可調(diào)振動(dòng)能量采集裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種能量采集裝置（12）。所述能量采集裝置（12）包括：能量轉(zhuǎn)換裝置（24），所述能量轉(zhuǎn)換裝置配置用于將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能；連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置（24）的塊（30）；以及連接到所述塊（30）的至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)（32）。所述偏置機(jī)構(gòu)（32）可以選擇性地調(diào)整，并且選擇性地調(diào)整所述偏置機(jī)構(gòu)（32）將調(diào)整所述能量轉(zhuǎn)換裝置（24）和塊（30）的共振頻率。
【專利說(shuō)明】可調(diào)振動(dòng)能量采集裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的領(lǐng)域總體上涉及能量采集，確切地說(shuō)，涉及一種可調(diào)振動(dòng)能量采集裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]能量采集是用于回收系統(tǒng)中消散或損失的能量的過(guò)程。例如，已知的能量采集方法可用于獲取光、熱、風(fēng)、振動(dòng)、波浪作用、水流等中的能量。在許多已知的系統(tǒng)中，所采集的能量可與電池電力一起用于向電子裝置供電。
[0003]工業(yè)環(huán)境中通常使用傳感器組件來(lái)監(jiān)測(cè)相關(guān)機(jī)械及其運(yùn)作的狀態(tài)。已知的傳感器組件通常由電池供電。但是，定期更換電池的人力成本可能限制這些傳感器組件的商業(yè)可行性，尤其是在傳感器處于偏遠(yuǎn)或難以接近位置時(shí)。由于電池的壽命有限，回收電池的能力有限，并且頻繁更換電池的成本高昂，因此需要對(duì)傳感器供電做出改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種能量采集裝置。所述能量采集裝置包括:能量轉(zhuǎn)換裝置，所述能量轉(zhuǎn)換裝置配置用于將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能；連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置的塊；以及連接到所述塊的至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)。所述偏置機(jī)構(gòu)可以選擇性地進(jìn)行調(diào)整，并且選擇性地調(diào)整所述偏置結(jié)構(gòu)可以調(diào)整所述能量轉(zhuǎn)換裝置和塊的共振頻率。
[0005]其中所述偏置機(jī)構(gòu)具有可選擇性調(diào)整的壓縮距離，其中選擇性地調(diào)整所述壓縮距離將調(diào)整所述共振頻率。
[0006]其中所述能量轉(zhuǎn)換裝置包括以下其中一項(xiàng):壓電裝置、電磁裝置、靜電裝置和磁致伸縮裝置。
[0007]其中所述壓電裝置進(jìn)一步包括第一壓電層、第二壓電層和介于兩者之間延伸的基材。
[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)包括非線性彈簧。
[0009]在另一實(shí)施例中，所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)包括錐形彈簧。
[0010]進(jìn)一步地，其中所述錐形彈簧包括具有第一直徑的第一端和具有第二直徑的第二端，所述第二直徑大于所述第一直徑，所述第一端連接到所述塊。
[0011]所述的能量采集裝置進(jìn)一步包括致動(dòng)器，所述致動(dòng)器配置用于選擇性地調(diào)整所述偏置機(jī)構(gòu)。
[0012]所述的能量采集裝置進(jìn)一步包括外殼，其中所述致動(dòng)器連接到所述外殼，并且連接到所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)中與所述塊(30)相對(duì)的部分。
[0013]其中所述致動(dòng)器連接到并定位在所述塊和所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)之間。
[0014]所述的能量采集裝置進(jìn)一步包括第一平臺(tái)和第二平臺(tái)，所述第一平臺(tái)和第二平臺(tái)以可移動(dòng)方式連接到所述致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)；第一偏置機(jī)構(gòu)，所述第一偏置機(jī)構(gòu)連接在所述第一平臺(tái)與所述塊之間；以及第二偏置機(jī)構(gòu)，所述第二偏置機(jī)構(gòu)連接在所述第二平臺(tái)與所述塊之間，其中所述致動(dòng)器配置用于選擇性地調(diào)整所述第一平臺(tái)與所述第二平臺(tái)之間的距離。
[0015]所述的能量采集裝置進(jìn)一步包括感應(yīng)器，所述感應(yīng)器配置用于感應(yīng)以下項(xiàng)中的至少一個(gè):所述致動(dòng)器的位置、所述偏置機(jī)構(gòu)的壓縮距離、所述致動(dòng)器的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、以及所述能量采集裝置配置用于連接的對(duì)象的驅(qū)動(dòng)頻率。
[0016]所述的能量采集裝置進(jìn)一步包括控制器，所述控制器包括存儲(chǔ)器，所述控制器設(shè)置成基于存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器的共振頻率的查找表控制所述致動(dòng)器。
[0017]在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括傳感器和能量采集裝置。所述能量采集裝置包括能量轉(zhuǎn)換裝置、連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置的塊、至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)、以及致動(dòng)器。所述致動(dòng)器配置用于選擇性地調(diào)整所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)，以選擇性地調(diào)整所述能量轉(zhuǎn)換裝置和塊的共振頻率。所述傳感器由所述能量采集裝置所產(chǎn)生的電能供電。
[0018]其中所述致動(dòng)器配置用于選擇性調(diào)整所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)的壓縮距離以選擇性調(diào)整共振頻率。
[0019]其中所述能量轉(zhuǎn)換裝置包括以下項(xiàng)中的其中一個(gè):壓電裝置、電磁裝置、靜電裝置以及磁致伸縮裝置。
[0020]其中所述致動(dòng)器配置用于調(diào)整所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)以機(jī)械地調(diào)諧共振頻率，進(jìn)而大致上匹配振動(dòng)頻率以最大化所述能量采集裝置產(chǎn)生的所述電能。
[0021 ] 其中所述感應(yīng)器連接到產(chǎn)生振動(dòng)的裝置，且所述感應(yīng)器配置用于提供關(guān)于所述產(chǎn)生振動(dòng)裝置的信息給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
[0022]其中所述感應(yīng)器配置用于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、渦輪機(jī)和工業(yè)過(guò)程中至少其中一個(gè)的健康狀況。
[0023]提供一種從在驅(qū)動(dòng)頻率產(chǎn)生振動(dòng)的裝置中采集能量的方法。所述方法包括提供能量采集裝置，所述能量采集裝置包括配置用于將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置、連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置的塊以及連接到所述塊的至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)，所述偏置機(jī)構(gòu)可以選擇性地進(jìn)行調(diào)整，以調(diào)整所述能量轉(zhuǎn)換裝置和塊的共振頻率。所述方法進(jìn)一步包括將所述能量采集裝置連接到所述振動(dòng)發(fā)生裝置并且調(diào)整所述偏置機(jī)構(gòu)，使得所述共振頻率與所述產(chǎn)生振動(dòng)的裝置的驅(qū)動(dòng)頻率大體一致。
[0024]其中所述調(diào)整所述偏置機(jī)構(gòu)包括調(diào)整所述偏置機(jī)構(gòu)的壓縮距離。
[0025]其中所述能量采集裝置進(jìn)一步包括具有存儲(chǔ)器的控制器，其中所述調(diào)整所述偏置機(jī)構(gòu)的壓縮距離包括基于存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器內(nèi)的查找表來(lái)調(diào)整所述偏置機(jī)構(gòu)的壓縮距離。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是示例性電力系統(tǒng)的方框圖；
[0027]圖2是可用于圖1所示電力系統(tǒng)的示例性能量采集裝置的示意圖；
[0028]圖3是沿線3-3截取的圖2所示能量采集裝置的截面圖；
[0029]圖4是可用于圖1所示電力系統(tǒng)的替代能量采集裝置的截面圖；以及
[0030]圖5是可用于圖1所示電力系統(tǒng)的替代能量采集裝置的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]圖1是示例性電力系統(tǒng)10的方框圖，所述示例性電力系統(tǒng)通常包括可用于向負(fù)載14供電的能量采集裝置12。能量采集裝置12是將各種類型的機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。例如，能量采集裝置12可以使用電機(jī)、泵、渦輪機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生的振動(dòng)，具體取決于具體應(yīng)用。
[0032]在示例性實(shí)施例中，整流器16將能量采集裝置12所產(chǎn)生的變電流或交流電(AC)轉(zhuǎn)換成直流電(DC)信號(hào)。作為非限制性實(shí)例，通常可以使用半波、全波或倍壓整流器以及倍壓電路。整流器16釋放出的整流電力輸出用于向負(fù)載14供電。或者，如果能量采集裝置12產(chǎn)生的電力不足以滿足負(fù)載14的供電需求，則可以使用任意儲(chǔ)能裝置18向負(fù)載14輔助供電。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，儲(chǔ)能裝置18是鋰離子電池和/或超級(jí)電容器。
[0033]圖2是采用示例性電機(jī)20的示例性電力系統(tǒng)10的示意圖，所述示例性電機(jī)包括以可旋轉(zhuǎn)方式受軸承箱22支撐的軸21。軸21連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)23，并且通過(guò)旋轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)23供電。電機(jī)20的軸承箱22通常在運(yùn)作期間發(fā)生一定程度的振動(dòng)。電力系統(tǒng)10安置在大體呈圓柱形的外殼26中，所述外殼通過(guò)諸如機(jī)械緊固件和/或粘合劑等任何已知裝置附接到軸承箱22?；蛘?，外殼26可以具有使系統(tǒng)10擁有本說(shuō)明書所述功能的任何形狀或者由任何合適材料制成。
[0034]圖3是沿線3-3截取的能量采集裝置12的截面圖。具體來(lái)說(shuō)，在示例性實(shí)施例中，能量采集裝置12包括外殼26、能量轉(zhuǎn)換裝置24、質(zhì)量塊30以及至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)32。在示例性實(shí)施例中，能量轉(zhuǎn)換裝置24是壓電裝置28。在替代實(shí)施例中，能量轉(zhuǎn)換裝置24是使能量采集裝置12擁有本說(shuō)明書所述功能的電磁裝置、靜電裝置、磁致伸縮裝置或其他任何
>j-U ρ?α裝直。
[0035]在示例性實(shí)施例中，壓電裝置28是懸臂梁29，所述懸臂梁包括第一端34、第二端36、第一壓電層38、第二壓電層40和基材42。壓電裝置28在已知壓電材料38和40受到拉伸和壓縮時(shí)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。壓電裝置28可以由諸如鋯鈦酸鉛(PZT)等任何合適的材料制成。此外，壓電裝置可以包括使壓電裝置28擁有本說(shuō)明所述功能的任意數(shù)量的壓電層38和40。此外，在替代實(shí)施例中，壓電裝置28可以包括或者不包括基材的單個(gè)壓電層。
[0036]在示例性實(shí)施例中，壓電裝置28從連接到外殼26的基座44延伸。梁29的第一端34連接到基座44，并且第二端36連接到塊30?；蛘撸?9的第一端34可以連接到外殼26，或者直接連接到諸如電機(jī)20等振動(dòng)發(fā)生裝置。基材42強(qiáng)化第一壓電層38和第二壓電層40并且增強(qiáng)其上的拉伸和壓縮，以增加發(fā)電量。在替代實(shí)施例中，第一端34和第二端36各自連接到基座44和/或外殼26，塊30置于端部34與36之間。
[0037]壓電裝置28和塊30具有與其相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)的振蕩偏轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的共振頻率。在示例性實(shí)施例中，對(duì)壓電裝置28和塊30的共振頻率進(jìn)行機(jī)械調(diào)諧(即，調(diào)整)以與電機(jī)20的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)頻率大體一致，所述驅(qū)動(dòng)振動(dòng)頻率是電機(jī)20在運(yùn)作期間產(chǎn)生的振動(dòng)頻率。使共振頻率與驅(qū)動(dòng)頻率一致有助于最大化裝置28和塊30的振蕩偏轉(zhuǎn)，從而增加電力輸出。
[0038]可以調(diào)整或修改壓電裝置28的設(shè)計(jì)，以適合作為能量采集源的具體應(yīng)用或裝置。例如，可以更改裝置28的設(shè)計(jì)以優(yōu)化諸如共振頻率調(diào)諧范圍、電力輸出、大小、重量和最小基礎(chǔ)加速度等裝置特性。例如，不定地選擇壓電裝置28的長(zhǎng)度、寬度、厚度、硬度和/或質(zhì)量分布，以對(duì)裝置28進(jìn)行機(jī)械調(diào)諧，從而幫助優(yōu)化電力輸出。類似地，還可以不定地選擇塊30的形狀、重量、密度和大小，以及塊30的位置，從而優(yōu)化電力輸出。在示例性實(shí)施例中，壓電裝置28具有介于約I至3英寸之間的長(zhǎng)度L。具體來(lái)說(shuō)，裝置28具有約2英寸的長(zhǎng)度L0
[0039]在示例性實(shí)施例中，塊30包括具有第一側(cè)52和第二側(cè)54的主體50。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，塊30具有介于約Ig至1200g之間的重量。但是，塊30的設(shè)計(jì)質(zhì)量取決于壓電裝置28所需產(chǎn)生的電量。因此，可以不定地選擇塊30的重量。壓電裝置28產(chǎn)生的電通常隨著塊30重量的增加而增加，反之亦然。在示例性實(shí)施例中，塊30由使塊30的物理大小相對(duì)較小的密致材料制成。在示例性實(shí)施例中，塊30通常為立方體，每一側(cè)的長(zhǎng)度介于約40mm與IOOmm之間?；蛘?，塊30可以具有使采集裝置12擁有本說(shuō)明書所述功能的其他任何形狀。此外，可以通過(guò)用采集裝置12在塊30內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)部件提供塊30的重量來(lái)使得采集裝置12的設(shè)計(jì)更為緊湊。例如，致動(dòng)器46、致動(dòng)器46的齒輪箱和/或電機(jī)(未圖示)、電子器件90和/或儲(chǔ)能裝置18可以并入塊30中。
[0040]通過(guò)調(diào)整偏置機(jī)構(gòu)32和/或致動(dòng)器46來(lái)壓電裝置28和塊30的共振頻率。在示例性實(shí)施例中，偏置機(jī)構(gòu)32是諸如預(yù)裝錐形彈簧60等非線性彈簧?；蛘?，偏置機(jī)構(gòu)32可以是彈簧常數(shù)在裝置受壓縮時(shí)改變的其他任何裝置，例如，擁有此類特性的機(jī)械、磁性和/或電子裝置。在替代實(shí)施例中，偏置機(jī)構(gòu)32是彈簧常數(shù)在受壓縮時(shí)增大的錐形金屬絲彈簧。
[0041]在不例性實(shí)施例中，彈簧60各自包括具有第一直徑64的第一端62和具有大于第一直徑64的第二直徑68的第二端66。彈簧第一端62分別各自連接到塊30的第一側(cè)52和第二側(cè)54，使得塊30位于彈簧60之間。
[0042]在示例性實(shí)施例中，致動(dòng)器46包括第一表面70、第二表面72和驅(qū)動(dòng)裝置(未圖示)。所述驅(qū)動(dòng)裝置可以包括電機(jī)和齒輪箱(未圖示)，并且連接到基座44、并入塊30中，或者位于使驅(qū)動(dòng)裝置能夠如本說(shuō)明書所述驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器46的任何位置。第一表面70連接到彈簧第二端66，并且第二表面72連接到外殼26?；蛘?，彈簧60可以翻轉(zhuǎn)成使得第一端62連接到第一致動(dòng)器表面70且第二端66連接到塊30。所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器46，以使表面70和/或72與外殼分離。因此，致動(dòng)器46實(shí)現(xiàn)選擇性地調(diào)整第一表面70與第二表面72之間的距離D，從而選擇性地調(diào)整彈簧60的壓縮距離74。在替代實(shí)施例中，致動(dòng)器46可以具有使致動(dòng)器46能夠如本說(shuō)明書所述選擇性地調(diào)整壓縮距離74的任何構(gòu)造。
[0043]在示例性實(shí)施例中，能量采集裝置12還包括控制器88，所述控制器包括諸如傳感器92等電子器件90、處理器(未圖示)和存儲(chǔ)器94。電子器件90接收并分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并且控制采集裝置12的運(yùn)作，例如致動(dòng)器46的運(yùn)動(dòng)以及壓電裝置28和塊30的共振頻率調(diào)諧。在示例性實(shí)施例中，電子器件90并入塊30中(圖3)并且實(shí)現(xiàn)對(duì)致動(dòng)器46的驅(qū)動(dòng)?；蛘?，電子器件90連接到基座44、外殼26以及/或者位于能量采集裝置12內(nèi)的其他任何合適位置。
[0044]在示例性實(shí)施例中，傳感器92收集數(shù)據(jù)以使電子器件90能夠?qū)⒀b置28和塊30的共振頻率調(diào)諧成電機(jī)20的驅(qū)動(dòng)頻率。位于基座44或外殼26上的傳感器92測(cè)量電機(jī)20的驅(qū)動(dòng)頻率，位于塊30內(nèi)或附近的傳感器92確定致動(dòng)器46之間的距離D、壓縮距離74和/或致動(dòng)器46的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在替代實(shí)施例中，傳感器92位于使傳感器92擁有本說(shuō)明書所述功能的任何位置。此外，傳感器92可以測(cè)量壓電裝置28的輸出電壓、電流和/或功率。
[0045]在示例性實(shí)施例中，傳感器92將指示傳感器測(cè)量值的信號(hào)傳輸?shù)诫娮悠骷?0。替代地或附加地，負(fù)載14可以包括傳感器(未圖示)，所述傳感器向電子器件90提供指示電機(jī)20的驅(qū)動(dòng)頻率或者關(guān)于電機(jī)20或負(fù)載14的其他數(shù)據(jù)的信號(hào)。傳感器92測(cè)量的數(shù)據(jù)可用于選擇性地調(diào)整致動(dòng)器46，以及/或者可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器94中。例如，如果所測(cè)量的數(shù)據(jù)表明采集裝置12的共振頻率與電機(jī)20的驅(qū)動(dòng)頻率不一致，則將其調(diào)整成與驅(qū)動(dòng)頻率大體一致。存儲(chǔ)器94存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)頻率、共振頻率以及實(shí)現(xiàn)對(duì)能量采集裝置12的調(diào)諧的其他任何數(shù)據(jù)的預(yù)校準(zhǔn)查詢表。因此，如果采集裝置12失調(diào)，則使用測(cè)量數(shù)據(jù)和查詢表來(lái)對(duì)能量采集裝置12進(jìn)行調(diào)諧。替代地或附加地，存儲(chǔ)器94可以存儲(chǔ)特定測(cè)量值與裝置28的共振頻率之間的線性或多項(xiàng)式關(guān)系。
[0046]圖4示出了與能量采集裝置12 (參見圖3)類似的示例性能量采集裝置100，圖4與圖3中相同的參考數(shù)字用于表示相同的部件。能量采集裝置100類似于能量采集裝置12，但是裝置100包括致動(dòng)器46的替代布置。在示例性實(shí)施例中，致動(dòng)器46位于塊30與每個(gè)偏置機(jī)構(gòu)32之間。具體來(lái)說(shuō)，第一致動(dòng)器表面70分別連接到塊30的第一側(cè)52和第二側(cè)54，而第二致動(dòng)器表面72分別連接到彈簧第一端62。彈簧第二端66連接到外殼26。或者，彈簧60可以偏轉(zhuǎn)成使得第一端62連接到外殼26，并且第二端66連接到第二致動(dòng)器表面72。選擇性地驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器46以選擇性地調(diào)整表面70和/或72之間的距離D，從而選擇性地調(diào)整壓縮距離74。
[0047]圖5示出了與能量采集裝置12和100(分別參見圖3和4)類似的示例性替代能量采集裝置200，圖5與圖3和4中相同的參考數(shù)字用于表示相同的部件。能量采集裝置200類似于能量采集裝置12 (參見圖3)，但裝置200包括塊30和致動(dòng)器46的替代布置。具體來(lái)說(shuō)，塊30包括相對(duì)的第一部分232和第二部分234,這兩部分位于相對(duì)的第三部分236與第四部分238之間。第一部分232和第二部分234連接到梁第二端36。第三部分236和第四部分238分別連接到第一部分232和第二部分234，各自延伸出相應(yīng)的臂240和242。
[0048]在替代示例性實(shí)施例中，致動(dòng)器46連接到基座44中鄰近第一部分232和第二部分234的部分。一對(duì)平臺(tái)244和246分別連接到上致動(dòng)器表面250和下致動(dòng)器表面252。平臺(tái)244和246通過(guò)致動(dòng)器46的電機(jī)254和齒輪箱(未圖示)分別朝向并遠(yuǎn)離表面250和252運(yùn)動(dòng)。一對(duì)導(dǎo)軌258 (圖5中出于清楚性的考慮略去了其中一個(gè))位于致動(dòng)器46的一側(cè)上，用于支撐并引導(dǎo)平臺(tái)244和246。彈簧60連接在臂240與平臺(tái)244之間，并且另一彈簧60連接在臂242與平臺(tái)246之間。致動(dòng)器46選擇性地調(diào)整平臺(tái)244與246之間的距離D，從而選擇性地調(diào)整彈簧壓縮距離74。因此，壓電裝置28和塊30的共振頻率得到選擇性的調(diào)整。裝置28產(chǎn)生的最終電能通過(guò)連接器256提供給整流器16。
[0049]在運(yùn)作期間，系統(tǒng)10連接到振動(dòng)發(fā)生裝置，例如電機(jī)20。電機(jī)20產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)能量采集裝置12、100或200轉(zhuǎn)換成電能。在示例性實(shí)施例中，負(fù)載14是由能量采集裝置12供電的無(wú)線傳感器。例如，無(wú)線傳感器14可以是機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量重要機(jī)械的諸如振動(dòng)、溫度和壓力等關(guān)鍵指標(biāo)，并且隨時(shí)間的推移跟蹤所述信息以尋找異常情況。在示例性實(shí)施例中，無(wú)線傳感器14是基于所捕獲的振動(dòng)數(shù)據(jù)而評(píng)估電機(jī)20的健康、對(duì)準(zhǔn)和/或平衡的加速計(jì)。例如，電機(jī)20產(chǎn)生的振動(dòng)隨著電機(jī)20的老化而變。例如，無(wú)線傳感器14可以檢測(cè)這些變化并將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程位置進(jìn)行存儲(chǔ)或進(jìn)一步處理，以評(píng)估電機(jī)20的狀態(tài)以及是否需要維修。
[0050]如上所述，能量采集裝置12、100和200將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。在運(yùn)作期間，基座44受到使塊30運(yùn)動(dòng)并使壓電梁28偏轉(zhuǎn)的振動(dòng)能。第一壓電層38和第二壓電層40的偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生交流電壓。所述交流電壓被傳輸?shù)秸髌?6，其中交流電壓被轉(zhuǎn)換成直流電壓并且提供給無(wú)線傳感器14，從而為傳感器的運(yùn)作供電。
[0051]在運(yùn)作期間，通過(guò)使采集裝置共振頻率與振動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)頻率大體一致(或調(diào)諧)來(lái)優(yōu)化能量采集裝置12的電力輸出。由于許多現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程通常是變速的，因此不定地選擇能量采集裝置12的共振頻率以與變化的振動(dòng)源的頻率大體一致。當(dāng)采集裝置12的共振頻率與電機(jī)20的源頻率大體一致時(shí)，發(fā)電的效率更高。
[0052]在示例性實(shí)施例中，能量采集裝置12的共振頻率取決于系統(tǒng)的總彈簧常數(shù)，該值等于壓電梁28與彈簧60的彈簧常數(shù)總和。盡管梁28的彈簧常數(shù)因設(shè)計(jì)原因而相對(duì)恒定，但彈簧60的彈簧常數(shù)隨著壓縮距離74的增大而增大。因此，能量采集裝置12的共振頻率通過(guò)調(diào)整每個(gè)彈簧60的壓縮距離74來(lái)進(jìn)行調(diào)整。促進(jìn)對(duì)能量采集裝置12的調(diào)諧的方法是，選擇性地增大或縮小致動(dòng)器表面70與72或者平臺(tái)244與246之間的距離D，以便選擇性地改變偏置機(jī)構(gòu)32的壓縮距離74。
[0053]在運(yùn)作期間，如果采集裝置12失調(diào)，則電子器件90通過(guò)根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器94中的頻率查詢表驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器46來(lái)自動(dòng)調(diào)整壓縮距離74。調(diào)整壓縮距離74的根據(jù)是存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器94中的頻率查詢表。具體來(lái)說(shuō)，查詢表包括可用于確定致動(dòng)器表面70和/或72或者平臺(tái)244和246的所需位置，以及/或者所需的壓縮距離74的數(shù)據(jù)。基于所測(cè)量的驅(qū)動(dòng)頻率，電子器件90在查詢表中確定與驅(qū)動(dòng)頻率一致所需的所需壓縮距離74，并且對(duì)致動(dòng)器46做出相應(yīng)調(diào)整。此外，查詢表可以存儲(chǔ)可用于調(diào)諧采集裝置12的其他任何數(shù)據(jù)，例如，但不限于，溫度和濕度調(diào)整、壓電材料的老化和/或致動(dòng)器46的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。此外，查詢表可以自動(dòng)更新以提高系統(tǒng)效率。
[0054]傳感器92測(cè)量振動(dòng)源20的驅(qū)動(dòng)頻率，并且電子器件90基于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器94中的查詢表而確定與所測(cè)量的驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的壓縮距離74。壓縮距離74的范圍對(duì)應(yīng)于能量采集裝置12的共振頻率范圍。因此，基于所測(cè)量的驅(qū)動(dòng)頻率，致動(dòng)器46將壓縮距離74調(diào)整成使能量采集裝置12的共振頻率與振動(dòng)源20的驅(qū)動(dòng)頻率大體一致。因此，促使采集裝置12的能量輸出最大化。因此，在示例性實(shí)施例中，電子器件90配置用于隨著振動(dòng)源20的改變而自動(dòng)調(diào)諧能量采集裝置12的共振頻率。
[0055]上述示例性能量采集裝置通過(guò)自動(dòng)調(diào)諧采集裝置的共振頻率來(lái)在寬振動(dòng)頻率范圍內(nèi)有效發(fā)電。這些調(diào)整使能量采集裝置能夠用于物理上的微小和/或遠(yuǎn)程位置中。此夕卜，由于系統(tǒng)的可動(dòng)部分相對(duì)較少，因此與已知采集裝置相比，磨損較少并且采集裝置可以無(wú)需實(shí)現(xiàn)高精度和/或一致性而以較低成本制成。出于相同的原因，機(jī)械阻尼得以最小化，從而有助于增加能量輸出。此外，通過(guò)從環(huán)境中采集能量，傳感器可以制造成在壽命中自給自足，基本上無(wú)需進(jìn)行任何維修。因此，本說(shuō)明書中所述的示例性能量采集裝置可以內(nèi)置在無(wú)線傳感器或系統(tǒng)中，以便進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)而無(wú)需進(jìn)行任何維修。此外，用于向無(wú)線傳感器供電的電池可以縮小大小甚至消除，從而減少維修工作和環(huán)境影響。
[0056]本說(shuō)明書使用各種實(shí)例來(lái)公開本發(fā)明，包括最佳模式，同時(shí)也讓所屬領(lǐng)域中的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造并使用任何裝置或系統(tǒng)，以及實(shí)施所涵蓋的任何方法。本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書界定，并且可以包括所屬領(lǐng)域中的技術(shù)人員想出的其他實(shí)例。如果此類其他實(shí)例的結(jié)構(gòu)要素與權(quán)利要求書的字面意義相同，或者如果此類實(shí)例包括的等效結(jié)構(gòu)要素與權(quán)利要求書的字面意義無(wú)實(shí)質(zhì)差別，則此類實(shí)例也在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種能量采集裝置(12)，包括: 能量轉(zhuǎn)換裝置(24 )，所述能量轉(zhuǎn)換裝置配置用于將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能； 連接到所述能量轉(zhuǎn)換裝置的塊(30);以及 連接到所述塊(30 )的至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)(32 )，所述偏置機(jī)構(gòu)(32 )能夠選擇性地調(diào)整，其中選擇性地調(diào)整所述偏置機(jī)構(gòu)(32 )將調(diào)整所述能量轉(zhuǎn)換裝置(24)和所述塊(30 )的共振頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量采集裝置，其中所述偏置機(jī)構(gòu)(32)具有選擇性調(diào)整的壓縮距離(74)，其中選擇性地調(diào)整所述壓縮距離(74)將調(diào)整所述共振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量采集裝置，其中所述能量轉(zhuǎn)換裝置(24)包括以下其中一項(xiàng):壓電裝置(28 )、電磁裝置、靜電裝置和磁致伸縮裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的能量采集裝置，其中所述壓電裝置(28)進(jìn)一步包括第一壓電層(38 )、第二壓電層(40 )和介于兩者之間延伸的基材(42 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量采集裝置，其中所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)(32)包括非線性彈簧(60)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量采集裝置，其中所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)(32)包括錐形彈簧(60)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的能量采集裝置，其中所述錐形彈簧(60)包括具有第一直徑(64)的第一端(62)和具有第二直徑(68)的第二端(66),所述第二直徑(68)大于所述第一直徑(64 )，所述第一端(62 )連接到所述塊(30 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量采集裝置，進(jìn)一步包括致動(dòng)器(46)，所述致動(dòng)器配置用于選擇性地調(diào)整所述偏置機(jī)構(gòu)(32)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量采集裝置，進(jìn)一步包括外殼(26)，其中所述致動(dòng)器(46)連接到所述外殼(26)，并且連接到所述至少一個(gè)偏置機(jī)構(gòu)(32)中與所述塊(30)相對(duì)的部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量采集裝置，進(jìn)一步包括:第一平臺(tái)(244)和第二平臺(tái)(246)，所述第一平臺(tái)(244)和第二平臺(tái)(246)以可移動(dòng)方式連接到所述致動(dòng)器(46)的相對(duì)偵儀250、252);第一偏置機(jī)構(gòu)(60)，所述第一偏置機(jī)構(gòu)連接在所述第一平臺(tái)(244)與所述塊(30)之間；以及第二偏置機(jī)構(gòu)(60)，所述第二偏置機(jī)構(gòu)連接在所述第二平臺(tái)(246)與所述塊(30)之間，其中所述致動(dòng)器(46)配置用于選擇性地調(diào)整所述第一平臺(tái)(244)與所述第二平臺(tái)(246)之間的距離(D)。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103516257SQ201310248622
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月21日
【發(fā)明者】A.R.伍德, Q.歐, N.T.利, X.陳, S.古特施米特 申請(qǐng)人:通用電氣公司