一种点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置

本发明属于压电俘能技术领域，更具体地说，涉及一种点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置。

背景技术：

近年来，随着城市的发展，规模及人口数量日益扩大，轨道交通作不仅缓解了城市的拥堵，也给人们带来了巨大的便利，在轨道交通运营期间，对列车运行环境的长期监测有助于人们了解线路运营状况，保障行车安全，但监测传感器网络节点的生命周期严重依赖于电池寿命，可以说，能源供给问题是制约监测传感器的关键因素。

现已有一些采用压电俘能理论来从地铁中获取能量的实例，利用地铁运行时通过浮置板轨道产生的振动能量来发电，例如中国专利公开号cn112054717a公布的一种压电式能量采集装置及在浮置板轨道上的应用与方法，其做法是将压电俘能结构与钢弹簧支承串联进行电能俘获，但这类方法有以下局限性：（1）在原有钢弹簧支承的基础上串联加入压电俘能装置，增加了浮置板被支承顶起的高度，在隧道等对空间限界要求较高的区域可能会影响该压电俘能装置的适用性；（2）该压电俘能装置采用单一的d33模式来进行能量俘获，俘能效率不高。

经检索，中国专利公开号：cn111726035a；公开日：2020年9月29日；公开了一种调谐质量压电俘能器及其制造方法，压电俘能器包括：阻尼件、弹簧件、质量块、固定件和俘能件；所述质量块与所述固定件之间设置有所述阻尼件、弹簧件和俘能件，且所述质量块与所述固定件相互平行设置；所述阻尼件的一端设置在所述固定件的中部，另一端设置在所述质量块的中部；所述阻尼件的四周间隔设有所述俘能件和所述弹簧件；所述俘能件的一端和所述弹簧件的一端均与所述固定件相连，所述俘能件的另一端和所述弹簧件的另一端均与所述质量块相连。该申请案的压电俘能器通过阻尼件将其吸附的能量将集中传递到俘能件上，使俘能件变形增大产生电能增多，使得俘能效率提高，虽然解决了现有压电俘能装置俘能效率低的问题，但是该申请案的压电俘能器结构尺寸大，对安装空间需求较大，无法有效适用于浮置板轨道处的有限空间中。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，该装置包括：

壳体，其为柱状结构，壳体内沿轴向贯穿形成有呈柱状的俘能元胞腔；

端板，其有两个，分别盖合在俘能元胞腔的顶面和底面上；

俘能元胞，其置于俘能元胞腔中；

所述俘能元胞自上而下包括有弹簧、堆叠俘能柱、弹簧、质量球、弹簧、堆叠俘能柱和弹簧依次连接；

所述质量球表面套接有弯曲俘能板，弯曲俘能板外侧壁与俘能元胞腔内侧壁固定连接。

根据本发明实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，可选地，所述俘能元胞中弯曲俘能板有两个，分别套接在质量球的上半表面和下半表面上。

根据本发明实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，可选地，所述堆叠俘能柱包括：

电极一，其为柔性电极；

压电层一，其由压电材料构成；

电极一与压电层一沿俘能元胞腔轴向交替周期性排布，相邻的电极一与压电层一通过环氧树脂紧密贴合。

根据本发明实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，可选地，所述质量球沿俘能元胞腔轴向的上下端均削平处理，弹簧通过削平面与质量球连接。

根据本发明实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，可选地，所述弯曲俘能板由电极二、压电片二和电极三构成，电极二一端面与质量球一削平面平齐，压电片二置于电极二和电极三之间，电极三靠近质量球中部设置。

根据本发明实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，可选地，

所述电极一、电极二和电极三材料为铬锆铜；

所述压电层一的压电材料为锆钛酸铅；

所述压电层二的压电材料为聚偏氟乙烯；

所述质量球的材料为铅。

根据本发明实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，可选地，所述壳体内形成有多个俘能元胞腔。

根据本发明实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，可选地，俘能元胞腔中沿轴向布置有多个俘能元胞。

有益效果

相比于现有技术，本发明至少具备如下有益效果：

（1）本发明的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，装置外尺寸与浮置板的支承结构外界尺寸相同，能在有限的轨道交通隧道空间中实现压电俘能，通过本装置的结构布置，能充分利用振动能量进行d31和d33模式多级的俘能，极大的提高了压电俘能效率，且本装置提高俘能效率的手段并不额外占用支承结构周向空间，也无需额外增加轴向空间，因此在有限的安装空间中可以更充分的布置本实施例装置进而进一步提高多振动能量的利用；

（2）本发明的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，俘能元胞的质量球表面布置有两个弯曲俘能板，能增加二级俘能时能量俘获的总量值，提高俘能效率；

（3）本发明的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，俘能元胞中各结构件的材料选用，能有效提高压电俘能效果，且各材料的选用更适合于对应的压电俘能环境，使得装置有效寿命更长；

（4）本发明的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，壳体内形成有多个俘能元胞腔，充分利用了壳体内部空间，提高对振动能量的利用率；

（5）本发明的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，俘能元胞腔中沿轴向布置有多个俘能元胞，强化多级俘能的效果，有利于增加能量俘获的总量值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1示出了本发明的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置结构示意图；

图2示出了壳体及俘能元胞腔结构示意图；

图3示出了实施例5的俘能元胞布置示意图；

图4示出了本发明的俘能元胞结构示意图；

图5示出了弯曲俘能板未显示的俘能元胞结构示意图；

图6示出了堆叠俘能柱结构示意图；

图7示出了下弯曲俘能板结构示意图；

图8示出了实施例6的俘能元胞布置示意图；

图9示出了顶部端板未显示的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置结构示意图；

附图标记：

1、壳体；10、俘能元胞腔；

2、端板；

3、俘能元胞；30、弹簧；31、堆叠俘能柱；310、电极一；311、压电片一；32、质量球；33、弯曲俘能板；330、电极二；331、压电片二；332、电极三。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一”、“二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

实施例1

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，包括：

壳体1，其为柱状结构，壳体1内沿轴向贯穿形成有呈柱状的俘能元胞腔10；

端板2，其有两个，分别盖合在俘能元胞腔10的顶面和底面上；

俘能元胞3，其置于俘能元胞腔1中；

所述俘能元胞3自上而下包括有弹簧30、堆叠俘能柱31、弹簧30、质量球32、弹簧30、堆叠俘能柱31和弹簧30依次连接；

所述质量球32表面套接有弯曲俘能板33，弯曲俘能板33外侧壁与俘能元胞腔10内侧壁固定连接。

本实施例中，壳体1为圆柱状，其几何边界尺寸与现有点支承浮置板轨道的支承结构边界尺寸一致，具有一定的竖向刚度且有绝缘特性，沿着壳体1轴向贯穿开设有圆柱状通孔作为俘能元胞腔10，用于安置俘能元胞3，如图2所示，在壳体1两端部凹陷形成有圆柱状的安装槽用于配合安置端板2，端板2安置在安装槽中后，端板2的一端面与壳体1的端面平齐，另一端面与俘能元胞腔10的端部接触，顶部端板2起到将上方振动传递给下方构件的作用，端板2具有一定的竖向刚度，如图1所示。

置于俘能元胞腔10中的俘能元胞3结构见图5，沿着俘能元胞腔10轴向自上而下由如下构件依次相连构成“弹簧30—堆叠俘能柱31—弹簧30—质量球32—弹簧30—堆叠俘能柱31—弹簧30”的结构，且在质量球32的表面套接有弯曲俘能板33，其中位于最顶部的弹簧30顶部与壳体1顶部的端板2接触，位于最底部的弹簧30底部与壳体1底部的端板2接触，弯曲俘能板33的内侧壁与质量球32表面连接，弯曲俘能板33的外侧壁与俘能元胞腔10的内侧壁固定连接。

本实施例中所述的弹簧30是一种可轴向伸缩的连接件，连接相邻的结构件，在未受力时处于平衡状态；本实施例中所述的堆叠俘能柱31为堆叠型压电俘能器；本实施例中所述的弯曲俘能板33为悬臂梁式压电俘能器。

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，置于浮置板的支承结构处，当列车经过浮置板上部时，振动能量通过浮置板支承结构，经过顶部的端板2向下方的弹簧30传递，弹簧30受力而产生向下的轴向力，进而使堆叠俘能柱31受力，堆叠俘能柱31内部的压电材料依据d33振动模式而产生电能，此为一级俘能；当振动能量进一步通过弹簧30向下传递至质量球32时，会引起质量球32振动，因而与质量球32表面相连的弯曲俘能板33会随之振动，由于弯曲俘能板33的外侧壁与俘能元胞腔10内侧壁固定连接，因此弯曲俘能板33的内侧壁和外侧壁会因振动而产生变形差异，导致其内部的压电材料会依据d31振动模式而产生电能，此为二级俘能。

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，装置外尺寸与浮置板的支承结构外界尺寸相同，能在有限的轨道交通隧道空间中实现压电俘能，进一步地，通过本装置的结构布置，能充分利用振动能量进行d31和d33模式多级的俘能，极大的提高了压电俘能效率，且本装置提高俘能效率的手段并不额外占用支承结构周向空间，也无需额外增加轴向空间，因此在有限的安装空间中可以更充分的布置本实施例装置进而进一步提高多振动能量的利用。

实施例2

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，在实施例1的基础上做进一步改进，所述俘能元胞3中弯曲俘能板33有两个，分别套接在质量球32的上半表面和下半表面上。

如图4所示，本实施例充分利用质量球32处的俘能元胞腔10空间，在此处布置两个弯曲俘能板33，两弯曲俘能板33互不影响，在质量球32受到传递的振动能量振动时，两处弯曲俘能板33均在振动影响下一句d31震动模式产生电能，增加二级俘能时能量俘获的总量值，提高俘能效率。

实施例3

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，在实施例2的基础上做进一步改进，所述堆叠俘能柱31包括：

电极一310，其为柔性电极；

压电层一311，其由压电材料构成；

电极一310与压电层一311沿俘能元胞腔10轴向交替周期性排布，相邻的电极一310与压电层一311通过环氧树脂紧密贴合。

本实施例的堆叠俘能柱31具体结构如图6所示，沿轴向自上而下依次为电极一310—压电层一311—电极一310—压电层一311—电极一310。

所述质量球32沿俘能元胞腔10轴向的上下端均削平处理，弹簧30通过削平面与质量球32连接。

质量球32为实心球体，且在本实施例中质量球32沿轴向上下端均削平，方便弹簧30与质量球32的连接，从而能充分有效的将振动能量传递至质量球32处，如图5所示。

所述弯曲俘能板33由电极二330、压电片二331和电极三332构成，电极二330一端面与质量球32一削平面平齐，压电片二322置于电极二330和电极三332之间，电极三332靠近质量球32中部设置。

本实施例的电极二330和电极三332也均为柔性电极，在电极二330、压电片二331和电极三332的中部均开设有通孔，通孔形状与对应构件安装处的质量球32表面形状相匹配，如图7所示，两处弯曲俘能板33对称式连接在质量球32的上半部和下半部。

实施例4

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，在实施例3的基础上做进一步改进，所述电极一310、电极二320和电极三322材料为铬锆铜；

所述压电层一311的压电材料为锆钛酸铅；

所述压电层二321的压电材料为聚偏氟乙烯；

所述质量球32的材料为铅。

本实施例中压电层一311的压电材料选取锆钛酸铅，其具有较高的能量密度、机电耦合系数、能量转换效率，更适用于堆叠俘能柱31处d33模式的压电俘能；压电层二321的压电材料选取聚偏氟乙烯，其具有更好的韧性、更高的机械强度、更长的使用寿命，更适用于弯曲俘能板33处d31模式的压电俘能；本实施例的质量球32选取铅材质，在有限的体积下能具有更大的质量，能在振动下使弯曲俘能板33产生更大形变，从而提高二级压电俘能效果。

通过本实施例的俘能元胞3中各结构件的材料选用，能有效提高压电俘能效果，且各材料的选用更适合于对应的压电俘能环境，使得本实施例的装置有效寿命更长。

实施例5

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，在实施例4的基础上做进一步改进，所述壳体1内形成有多个俘能元胞腔10。

如图2所示，本实施例壳体1内部沿壳体1轴向方向形成有三个俘能元胞腔10，每个俘能元胞腔10中设有一个俘能元胞3，如图3所示，从壳体1俯视角看，三个俘能元胞腔10呈等边三角形均布在壳体1中，充分利用了壳体1内部空间，提高对振动能量的利用率。

实施例6

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，在实施例5的基础上做进一步改进，俘能元胞腔10中沿轴向布置有多个俘能元胞3。

每个俘能元胞3中包括两个一级俘能结构和两个二级俘能结构，本实施例在每个俘能元胞腔10中沿轴向布置有多个俘能元胞，如图8和图9所示，强化多级俘能的效果，有利于增加能量俘获的总量值。

实施例7

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，在实施例6的基础上做进一步改进，

质量球32材质为铅，其弹性模量e=1.7×10¹⁰pa，密度ρ=11300kg/m³，泊松比ν=0.42。

电极一310、电极二320和电极三322材料为铬锆铜，具有良好的导电性和导热性，高的硬度、耐磨、抗爆、抗裂性以及软化温度，使用时损耗少，焊接总成本低，其电导率≥74%iacs，密度:8.83g/cm³，硬度75~88hrb；软化温度≥550℃，抗拉强度540~640mpa。

压电层一311的压电材料为锆钛酸铅，其密度=7.5×103kg/m³，相对介电常数ε/ε0=1200，d33常数=600×(10^-12)c/n。

所述压电层二321的压电材料为聚偏氟乙烯，其密度=1.78×103kg/m³，相对介电常数ε/ε0=12，d31常数=23×(10^-12)c/n。

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，壳体1外径为300mm，高度为270mm，壳体1中有三个俘能元胞腔10，每个俘能元胞腔10中沿轴向布置有三个俘能元胞3。

本实施例的点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置在给定相同外荷载的稳态下产生的功率密度要比单一d33俘能模式的俘能器高37%，具有优秀的俘能特性。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。