从液压波动收集压电能量的系统及方法
【专利说明】从液压波动收集压电能量的系统及方法 巧001]相关申请的交叉引用
[0002] 根据《美国法典》第35篇第119(e)条的规定，本申请主张享有于2013年6月6日提交 的、名为"从液压波动收集压电能量"的美国临时申请No.61/831,875的权益，前述申请的全 部内容和实质通过引用整体地结合于本文中，全部如下。
【背景技术】
[0003]从低能量密度的来源，如风端流与结构振动来收集能量一直是全球范围内的热口 研究课题，并已投入了大量的工作。能量收集的典型应用是为传感器W及无线通信节点供 电。
[0004]在液压系统中，分布式传感器是常见的，在液压行业内正在有效利用健康监测系 统，且在加工业中，远程传感和监控是常见的。而发展到目前为止，常见的能源探测收集技 术(例如，风端流与结构振动）已经应用到能量密度相对较低的能量来源，W及相比之下代 表相对较高的能量密度来源的液压波动（即液压系统中的压力波动）中。然而，受累作用，存 在于大多数液压系统或任何流体系统中的压力波动通常被视为会干扰或损害系统性能，所 述压力波动也可代表能量收集的动力源。
[000引因此，长期W来一直需求一种从存在于液压或其它流体系统中的压力波动来收集 能量的系统或方法，但尚未得到解决。 巧006]发明概述
[0007] 简要地说，根据一实施方式，本发明的各方面主要设及用于从液压波动中收集压 电能量的系统及方法。
[0008]在本发明的一些实施方式中，系统包括壳体、与流体系统的压力波动流体连通并 被配置为产生压电电压W及相关压电电流W响应压力波动特性的压电堆叠，其中，所述压 电堆叠设置在所述壳体中，且调节电路与所述压电堆叠电连通并被配置成将所述压电电流 转换成直流电压。
[0009]在本发明的其它实施方式中，系统包括外壳，其包括设置在第一末端和第二末端 之间的主体。所述系统还包括多层压电堆叠，其包括多个并联的轴向极化压电层W及顶表 面和底表面，其中，所述压电堆叠设置在所述外壳的主体内，且所述压电堆被配置成产生压 电电压W响应压力波动特性。此外，所述系统包括含有顶表面和底表面的界面，其中，所述 界面的底表面与流体系统的压力波动流体连通，而所述界面的顶表面则与压电堆的底表面 机械连通，其中，所述界面被配置为向所述压电堆传送压力波动特性。最后，所述系统包括 调节电路，其中，所述压电堆叠通过所述调节电路进行分流，且所述调节电路被配置成将所 述压电电流转换成直流电压，其中，所述压电电流与所述压电电压相关联，且所述压电电流 从压电堆叠流入调节电路。
[0010] 在本发明的其它实施方式中，方法包括:在界面接收压力波动特性，其中，所述界 面与压电堆叠机械连接。所述方法还包括:响应于在界面接收的压力波动特性，经由压电堆 叠产生压电电压和相关的压电电流，其中，所述压电堆叠通过调节电路分流。所述方法还包 括:通过所述调节电路生成直流电压，其中，与所述压电电压相关的压电电流从压电堆叠流 入调节电路。
[0011] 通过下文中结合附图对本发明的优选实施方式的详细描述，本发明的运些和其它 方面、特征W及效果将变得更为明显，但是，在不脱离本发明的新理念的精神和范围的前提 下，可进行其它修改和变化。
【附图说明】
[0012] 附图示出了本发明的一种或多种实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的 原理。尽可能地，附图中所使用的相同的附图标记用来表示实施方式中相同或相似的元件； 并且其中：
[0013] 图1根据一示例性实施方式，示出了W毫瓦每平方厘米测量的由轴向柱塞累W 270化驱动的液压系统的压力波动传送的每单位面积的功率；
[0014] 图2根据一示例性实施方式，示出了W毫瓦测量的、在具有不同直径的软管中的由 轴向柱塞累W270HZ驱动的液压系统的压力波动传送的实际功率；
[0015] 图3根据一示例性实施方式，示出了安装在流体管道系统上的液压能量收集器 化阳H)的示意图；
[0016]图4根据一示例性实施方式，示出了HPEP400的结构分解图；
[0017]图5根据一示例性实施方式，示出了HPEH500的结构分解图；
[0018] 图6A根据一示例性实施方式，示出了HPEP600的结构分解图；
[0019] 图6B根据一示例性实施方式，示出了HPEP600的剖视图；
[0020] 图7A根据一示例性实施方式示出了一导管，其被配置成容置一个或多个可插入 HPEP，从而使得一个或多个可插入HP聞1可通过软管或管道的外壁旋入到软管或管道中；
[0021] 图7B根据一示例性实施方式，示出了具有调节电路750并被配置成通过导管的外 壁旋入到导管中的可插入HPEH730的电路示意图；
[0022] 图7C根据一示例性实施方式，示出了具有调节电路的HP邸的半剖面图；
[0023] 图8A根据一示例性实施方式示出了一导管，其被配置成容置一个或多个册EH，从 而使得一个或多个HPEH可通过导管的内壁旋入到导管中；
[0024] 图8B根据一示例性实施方式，示出了具有调节电路并被配置成通过导管的内壁旋 入到导管中的可插入H阳册30的电路示意图；
[0025] 图9根据一示例性实施方式，示出了被构造成环形并被设置在导管中的H阳H900;
[0026] 图IOA根据一示例性实施方式，示出了具有可调节电路并被构造成环形，即轴向极 化的HPEH920的半剖面图；
[0027] 图IOB根据一示例性实施方式，示出了具有可调节电路并被构造成环形，即轴向极 化的HPEH920的半剖面图；
[0028] 图IlA根据一示例性实施方式，示出了通过外部电路分流的压电材料1105的示意 图；
[0029] 图IlB根据一示例性实施方式，示出了如图IlA所示的组合系统的等效电路模型的 示意图；
[0030] 图12A根据一示例性实施方式，示出了压电材料在力作用下的电压源模型1210的 示意图；
[0031] 图12B根据一示例性实施方式，示出了压电材料在力作用下的电流源模型1220的 示意图；
[0032]图13根据一示例性实施方式，示出了含有与压电设备130并联的分流器1310的模 型电路1300的示意图；
[0033]图14根据一示例性实施方式，示出了含有与阻抗并联的能量收集器组件的模型电 路1400的示意图；
[0034] 图15根据一示例性实施方式，示出了含有与理想电阻1520并联的理想电阻1510的 模型电路1500的示意图；
[00巧]图16根据一示例性实施方式，示出了用于通过理想电阻1610和理想电感1620分流 的理想压电元件的功率分析的模型电路1600的示意图；
[0036]图17根据一示例性实施方式，示出了用于通过理想电阻1710和具有电阻1730的理 想电感1720分流的理想压电元件的功率分析的模型电路1700的示意图；
[0037] 图18A根据一示例性实施方式，示出了W电阻负载1820终结的多层压电堆叠1810 的示意图；
[0038]图18B根据一示例性实施方式，示出了与图18A中的示意图等效的电学模型1850的 示意图，其中：图18A中的压电堆叠1810由与电容1870并联的电源1860来体现；
[0039]图19A根据一示例性实施方式，示出了W负载阻抗1920终结的压电堆叠1910的示 意图；
[0040]图19B根据一示例性实施方式，示出了与图19A中所示等效的电学模型1950的示意 图，其中：图19A中的压电堆叠1910由与电容1970、阻抗1980、W及电感1990并联的电源1960 来体现；
[0041]图20根据一示例性实施方式，示出了被配置成能使液压2015被施加到一有效的流 体接触区域2020上的HP邸2010的示意图；
[0042]图21根据一示例性实施方式，示出了在谐波液压波动为270Hz和由PZT-5A制成的 棱柱型压电插入件的条件下，压力波动和压电材料体积的各种组合的归一化功率输出的等 值线；
[0043] 图22示出了恒定PZT体积的压力波动和频率的不同组合的恒定功率输出等值线；
[0044] 图23示出了 270Hz的压力波动和PZT-5A体积的不同组合的恒定压电值的等值线。
【具体实施方式】
[0045] 在对本发明进行详细描述前，先提供下列符号定义W帮助理解本发明的系统和方 法的主题和术语。运些符号假定采用33-极化压电材料，尽管在其它实施方式中，也可采用 其它各种压电材料。此外，任何符号定义或其它术语是示例性的，并不用于限定权利要求书 中所述的系统及方法的各方面。术语无论是否大写都不应视为对术语的含义的限制或限 定。如本文中所使用的，大写形式的术语应当与小写形式的术语具有相同的含义，除非上下 文中明确表示该大写术语的使用具有更限制性的意思。但是，在本文中的其它部分，术语是 否大写并不旨在一定是限制性的，除非上下文中明确地表明了为了限制。
[0046]符号定义
[0047] k33:机电禪合系数；
[004引 =短路压电致动器或堆叠的弹性模量；
[0049] 却)=E某(1-A去）j开路压电致动器或堆叠的弹性模量；
[0050]E/fI分流片的弹性模量，允许复数值；
[0051] =写/+/巧I分流压电致动器或堆叠的复数模量.
[0052] Ed:动态模量；
[0053] Ei:损耗模量
[0054] 二与?/鸣.无量纲动态模量(刚度；)；
[0055] //二与/崎,无量纲损耗模量；
[0056]Cj=恒定应力下的固有压电致动器或堆叠电容；
[0057] 巧二巧(1-磕).恒定应变下的压电致动器或堆叠电容；
[0058] Zsu:通过压电致动器或堆叠的分流电路的阻抗；
[0059] ZD:压电致动器或堆叠的开路电路阻抗；
[0060]ZE^与压电致动器或堆叠并联的分流电路的阻抗。
[0061 ] 概述
[0062]为促进对本发明的原理进行理解的目的，现参考附图中所示的实施方式并结合具 体的语言对其进行描述。然而，应当理解的是，其意图并不在于限定本发明的范围，本领域 技术人员可根据本发明所公开的内容对所描述和所示的实施方式进行任何变化或其它修 改，W及其它应用。本发明的范围应当由权利要求所描述及表达的内容所限定。
[0063]本发明的内容主要设及用于从大多数液压系统或任何流体系统中受累作用产生 的压力波动中收集能量的系统及方法。如将要讨论的，压力波动中存在有效的能量，其可通 过本发明的系统及方法将压力转换为电能。例如，许多液压系统利用健康监控传感器，其智 能地监测含有软管组件的系统的完整性，并在软管应当更换时提供通知。然而，此类系统， 通常需要外部电源(如，电池、电线等）。在一实施方式中，本发明的系统及方法可集成到此 类健康监控系统中，从而省略了外部电源的需求，进而减少总体维修接触并消除潜在故障 点。
[0064]图1示出了W毫瓦每平方厘米(mW/cm2)测量的、由轴向柱塞累W270Hz驱动的液压