本發(fā)明屬于智能結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電式振動能量回收裝置及集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著全球能源危機及環(huán)境惡化，關(guān)于能量回收的很多技術(shù)得到開發(fā)，例如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芤约俺毕艿?。由于振動幾乎無處不在，例如，地板。建筑墻體、機器、泵、汽車底盤、鐵路車輛以及人體運動均產(chǎn)生振動。因此，振動能量回收技術(shù)得到越來越多的關(guān)注。

美國專利(US20150090545A1)公開了一種電磁式振動能量回收裝置，利用直線電機的電磁效應(yīng)將振動能量轉(zhuǎn)換為電能，還公開了一種利用齒輪齒條機構(gòu)將直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動、進而驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電的振動能量回收減振器。

美國專利(US20140297113)公開了一種用于卡車駕駛室的電液式振動能量回收減振器，利用液壓油路將振動能量轉(zhuǎn)換為液壓能，進而推動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，最終液壓馬達帶動發(fā)電機進行發(fā)電。上述兩種方案的能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)均結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。此外，由于振動源輸出的振動動作往往是往復(fù)的直線運動，所以發(fā)電機發(fā)出的電能將頻繁地切換方向，對能量存儲造成難度。

中國專利(CN201884536U)公開了一種壓電式能量回收減振器，主要是在傳統(tǒng)液壓筒式減振器基礎(chǔ)上開發(fā)而來，在兩端密封處安裝壓電材料，將減振油液對密封機構(gòu)的壓力傳遞給壓電材料，使其在壓電效應(yīng)作用下發(fā)電，進而通過AC/DC轉(zhuǎn)換器向蓄電池充電，實現(xiàn)能量回收功能。由于該裝置中壓電材料的布置形式，導(dǎo)致其受壓縮頻率較低，發(fā)電效率受到很大的限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供一種壓電式振動能量回收裝置及集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)，該壓電式振動能量回收裝置利用傳動機構(gòu)將往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)下幅度的敲擊動作，進而通過壓電組件進行高效地發(fā)電；所述的集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)基于壓電式振動能量回收裝置，使其具有“傳感-能量回收”和“傳感-執(zhí)行”兩種工作模式。在此基礎(chǔ)上能夠開發(fā)出多種應(yīng)用于不同機電系統(tǒng)的集成功能裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種壓電式振動能量回收裝置，包括饋能模塊1、傳動機構(gòu)2以及振動傳遞機構(gòu)3，振動傳動機構(gòu)3接收外部振源傳遞來的振動，使其內(nèi)部的移動件甲31和移動件乙32產(chǎn)生相對直線振動；

所述的傳動機構(gòu)2的輸入端21與移動件甲31固連，傳動機構(gòu)2的輸出端22與饋能模塊1的轉(zhuǎn)子11固連，傳動機構(gòu)2將振動傳動機構(gòu)3的相對直線運動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運動傳遞給饋能模塊1。

所述的饋能模塊1包括轉(zhuǎn)子11、定子12，以及與定子12固連的壓電組件13，轉(zhuǎn)子11外表面均勻布置有多于兩個凸起觸點111，轉(zhuǎn)子11旋轉(zhuǎn)過程中，凸起觸點111與壓電組件13產(chǎn)生摩擦與碰撞，壓電組件13在被凸起觸點111擠壓狀態(tài)下進行發(fā)電，所發(fā)電能通過電纜傳遞至后續(xù)電路進行能量回收；定子12與振動傳遞機構(gòu)3的移動件乙32固連。

所述的傳動機構(gòu)2為齒輪齒條機構(gòu)，其輸入端21為齒條211，輸出端22為齒輪221，饋能模塊1的轉(zhuǎn)子11與齒輪221同軸連接。

所述的傳動機構(gòu)2為滾珠絲杠機構(gòu)，其輸入端21為螺母212，輸出端22為絲杠222，螺母212與絲杠222之間內(nèi)嵌有多個滾珠，饋能模塊1的轉(zhuǎn)子11與絲杠222同軸連接。

一種基于上述壓電式振動能量回收裝置的集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括壓電式振動能量回收裝置A，與壓電式振動能量回收裝置A能量雙向連接的能量轉(zhuǎn)換單元5，與能量轉(zhuǎn)換單元5能量雙相連接的能量存儲單元4；

還包括控制單元7，控制單元7采集壓電式振動能量回收裝置A的傳感信號，并向能量轉(zhuǎn)換單元5施加控制信號。

還包括總線6，總線6和控制單元7進行雙向信號通信，總線6向控制單元7發(fā)送上層系統(tǒng)發(fā)來的控制指令，控制單元7通過總線6向上層系統(tǒng)發(fā)送壓電式振動能量回收裝置A的工作狀態(tài)信息。

所述的能量轉(zhuǎn)換單元5具有“傳感-能量回收”和“傳感-執(zhí)行”兩種工作模式；

當(dāng)能量轉(zhuǎn)換單元5工作在“傳感-能量回收”模式時，能量轉(zhuǎn)換單元5包括能量回收驅(qū)動器51、AC/DC轉(zhuǎn)換器52和DC/DC轉(zhuǎn)換器53，其中能量回收驅(qū)動器51收集壓電式振動能量回收裝置A中饋能模塊1傳遞來的交流電，并通過AC/DC轉(zhuǎn)換器52將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，進而通過DC/DC轉(zhuǎn)換器53轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電，對能量存儲單元4進行充電；同時，能量回收驅(qū)動器51將交流電的頻率和幅值信號給傳遞給控制單元7，控制單元7根據(jù)該傳感信號判斷壓電式振動能量回收裝置A的工作狀態(tài)，進而輸出控制信號至DC/DC轉(zhuǎn)換器53，對能量存儲單元4的充電策略進行調(diào)節(jié)。

當(dāng)能量轉(zhuǎn)換單元5工作在“傳感-執(zhí)行”模式時，能量轉(zhuǎn)換單元5包括執(zhí)行驅(qū)動器54、DC/AC轉(zhuǎn)換器55和DC/DC轉(zhuǎn)換器53，其中DC/DC轉(zhuǎn)換器53將能量存儲單元4的直流電轉(zhuǎn)換為DC/AC轉(zhuǎn)換器55所需要的直流電形式，進而DC/AC轉(zhuǎn)換器55將該直流電轉(zhuǎn)換為交流電傳遞給執(zhí)行驅(qū)動器54，執(zhí)行驅(qū)動器54驅(qū)動壓電式振動能量回收裝置A中饋能模塊1，饋能模塊1中的壓電組件13進行執(zhí)行動作，改變轉(zhuǎn)子11的旋轉(zhuǎn)阻力，最終對振動源的振動進行調(diào)節(jié)；同時，執(zhí)行驅(qū)動器54將交流電的頻率和幅值信號給傳遞給控制單元7，控制單元7根據(jù)該傳感信號判斷壓電式振動能量回收裝置A的工作狀態(tài)，進而輸出控制信號至DC/DC轉(zhuǎn)換器53，對能量存儲單元4的放電策略進行調(diào)節(jié)。

一種基于上述集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)的主動控制和振動能量回收懸架系統(tǒng)，所述的壓電式振動能量回收裝置A替換傳統(tǒng)車輛懸架中的減振器；還包括人界交互接口HMI，并通過總線6向控制單元7發(fā)送控制指令，進而調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的工作模式。

所述的懸架系統(tǒng)的工作模式包括經(jīng)濟檔ECO、舒適檔COMFORT和自動擋AUTO，當(dāng)控制單元7接收到從人界交互接口HMI傳遞來的相應(yīng)工作模式指令時，控制單元7將通過不同控制策略對能量轉(zhuǎn)換單元5進行實時控制，進而對壓電式振動能量回收裝置A施加不同的驅(qū)動控制信號，達到相應(yīng)工作模式所需要的控制效果。

所述的經(jīng)濟檔ECO為能量回收效率最大化，振動控制效果次要考慮；舒適檔COMDORT為振動控制效果最大化，達到最優(yōu)的乘坐舒適性，而能量回收次要考慮；自動擋AUTO則處于兩者之間，控制單元7根據(jù)駕駛員要求選擇不同的權(quán)重比例。

本發(fā)明的有益效果在于：

通過創(chuàng)新設(shè)計提供一種壓電式振動能量回收裝置及集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)，該壓電式振動能量回收裝置利用傳動機構(gòu)將往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)下幅度的敲擊動作，進而通過壓電組件進行高效地發(fā)電；通過該型設(shè)計很容易應(yīng)用于建筑橋梁、車輛系統(tǒng)、海浪甚至人體運動的振動能量回收；

所述的集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)基于壓電式振動能量回收裝置，使其具有“傳感-能量回收”和“傳感-執(zhí)行”兩種工作模式。在此基礎(chǔ)上能夠開發(fā)出多種應(yīng)用于不同機電系統(tǒng)的集成功能裝置，不僅對振動能量進行高效回收，還可以實現(xiàn)振動主動控制功能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種壓電式振動能量回收裝置的示意圖

圖2為饋能模塊的一種實施例

圖3為本發(fā)明的一種壓電式振動能量回收裝置的一種實施例

圖4為本發(fā)明的一種壓電式振動能量回收裝置的另一種實施例

圖5示出了一種基于上述壓電式振動能量回收裝置的集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)

圖6為集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)的傳感-能量回收模式

圖7為集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)的傳感-執(zhí)行模式

圖8為本發(fā)明的振動主動控制和振動能量回收的懸架系統(tǒng)的工作流程圖

圖中：

A、壓電式振動能量回收裝置，1、饋能模塊，2、傳動機構(gòu)，3、振動傳遞機構(gòu)，

4、能量存儲單元，5、能量轉(zhuǎn)換單元，6、總線，7、控制單元；

11、轉(zhuǎn)子，12、定子，13、壓電組件，111、凸起觸點；

21、輸入端，22、輸出端，211、齒條，221、齒輪，212、螺母，222、絲杠；

31、移動件甲，32、移動件乙；

51、能量回收驅(qū)動器，52、AC/DC轉(zhuǎn)換器，53、DC/DC轉(zhuǎn)換器，

54、執(zhí)行驅(qū)動器，55、DC/AC轉(zhuǎn)換器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

圖1為本發(fā)明的一種壓電式振動能量回收裝置，主要包括饋能模塊1、傳動機構(gòu)2以及振動傳遞機構(gòu)3，其中，振動傳動機構(gòu)3接收外部振源傳遞來的振動，使其內(nèi)部的移動件甲31和移動件乙32產(chǎn)生相對直線振動；傳動機構(gòu)2的輸入端21與移動件甲31固連，輸出端22與饋能模塊1的轉(zhuǎn)子11固連，傳動機構(gòu)2將振動傳動機構(gòu)3的相對直線運動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運動傳遞給饋能模塊1。

如圖2所示，所述的饋能模塊1包括轉(zhuǎn)子11、定子12，以及與定子12固連的壓電組件13，轉(zhuǎn)子11外表面均勻布置有多于兩個凸起觸點111，轉(zhuǎn)子11旋轉(zhuǎn)過程中，凸起觸點111與壓電組件13產(chǎn)生摩擦與碰撞，壓電組件13在被凸起觸點111擠壓狀態(tài)下進行發(fā)電，所發(fā)電能通過電纜傳遞至后續(xù)電路進行能量回收；定子12與振動傳遞機構(gòu)3的移動件乙32固連。

可選地，如圖3所示，所述的傳動機構(gòu)2為齒輪齒條機構(gòu)，其輸入端21為齒條211，輸出端22為齒輪221，饋能模塊1的轉(zhuǎn)子11與齒輪221同軸連接。

可選地，如圖4所示，所述的傳動機構(gòu)2為滾珠絲杠機構(gòu)，其輸入端21為螺母212，輸出端22為絲杠222，螺母212與絲杠222之間內(nèi)嵌有多個滾珠，饋能模塊1的轉(zhuǎn)子11與絲杠222同軸連接。

圖5示出了一種基于上述壓電式振動能量回收裝置的集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括壓電式振動能量回收裝置A，與壓電式振動能量回收裝置A能量雙向連接的能量轉(zhuǎn)換單元5，與能量轉(zhuǎn)換單元5能量雙相連接的能量存儲單元4；

還包括控制單元7，控制單元7采集壓電式振動能量回收裝置A的傳感信號，并向能量轉(zhuǎn)換單元5施加控制信號；可選地，控制單元7由能量存儲單元4進行供電；

可選地，還包括總線6，總線6和控制單元7進行雙向信號通信，總線6向控制單元7發(fā)送上層系統(tǒng)發(fā)來的控制指令，控制單元7通過總線6向上層系統(tǒng)發(fā)送壓電式振動能量回收裝置A的工作狀態(tài)信息。

優(yōu)選地，能量轉(zhuǎn)換單元5具有“傳感-能量回收”和“傳感-執(zhí)行”兩種工作模式；

當(dāng)能量轉(zhuǎn)換單元5工作在“傳感-能量回收”模式時，如圖6所示，能量轉(zhuǎn)換單元5包括能量回收驅(qū)動器51、AC/DC轉(zhuǎn)換器52和DC/DC轉(zhuǎn)換器53，其中能量回收驅(qū)動器51收集壓電式振動能量回收裝置A中饋能模塊1傳遞來的交流電，并通過AC/DC轉(zhuǎn)換器52將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡M而通過DC/DC轉(zhuǎn)換器53轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電，對能量存儲單元4進行充電；同時，能量回收驅(qū)動器51將交流電的頻率和幅值信號給傳遞給控制單元7，控制單元7根據(jù)該傳感信號判斷壓電式振動能量回收裝置A的工作狀態(tài)，進而輸出控制信號至DC/DC轉(zhuǎn)換器53，對能量存儲單元4的充電策略進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)高效的能量回收。

當(dāng)能量轉(zhuǎn)換單元5工作在“傳感-執(zhí)行”模式時，如圖7所示，能量轉(zhuǎn)換單元5包括執(zhí)行驅(qū)動器54、DC/AC轉(zhuǎn)換器55和DC/DC轉(zhuǎn)換器53，其中DC/DC轉(zhuǎn)換器53將能量存儲單元4的直流電轉(zhuǎn)換為DC/AC轉(zhuǎn)換器55所需要的直流電形式，進而DC/AC轉(zhuǎn)換器55將該直流電轉(zhuǎn)換為交流電傳遞給執(zhí)行驅(qū)動器54，執(zhí)行驅(qū)動器54驅(qū)動壓電式振動能量回收裝置A中饋能模塊1，饋能模塊1中的壓電組件13進行執(zhí)行動作，改變轉(zhuǎn)子11的旋轉(zhuǎn)阻力，最終對振動源的振動進行調(diào)節(jié)；同時，執(zhí)行驅(qū)動器54將交流電的頻率和幅值信號給傳遞給控制單元7，控制單元7根據(jù)該傳感信號判斷壓電式振動能量回收裝置A的工作狀態(tài)，進而輸出控制信號至DC/DC轉(zhuǎn)換器53，對能量存儲單元4的放電策略進行調(diào)節(jié)。

可選地，本發(fā)明的一種壓電式振動能量回收裝置可以用于車輛底盤，進而形成懸架振動能量回收裝置，替換傳統(tǒng)車輛懸架中的減振器；進而，前述的集成傳感-執(zhí)行-能量回收系統(tǒng)成為一種能夠?qū)崿F(xiàn)振動主動控制和振動能量回收的懸架系統(tǒng)。

優(yōu)選地，前述的懸架系統(tǒng)還包括人界交互接口HMI，并通過總線6向控制單元7發(fā)送控制指令，進而調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的工作模式。

優(yōu)選地，前述的懸架系統(tǒng)的工作模式包括經(jīng)濟檔ECO、舒適檔COMFORT和自動擋AUTO，當(dāng)控制單元7接收到從人界交互接口HMI傳遞來的相應(yīng)工作模式指令時，控制單元7將通過不同控制策略對能量轉(zhuǎn)換單元5進行實時控制，進而對壓電式振動能量回收裝置A施加不同的驅(qū)動控制信號，達到相應(yīng)工作模式所需要的控制效果。

如圖8所示，所述的經(jīng)濟檔ECO為能量回收效率最大化，振動控制效果次要考慮；舒適檔COMDORT為振動控制效果最大化，達到最優(yōu)的乘坐舒適性，而能量回收次要考慮；自動擋AUTO則處于兩者之間，可以根據(jù)駕駛員要求選擇不同的權(quán)重比例。

上述實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。