遞至輸出軸（15)，并將已 經(jīng)加速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸入至運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊；
[0055] 步驟2.4輸出軸（15)將步驟2.3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至傾斜圓盤(pán)（14)，使得傾斜圓盤(pán) (14)盤(pán)面做盤(pán)面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滑桿（19)與傾斜圓盤(pán)（14)盤(pán)面相切并且受到盤(pán)面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū) 動(dòng)，從而使滑桿(19)進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；
[0056] 步驟2.5滑桿(19)將步驟2.4輸出的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞至基座塊(21 )，基座塊(21) 受滑桿(19)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)懸臂梁(22)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；
[0057] 步驟2.6懸臂梁(22)受直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而使得其產(chǎn)生橫向振動(dòng)，懸臂梁(22)因橫 向振動(dòng)而產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，粘覆在懸臂梁(22)上的壓電片(23)隨著懸臂梁(22)彎曲而產(chǎn)生變 形；
[0化引至此，經(jīng)步驟2.1步驟2.6的壓電片(23)彎曲變形，產(chǎn)生和輸出電能；
[0059] 所述的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器工作環(huán)境風(fēng)速為0m/s-14m/s，風(fēng) 扇（1)轉(zhuǎn)速為化/s-1化/s、傾斜圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針、滑桿(19)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率范圍為 0HZ-240HZ、懸臂梁(22)振動(dòng)頻率為0HZ-240HZ;
[0060] 其中，r/s代表轉(zhuǎn)速的單位:轉(zhuǎn)每秒;m/s代表速度單位:米每秒;Hz代表頻率的單 位:赫茲；
[0061] 至此，從步驟一到步驟二，完成了一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器的工 作過(guò)程。
[0062] 有益效果
[0063] -種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器，與現(xiàn)有的風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器相比， 具有如下有益效果：
[0064] 1.本發(fā)明在風(fēng)能低速高頻變化的環(huán)境下，利用行星輪系與（傾斜圓盤(pán)-滑桿)組件 轉(zhuǎn)換能量的運(yùn)動(dòng)形式，使得陣列布置的不同長(zhǎng)度的(懸臂梁-壓電片)縱向垂直振動(dòng)，能夠有 效增加振動(dòng)帶寬，使發(fā)電量最大化；
[0065] 2.本發(fā)明利用行星輪系對(duì)由風(fēng)速較小風(fēng)能引起的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加速輸出，充分并有效 的采集自然界中低速風(fēng)能；
[0066] 3.本發(fā)明除標(biāo)準(zhǔn)軸承件外，所用零件材料都采用尼龍材料，一方面零件具有良好 的綜合性能，可減小行星輪系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，降低輸入扭矩下限；另一方面，尼龍材料摩擦系數(shù) 低，提高機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率，有利于風(fēng)能的高效采集；
[0067] 4.本發(fā)明所提出的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可W實(shí)現(xiàn)小 尺寸、緊湊結(jié)構(gòu)W及便于自然環(huán)境中安裝使用的特點(diǎn)；
[0068] 5.本發(fā)明利用行星輪系傳遞風(fēng)能引起的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有利于減小裝置的非線性振 動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)軌跡平滑度，減小采集器整體顫動(dòng)；
[0069] 6.本發(fā)明利用凸輪機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減小因振動(dòng)引起的沖 擊，從而降低對(duì)壓電片的破壞，延長(zhǎng)壓電片的使用壽命。
【附圖說(shuō)明】
[0070] 圖1是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例1中的半創(chuàng)面裝配圖；
[0071] 圖2是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器運(yùn)動(dòng)傳遞結(jié)構(gòu)圖；
[0072] 圖3是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例1中的立體示意圖；
[0073] 圖4是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例1中的運(yùn)動(dòng)輸入加速 模塊立體示意圖；
[0074] 圖5是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例1的運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模 塊立體示意圖；
[0075] 圖6是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例1的能量采集模塊立 體示意圖；
[0076] 圖7是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例2的半創(chuàng)面裝配圖；
[0077] 圖8是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例2的立體示意圖；
[0078] 圖9是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例3的半創(chuàng)面裝配圖；
[0079] 圖10是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例3的立體示意圖；
[0080] 圖11是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例3中能量采集模塊立 體的示意圖；
[0081] 圖12是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例4中的半創(chuàng)面裝配 圖；
[0082] 圖13是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例4的立體示意圖；
[0083] 圖14是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例4能量采集模塊的立 體示意圖；
[0084] 圖15是本發(fā)明一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器及實(shí)施例4能量采集模炔基座 塊Os至0.05s的運(yùn)動(dòng)軌跡圖；
[0085] 附圖標(biāo)記說(shuō)明：
[0086] 圖1中A為運(yùn)動(dòng)輸入模塊、B為運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊、C為能量采集模塊；圖1至圖14中標(biāo)號(hào) 統(tǒng)一，（1)為風(fēng)扇，（2)為輸入軸，（3)為深溝球軸承，（4)為外殼，（5)為內(nèi)曬合小齒輪，（6)為 深溝球軸承，（7)為外曬合小齒輪，（8)為深溝球軸承，（9)為內(nèi)曬合大齒輪，（10)為短軸， (11)為外曬合大齒輪，（12)為深溝球軸承，（13)為行星架，（14)為傾斜圓盤(pán)，（15)為輸出軸， (16)為深溝球軸承，（17)為直線軸承，（18)為中屯、基座彎曲桿，（19)為滑桿，（20)為連桿， (21)為基座塊，（22)為懸臂梁，（23)為壓電片、（24)為平鍵A、（25)為平鍵B、（26)為插銷(xiāo)、 (27)為平鍵C、平鍵0(28)。
【具體實(shí)施方式】
[0087] 為了充分理解本發(fā)明的有益效果，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳 細(xì)描述。
[0088] 在下面具體細(xì)節(jié)描述W便于理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可W運(yùn)用其他不同于下 面描述的其他形式來(lái)實(shí)施，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。
[0089] 實(shí)施例1
[0090] 各組模塊運(yùn)動(dòng)形式如圖1所示。
[0091 ]從運(yùn)動(dòng)傳遞理論分析，首先是運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其次是運(yùn)動(dòng)輸出 轉(zhuǎn)換模塊輸出直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再次由能量采集模塊對(duì)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行能量采集;運(yùn)動(dòng)輸 入加速模塊、運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊及能量采集模塊的運(yùn)動(dòng)在單位時(shí)間內(nèi)的間隔很短，可視為 在單位時(shí)間內(nèi)同時(shí)發(fā)生，其中，單位時(shí)間為秒。
[0092]風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)扇（1)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)輸入軸(2)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸入軸(2)帶動(dòng)內(nèi)曬合小齒輪(5) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。外曬合小齒輪(7)受內(nèi)曬合小齒輪(5)驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)橥鈺窈闲↓X輪(7)與外曬 合大齒輪(11)都固定在短軸（10)上，故兩齒輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向相同。外曬合大齒輪(11)與內(nèi)曬合 大齒輪(9)曬合，由于內(nèi)曬合大齒輪(9)固定在外殼（4)上，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，則對(duì)外曬合大齒輪 (11)造成反作用力，使外曬合大齒輪（11)加速轉(zhuǎn)動(dòng)。短軸（10)通過(guò)軸承固定在行星架（13) 之上，短軸(10)帶動(dòng)行星架(13)轉(zhuǎn)動(dòng)，由輸出軸(15)輸出加速后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0093] 風(fēng)能經(jīng)運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊加速，輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)輸出軸（15)傳遞至運(yùn)動(dòng)輸出 轉(zhuǎn)換模塊。傾斜圓盤(pán)(14)固定在輸出軸（15)，則傾斜圓盤(pán)(14)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與之點(diǎn)接觸的滑 桿(19)隨之做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0094] 運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出至能量采集模塊。
[00M]由于連桿(20)將外殼(4)、滑桿一（19)和滑桿二（19)連接在一起，并且連桿(20)是 W外殼4)右端面的中屯、基座彎曲桿(18)為中屯、轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)滑桿一（19)由傾斜圓盤(pán)(14)轉(zhuǎn)動(dòng)做 高位運(yùn)動(dòng)時(shí)，該滑桿一（19)促使連桿(20)向滑桿二（19)方向傾斜?；瑮U二（19)在上一個(gè)時(shí) 刻由于受到傾斜圓盤(pán)(14)的轉(zhuǎn)動(dòng)，將其推至高位，在運(yùn)個(gè)時(shí)刻受連桿(20)傾斜壓迫，向低位 運(yùn)動(dòng)。由于傾斜圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，滑桿一（19)推送到最高位，滑桿二（19)被連桿(20)壓送到最低 位。下一個(gè)時(shí)刻，傾斜圓盤(pán)(14)開(kāi)始將滑桿二（19)推送到高位，連桿(20)將滑桿一（19)壓送 到低位。W此實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0096] 直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)基座塊(21)側(cè)面布置的長(zhǎng)短不一樣的懸臂梁(22)隨之發(fā)生振動(dòng)。 懸臂梁上黏貼的壓電片（23)由于不斷受懸臂梁的振動(dòng)產(chǎn)生電能，電能通過(guò)電路輸出，輸送 至存儲(chǔ)單元。
[0097] 本實(shí)施例中A模塊內(nèi)曬合小齒輪(5)齒數(shù)Za = 90、外內(nèi)曬合小齒輪(7)齒數(shù)Zb = 30、 夕F曬合大齒輪(11)齒數(shù)Zc = 32、內(nèi)曬合大齒輪(9間=92,模數(shù)m=lmm則
[009引
[0099] 風(fēng)扇（1)轉(zhuǎn)速m為60r/min時(shí)，行星架（13)轉(zhuǎn)速m為1440r/min。
[0100] 本實(shí)施例中B模塊傾斜圓盤(pán)（14)與輸出軸（15巧由線夾角0 = 60°，傾斜圓盤(pán)（14)直 徑D二65mmD
[0101] 由傳遞關(guān)系可知，行星架（13)轉(zhuǎn)速n2二傾斜圓盤(pán)（14)轉(zhuǎn)速m二滑桿（19)直線往復(fù) 運(yùn)動(dòng)次數(shù)a。
[0102] 本實(shí)施例中，風(fēng)扇（1)轉(zhuǎn)速ni為eOr/min時(shí)，行星架（13)轉(zhuǎn)速ri2為1440;r/min?；瑮U (19)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)為1440次/分鐘。
[0103] 外殼(4)右端兩個(gè)直線軸承（17)距離1為35mm。則可根據(jù)如圖2所示關(guān)系可得(滑 桿-基座塊)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程d。
[0104]
[0105] 綜上所示，本實(shí)施例中（滑桿-基座塊)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)為1440次/分鐘，其直線 往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程d為20mm。
[0106] 本實(shí)施例中，基座塊(21)單個(gè)側(cè)面安裝6塊長(zhǎng)度不同的懸臂梁(22)，懸臂梁(22)表 面布置相應(yīng)壓電片。共布置48組(懸臂梁-壓電片)組件。由于各懸臂梁的長(zhǎng)度不相等，則其 振動(dòng)的固有頻率也即不相等，壓電片發(fā)電頻率帶寬隨之增大。
[0107]本實(shí)施例表明，本發(fā)明在風(fēng)能低速高頻變化的環(huán)境下，能夠增加有效振動(dòng)帶寬，使 得能量采集的效率大幅提升;對(duì)低風(fēng)速風(fēng)能引起的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加速輸出，并進(jìn)行了有效的能 量采集。
[010引實(shí)施例2
[0109] 如圖2所示，各組模塊運(yùn)動(dòng)形式同實(shí)施例1。
[0110] 本實(shí)施例中運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊內(nèi)曬合小齒輪(5)齒數(shù)Za = 86、外內(nèi)曬合小齒輪(7) 齒數(shù)Zb = 26、外曬合大齒輪(11)齒數(shù)Zc = 32、內(nèi)曬合大齒輪(9)Zd = 92，模數(shù)m = 1mm則
[0111]
[0112] 風(fēng)扇（1)轉(zhuǎn)速ni為eOr/min時(shí)，行星架（13)轉(zhuǎn)速ri2為46化/min。
[0113] 本實(shí)施例中運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊傾斜圓盤(pán)(14)與輸出軸（15巧由線夾角0 = 70°，傾斜 圓盤(pán)(14)直徑D = 65mm。
[0114] 由傳遞關(guān)系可知，行星架（13)轉(zhuǎn)速ri2 =傾斜圓盤(pán)（14)轉(zhuǎn)速m =滑桿（19)直線往復(fù) 運(yùn)動(dòng)次數(shù)a。
[011日]本實(shí)施例中，風(fēng)扇（1)轉(zhuǎn)速m為eOr/min時(shí)，行星架（13)轉(zhuǎn)速ri2為46化/min。滑桿 (19)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)為462次/分鐘。
[0116] 外殼（4)右端兩個(gè)直線軸承（17)距離1為40mm。則可根據(jù)如圖2所示關(guān)系可得（滑 桿-基座塊)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程d。
[0117]
[0118] 綜上所示，本實(shí)施例中（滑桿-基座塊)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)為462次/分鐘，其直線往 復(fù)運(yùn)動(dòng)行程d為10.71mm。
[0119] 本實(shí)施例中，基座塊(21)單個(gè)側(cè)面安裝5塊長(zhǎng)度不同的懸臂梁(22)，懸臂梁(22)表 面布置相應(yīng)壓電片(23)。共布置40組(懸臂梁-壓電片)組件。由于各懸臂梁(22)的長(zhǎng)度不相 等，則其振動(dòng)的固有頻率也即不相等，壓電片發(fā)電頻率帶寬隨之增大。
[0120] 本實(shí)施例中除標(biāo)準(zhǔn)軸承件外，所用零件材料都是用尼龍材料加工而成;一方面，尼 龍材料方便加工成型且具有摩擦系數(shù)低的特點(diǎn)，使得針對(duì)不同風(fēng)速環(huán)境下的運(yùn)行，可選擇 不同參數(shù)，如行星輪系的各齒輪的齒數(shù)、傾斜圓盤(pán)的斜角角度等；同時(shí)，尼龍材料加工出來(lái) 的零件具有良好的綜合性能，可減小行星輪系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，降低輸入扭矩下限，有效提高了機(jī) 構(gòu)傳動(dòng)效率，有利于風(fēng)能的高效采集;進(jìn)一步的，本實(shí)施例還可W實(shí)現(xiàn)構(gòu)建小尺寸的緊湊結(jié) 構(gòu)W便于自然環(huán)境中安裝使用。
[0121] 實(shí)施例3
[0122] 如圖9所示，運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊、運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊運(yùn)動(dòng)形式同實(shí)施例1。擴(kuò)充能量 采集模塊，增加能量采集量，擴(kuò)大風(fēng)能采集頻率帶寬，適合應(yīng)用在高風(fēng)速的自然環(huán)境中。
[0123] 本實(shí)施例運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊去除連桿(20)、中屯、基座彎曲桿(18)。增加彈黃，將其 套入滑桿（19)，彈黃一端固定在外殼(4)上，另一端固定在滑桿（19)與基座塊(21)連接處， 如圖11所示。增加兩組(滑桿-基座塊)組件，則本實(shí)施例中共四組(滑桿-基座塊)組件。
[0124] 本實(shí)施例中運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊內(nèi)曬合小齒輪(5)齒數(shù)Za = 90、外內(nèi)曬合小齒輪(7) 齒數(shù)Zb = 30、外曬合大齒輪（11)齒數(shù)Zc = 34、內(nèi)曬合大齒輪(9)Zd = 94，模數(shù)m = 1mm則
[0125]
[01 %] 風(fēng)扇（1)轉(zhuǎn)速m為6化/min時(shí)，行星架（13)轉(zhuǎn)速m為76化/min。
[0127] 本實(shí)施例中運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊傾斜圓盤(pán)(15)與輸出軸（14巧由線夾角0 = 80°，傾斜 圓盤(pán)(15)直徑D = 65mm。
[0128] 由傳遞關(guān)系可知，行星架（13)轉(zhuǎn)速ri2 =傾斜圓盤(pán)（15)轉(zhuǎn)速m =滑桿（19)直線往復(fù) 運(yùn)動(dòng)次數(shù)a。
[0129] 本實(shí)施例中，風(fēng)扇（1)轉(zhuǎn)速m為eOr/min時(shí)，行星架（13)轉(zhuǎn)速ri2為76化/min?；瑮U (19)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)為769次/分鐘。
[0130] 外殼(4)右端兩個(gè)直線軸承（17)距離1為35mm。則可根據(jù)如圖2所示關(guān)系可得(滑 桿-基座塊)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程d。
[0131]
[0132] 綜上所示，本實(shí)施例中（滑桿-基座塊)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)為769次/分鐘，其直線往 復(fù)運(yùn)動(dòng)行程d為6.17mm。
[0133] 本實(shí)施例中，基座塊(21)單個(gè)側(cè)面安裝5塊長(zhǎng)度不同的懸臂梁，共4個(gè)基座塊。懸臂 梁(22)表面布置相應(yīng)壓電片?？刹贾?0組(懸臂梁-壓電片)組件。由于各懸臂梁的長(zhǎng)度不相 等，則其振動(dòng)的固有頻率也即不相等，壓電片發(fā)電頻率帶寬隨之增大。
[0134] 本實(shí)施例采取了行星輪系與凸輪機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)，即利用行星輪系傳遞風(fēng)能引起的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有利于減小裝置的非線性振動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)軌跡平滑度，減小采集器整體顫動(dòng);從 而使整個(gè)壓電能量采集器的整體性能得到很大提升。進(jìn)一步的，通過(guò)在裝置后端改進(jìn)并添 加彈黃，減小因振動(dòng)引起的沖擊，從而降低對(duì)壓電片的破壞，延長(zhǎng)壓電片的使用壽命。此外， 本實(shí)施例與實(shí)施例2-樣，也可W進(jìn)一步縮小壓電能量采集器體積，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，有 利于在各種不同的環(huán)境中安裝使用。
[0135] 實(shí)施例4
[0136] 如圖12所示，各模塊運(yùn)動(dòng)形式同實(shí)施例1。對(duì)能量采集模塊外殼(4)右端的中屯、基 座彎曲（18)桿進(jìn)行改動(dòng)，增加一個(gè)彎曲桿，且與第一個(gè)彎曲桿呈90°。共4組(滑桿-基座塊） 組件，與實(shí)施例1中能量采集模塊（外殼-滑桿-連桿)裝配關(guān)系相同，本實(shí)施例中新增滑桿 (19)長(zhǎng)度比實(shí)施例1中滑桿(19)長(zhǎng)度要長(zhǎng)，其他尺寸相同。
[0137] 本實(shí)施例中運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊內(nèi)曬合小齒輪(5)齒數(shù)Za = 90、外內(nèi)曬合小齒輪(7) 齒數(shù)Zb = 30、外曬合大齒輪（11)齒數(shù)Z。= 32、內(nèi)曬合大齒輪(9)齒數(shù)Zd = 92，模數(shù)m = 1mm則
[013 引
[0139] 風(fēng)扇（1)轉(zhuǎn)速m為60r/min時(shí)，行星架（13)轉(zhuǎn)速m為1440r/min。
[0140] 本實(shí)施例中運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊傾斜圓盤(pán)(15)與輸出軸（14巧由線夾角0 = 75°，傾斜 圓盤(pán)直徑D = 65mm。
[0141] 由傳遞關(guān)系可知，行星架（13)轉(zhuǎn)速ri2 =傾斜圓盤(pán)（15)轉(zhuǎn)速m =滑桿（19)直線往復(fù) 運(yùn)動(dòng)次數(shù)a。
[0142] 本實(shí)施例中，風(fēng)扇（1)轉(zhuǎn)速ni為eOr/min時(shí)，行星架（13)轉(zhuǎn)速ri2為1440;r/min?；瑮U (19)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)為1440次/分鐘。
[0143] 外殼(4)右端兩個(gè)直線軸承距離1為35mm。則可根據(jù)如圖2所示關(guān)系可得(滑桿-基 座塊)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程d。
[0144]
[0145] 綜上所示，本實(shí)施例(滑桿-基座塊)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)為1440次/分鐘，其直線往 復(fù)運(yùn)動(dòng)行程d為12.74mm。
[0146] 本實(shí)施例中，基座塊(21)單個(gè)側(cè)面安裝6塊長(zhǎng)度不同的懸臂梁(21)，懸臂梁(22)表 面布置相應(yīng)壓電片(23)。共4個(gè)基座塊，則共布置96組(懸臂梁-壓電片)組件。由于各懸臂梁 (22)的長(zhǎng)度不相等，則其振動(dòng)的固有頻率也即不相等，本實(shí)施例中振動(dòng)頻率帶寬是實(shí)施例1 中振動(dòng)帶寬2倍，有效的提高風(fēng)能的采集，適合在風(fēng)速變化大，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)速大的環(huán)境中 工作。
[0147] 本實(shí)施例表明本發(fā)明在風(fēng)能低速高頻變化的環(huán)境下，利用行星輪系與(傾斜圓盤(pán)- 滑桿)組件轉(zhuǎn)換能量的運(yùn)動(dòng)形式，使得陣列布置的不同長(zhǎng)度的（懸臂梁-壓電片)縱向垂直振 動(dòng)，能夠有效增加振動(dòng)帶寬，使發(fā)電量最大化，具體體現(xiàn)為:本實(shí)施例中振動(dòng)頻率帶寬是實(shí) 施例1中振動(dòng)帶寬2倍，有效的提高風(fēng)能的采集，適合在風(fēng)速變化大，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)速大的環(huán) 境中工作，充分實(shí)現(xiàn)寬頻帶振動(dòng)能量采集;此外，本實(shí)施例中出軸承外的各零件都采用尼龍 材料加工，擴(kuò)充模塊及提升模塊性能較為方便簡(jiǎn)單。
[0148] W上所述僅為本發(fā)明的一個(gè)【具體實(shí)施方式】，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。 任何在本發(fā)明的思路和原則之內(nèi)所作的任何變動(dòng)、替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求 保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器，其特征在于： 由運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊、運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊和能量采集模塊組成； 其中，運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊由風(fēng)扇（1)、輸入軸（2)、軸承A(3)、內(nèi)嚙合小齒輪(5)、軸承B (6)、外嚙合小齒輪(7)、短軸（10)、軸承C(8)、外嚙合大齒輪(11)、內(nèi)嚙合大齒輪(9)、行星架 (13)、軸承0(12)、平鍵4(24)、平鍵以25)、平鍵以27)、平鍵0(28)、插銷(xiāo)(26)及外殼(4)組成； 其中，內(nèi)嚙合小齒輪(5)、內(nèi)嚙合大齒輪(9)、行星架（13)以及行星輪組成行星輪系，行 星輪又由外嚙合小齒輪(7)、短軸（10)、外嚙合大齒輪（11)、軸承C(8)及平鍵C(27)及平鍵D (28)組成；行星輪為3組，即外嚙合小齒輪(7)、外嚙合大齒輪（11)、短軸（10)、軸承C(8)、平 鍵C(27)及平鍵D(28)的數(shù)量均為3個(gè);短軸（10)軸向截面為兩端細(xì)，中間粗，中間有截面為 正方形的凸起； 行星架（13)-端粗長(zhǎng)并在其端面有正方形的安裝孔，稱(chēng)為粗長(zhǎng)端，另一端細(xì)短且端面 平整，稱(chēng)為細(xì)短端，粗長(zhǎng)端與細(xì)短端中間為行星輪安裝架，安裝架共3個(gè)，屬于行星架（13)的 組成部分;安裝架以行星架(13)軸線為中心，周向呈120°均勻布置； 內(nèi)嚙合大齒輪(9)的一個(gè)側(cè)面以該齒輪圓心為中心環(huán)形陣列布置6個(gè)伸出小圓柱;小圓 柱與內(nèi)嚙合大齒輪(9)為一體;輸入軸(2) -端端面為平整，側(cè)曲面有鍵槽;另一端端面為凹 槽，側(cè)面為曲面，布置有6個(gè)插銷(xiāo)孔及鍵槽； 外殼(4)主要包括運(yùn)動(dòng)輸入加速前腔(簡(jiǎn)稱(chēng)前腔)和運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換后腔(簡(jiǎn)稱(chēng)后腔）以及 分隔板;其中，前腔的內(nèi)徑比后腔的內(nèi)徑大;前腔外端面有一個(gè)中心通孔A;前腔與后腔之間 為分隔板，分隔板上有中心通孔B，并且在前腔側(cè)面上以中心通孔B軸線為中心環(huán)形陣列6個(gè) 齒輪固定小孔;外殼的后腔端面有一個(gè)中心通孔C，并且有兩個(gè)以中心通孔C軸線為中線對(duì) 稱(chēng)的直線軸承(17)安裝孔，其中，中心通孔C的直徑比直線軸承(17)安裝孔直徑大； 運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊由輸出軸（15)、傾斜圓盤(pán)（14)、軸承E(16)、直線軸承（17)、中心基座 彎曲桿(18)、滑桿(19)及連桿(20)組成； 其中，輸出軸（15)的一個(gè)端面為圓形，另一個(gè)端面為正方形；滑桿（19)一端為平整端 面，一端為細(xì)尖狀，且尖端為球面;連桿(20)的中點(diǎn)位置有中心孔，中點(diǎn)兩側(cè)有長(zhǎng)孔； 能量采集模塊由基座塊(21)、懸臂梁(22)以及壓電片(23)組成;其中，基座塊(21)的一 個(gè)側(cè)面有凸出短桿;懸臂梁(22)長(zhǎng)短不一，其數(shù)量取值范圍為1到15個(gè)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器，其特征還在于： 一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器中各模塊的裝配關(guān)系如下： 一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器中運(yùn)動(dòng)輸入模塊裝配順序及安裝關(guān)系如下： 風(fēng)扇（1)定位安裝到輸入軸（2)平整端，并利用平鍵A(24)固定于輸入軸（2)上;輸入軸 (2)通過(guò)軸承A(3)裝配定位于外殼(4)前腔外端面的中心通孔A;內(nèi)嚙合小齒輪(5)采用平鍵 B(25)進(jìn)行徑向定位，利用插銷(xiāo)(26)進(jìn)行軸向定位在輸入軸(2)的凹槽端； 運(yùn)動(dòng)輸入模塊中的行星輪定位裝配關(guān)系如下： 外嚙合小齒輪(7)側(cè)面與短軸（10)-端肩部對(duì)齊，外嚙合小齒輪（7)的中心孔與短軸 (10)-端對(duì)齊配合，并通過(guò)平鍵C(27)定位固定；短軸（10)中間高處安裝軸承C(8)，短軸 (10)通過(guò)軸承C(8)定位安裝到行星架（13)的安裝架的孔中；外嚙合大齒輪（11)側(cè)面與短軸 (10)另一端肩部對(duì)齊，外嚙合大齒輪（11)的中心孔與短軸（10)另一端對(duì)齊配合，并通過(guò)平 鍵D(28)定位固定;3組行星輪以各組間隔120°安裝到行星架（13)的安裝架上； 內(nèi)嚙合大齒輪(9)側(cè)面利用小圓柱嵌入外殼(4)中；行星架（13)細(xì)端利用軸承B(6)與輸 出軸（15)定位配合，行星架（13)粗端利用軸承D(12)與外殼(4)定位配合，行星架（13)粗端 端面方形孔裝配輸出軸(15)，并采用銷(xiāo)釘固定形式； 其中軸承A(3)內(nèi)圈和輸入軸(2)、外殼(4)前腔外端面中心通孔A內(nèi)徑和軸承A(3)外圈、 軸承C(8)內(nèi)圈和短軸（10)中間直徑最大的部分、軸承C(8)外圈和行星架（13)安裝架上的安 裝孔、軸承B(6)外圈和輸入軸(2)凹槽端端面中心孔、軸承B(6)內(nèi)圈和行星架（13)細(xì)端、軸 承D(12)外圈和外殼(4)中間分隔板中心通孔B、軸承D(12)內(nèi)圈和行星架（13)粗端的配合關(guān) 系為過(guò)盈配合； 行星輪系的傳動(dòng)比依據(jù)公式(1)計(jì)算：其4中，行星輪的傳動(dòng)比，記為，《 3為內(nèi)嚙合小齒輪(5)的角速度，《 H為行星架（13)角 速度，23、2^2。、2<!分別為內(nèi)嚙合小齒輪(5)齒數(shù)、外內(nèi)嚙合小齒輪(7)齒數(shù)、外嚙合大齒輪 (11)的齒數(shù)、內(nèi)嚙合大齒輪(9)的齒數(shù);m為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，11 2為行星架轉(zhuǎn)速； 一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器中運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊的定位裝配順序及安裝關(guān) 系如下： 傾斜圓盤(pán)（14)熱熔粘貼固定于輸出軸（15)中間位置;輸出軸（15)圓形端面伸出外殼 (4)后腔外端面，輸出軸（15)通過(guò)軸承E(16)與外殼(4)后腔端面實(shí)現(xiàn)定位配合;滑桿（19)尖 端曲面與傾斜圓盤(pán)（14)盤(pán)面點(diǎn)接觸，滑桿（19)軸線與外殼(4)后腔端面中心孔呈對(duì)稱(chēng)分布 的小孔軸線對(duì)齊，并利用直線軸承（17)定位裝配；中心基座彎曲桿(18)焊接于外殼(4)后腔 外端面中心處;連桿（20)中心孔插入中心基座彎曲桿（18)上，采用銷(xiāo)釘定位的方式。連桿 (20)長(zhǎng)孔內(nèi)側(cè)面與基座塊(19)上的凸出桿件相切，采用銷(xiāo)釘定位的方式； 滑桿(19)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程依據(jù)公式(2)計(jì)算：其中，滑桿（19)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)記為d，l為外殼(4)后腔外端面的直線軸承安裝孔的距離，0 為傾斜圓盤(pán)（14)與輸出軸（15)軸線的夾角，0取值范圍為45°至60° ;1取值范圍為20mm到 60mm； 一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電能量采集器中能量采集模塊的定位裝配關(guān)系如下： 基座塊(21)固定在滑桿（19)端面為圓形的一端;基座塊(21)垂直于外殼(4)后腔外端 面的側(cè)面焊接布置懸臂梁(22)，每個(gè)懸臂梁面上粘覆相應(yīng)長(zhǎng)度的壓電片(23)。3.如權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器，其特征還在于： 一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器中各模塊的功能如下： 運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊的功能包括:通過(guò)風(fēng)扇（1)采集風(fēng)能，并將采集的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng);再通過(guò)行星輪系對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加速，并輸出加速后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向不變； 運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊的功能包括:輸出軸（15)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給傾斜圓盤(pán)（14 )，傾斜圓 盤(pán)（14)盤(pán)面與滑桿（19)尖端球面相切運(yùn)動(dòng)，滑桿（19)隨盤(pán)面做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；中心基座彎曲桿（18)支撐連桿(20)，使連桿(20)以中心基座彎曲 桿(18)的軸線為中心，控制滑桿(19)細(xì)尖端球曲面與傾斜圓盤(pán)(14)的盤(pán)面始終相切； 能量采集模塊的功能包括:基座塊(21)隨滑桿（19)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng);懸臂梁(22)在直 線往復(fù)運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)振動(dòng);懸臂梁(22)上表面貼覆的壓電片(23)變形，并產(chǎn)生電能，從而實(shí)現(xiàn) 能量采集； 通過(guò)運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊、運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊及能量采集模塊的功能實(shí)現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為 電能。4. 如權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器，其特征還在于： 一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器的工作過(guò)程為： 步驟一.裝配一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器； 步驟二.自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)扇（1 )，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊中的行星輪系，與 此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊和能量采集模塊做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)； 至此，從步驟一到步驟二，完成了一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器的工作過(guò) 程。5. 如權(quán)利要求4所述的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器，其特征還在于： 步驟一，具體為： 步驟1.1按照運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊的裝配順序及安裝關(guān)系，裝配運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊； 步驟1.2按照運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊的定位裝配順序及安裝關(guān)系，安裝運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊； 步驟1.3按照能量采集模塊的定位裝配關(guān)系安裝能量采集模塊； 至此，經(jīng)過(guò)步驟1.1到步驟1.3,安裝好的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器安 裝到使用環(huán)境中。6. 如權(quán)利要求4所述的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器，其特征還在于： 步驟二，具體為： 步驟2.1風(fēng)扇（1)受自然風(fēng)吹動(dòng)，風(fēng)扇（1)驅(qū)動(dòng)輸入軸(2)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 輸入至運(yùn)動(dòng)輸入加速模塊； 步驟2.2輸入軸（2)將步驟2.2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至行星輪系，行星輪系對(duì)此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行 加速； 步驟2.3經(jīng)步驟2.2加速后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)行星架（13)傳遞至輸出軸（15)，并將已經(jīng)加 速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸入至運(yùn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換模塊； 步驟2.4輸出軸（15)將步驟2.3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至傾斜圓盤(pán)（14 )，使得傾斜圓盤(pán)（14)盤(pán) 面做盤(pán)面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滑桿（19)與傾斜圓盤(pán)（14)盤(pán)面相切并且受到盤(pán)面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，從而 使滑桿(19)進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 步驟2.5滑桿（19)將步驟2.4輸出的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞至基座塊(21 )，基座塊(21)受滑 桿(19)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)懸臂梁(22)往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 步驟2.6懸臂梁(22)受直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而使得其產(chǎn)生橫向振動(dòng)，懸臂梁（22)因橫向振 動(dòng)而產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，粘覆在懸臂梁(22)上的壓電片(23)隨著懸臂梁(22)彎曲而產(chǎn)生變形； 至此，經(jīng)步驟2.6的壓電片(23)彎曲變形，產(chǎn)生和輸出電能； 所述的一種寬頻帶風(fēng)致振動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器工作環(huán)境風(fēng)速為〇m/S-14m/s，風(fēng)扇 (1)轉(zhuǎn)速為Or/s-lOr/s、傾斜圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針、滑桿（19)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率范圍為 0Hz-240Hz、懸臂梁（22)振動(dòng)頻率為0Hz-240Hz; 其中，r/s代表轉(zhuǎn)速的單位:轉(zhuǎn)每秒;m/s代表速度單位:米每秒;Hz代表頻率的單位:赫 茲。
【文檔編號(hào)】F03D9/25GK106050572SQ201610562927
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月16日
【發(fā)明人】曹東興, 劉彥琦, 汪濤, 姚明輝, 張偉
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué), 北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所, 盧繼華