一种高架桥振动能量收集装置

摘要

本发明公开了一种高架桥振动能量收集装置，包括两个形状尺寸完全相同且对称设置于高架桥支撑柱外周左右两侧上的能量收集子单元，能量收集子单元包括护柱体、箱体、固定基座、能量收集组件；能量收集组件包括压电部件、圆柱导体、导线、U型磁铁以及线圈，护柱体与箱体固定连接，固定基座固定安装于箱体内近高架桥支撑柱一侧的侧壁上，压电部件一端与固定基座固定连接，另一端与U型磁体固定连接，圆柱导体放置于圆柱形空腔内且两端通过导线相连而组成闭合回路，线圈安装于箱体内部上。整体而言，该装置可有效利用振动能量并实现机械能到电能的转变，且结构简单，易于批量化生产，具有很强的实用价值及应用前景，值得在业内推广。

权利要求

1.一种高架桥振动能量收集装置，其特征在于：包括两个形状尺寸完全相同且对称设置于高架桥支撑柱(1)外周左右两侧上的能量收集子单元，所述能量收集子单元包括护柱体(2)、箱体(3)、固定基座(4)、能量收集组件；

所述能量收集组件包括压电部件、圆柱导体(8)、导线(9)、U型磁铁(11)以及若干个线圈(10)，所述压电部件包括两个结构完全相同的压电子件，压电子件呈Ω型，其由内至外分别设置内金属层(6)、压电材料层(7)以及外金属层(12)，两个Ω型压电子件相对设置且前后端面均设置有封盖，从而中间形成圆柱形空腔；

所述护柱体(2)与箱体(3)固定连接，固定基座(4)固定安装于箱体(3)内近高架桥支撑柱(1)一侧的侧壁上，所述压电部件的一端与固定基座(4)固定连接，另一端与U型磁体固定连接，所述圆柱导体(8)放置于所述圆柱形空腔内且两端通过导线(9)相连而组成闭合回路，所述线圈(10)安装于箱体(3)内部上，且初始状态时线圈(10)与U型磁体位置相对应。

2.根据权利要求1所述的高架桥振动能量收集装置，其特征在于：所述圆柱导体(8)横截面直径大于所述压电部件左右两端内金属层(6)之间的空隙尺寸，圆柱导体(8)长度大于圆柱形空腔的圆形截面直径。

3.根据权利要求1所述的高架桥振动能量收集装置，其特征在于：所述压电材料层(7)由聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物高分子压电材料构成。

4.根据权利要求1所述的高架桥振动能量收集装置，其特征在于：所述箱体(3)内上侧壁、下侧壁以及远高架桥支撑柱(1)一侧的左侧壁/右侧壁均设置有线圈(10)。

5.根据权利要求1-4任一所述的高架桥振动能量收集装置，其特征在于：所述护柱体(2)的形状尺寸与高架桥支撑柱(1)外周形状尺寸相适应。

6.根据权利要求1-4任一所述的高架桥振动能量收集装置，其特征在于：所述箱体(3)与护柱体(2)连接的一侧，其形状尺寸与护柱体(2)形状尺寸相适应。

说明书

一种高架桥振动能量收集装置

技术领域

[0001] 本发明属于振动能量回收技术领域，具体涉及一种高架桥振动能量收集装置。

背景技术

[0002] 自从铁路高架桥发展以来，高铁所产生的振动一直延续至今，随着高铁速度的不断突破，振动噪声越来越大，振动能量就越来越大，为了避免能量的损失，必须采取措施把振动能量收集起来，以供其他供电装置需要，因此一种实用的新型高架桥振动能量收集装置是非常有必要的。

[0003] 不过如何找到新的能量收集方法，设计一款新型能量收集装置，大大的减少振动能量的损耗，尽可能多的收集振动能量是目前必须要解决的一个重要问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是解决上述问题，提供一种可有效回收振动能量的高架桥振动能量收集装置。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高架桥振动能量收集装置，包括两个形状尺寸完全相同且对称设置于高架桥支撑柱外周左右两侧上的能量收集子单元，所述能量收集子单元包括护柱体、箱体、固定基座、能量收集组件；

[0006] 所述能量收集组件包括压电部件、圆柱导体、导线、U型磁铁以及若干个线圈，所述压电部件包括两个结构完全相同的压电子件，压电子件呈Ω型，其由内至外分别设置内金属层、压电层以及外金属层，两个Ω型压电子件相对设置且前后端面均设置有封盖，从而中间形成圆柱形空腔；

[0007] 所述护柱体与箱体固定连接，固定基座固定安装于箱体内近高架桥支撑柱一侧的侧壁上，所述压电部件的一端与固定基座固定连接，另一端与U型磁体固定连接，所述圆柱导体放置于所述圆柱形空腔内且两端通过导线相连而组成闭合回路，所述线圈安装于箱体内部上，且初始状态时线圈与U型磁体位置相对应。

[0008] 优选地，所述圆柱导体横截面直径大于所述压电部件左右两端内金属层之间的空隙尺寸，圆柱导体长度大于圆柱形空腔的圆形截面直径。

[0009] 优选地，所述压电层由聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物高分子压电材料构成。

[0010] 优选地，所述箱体内上侧壁、下侧壁以及远高架桥支撑柱一侧的左侧壁/右侧壁均设置有线圈。

[0011] 优选地，所述护柱体的形状尺寸与高架桥支撑柱外周形状尺寸相适应。

[0012] 优选地，所述箱体与护柱体连接的一侧，其形状尺寸与护柱体形状尺寸相适应。

[0013] 本发明的有益效果是：本发明提供的高架桥振动能量收集装置，主要应用于高架桥上，车轮与轨道在高速接触运行过程中产生的巨大冲击能量，当冲击能量传递到高架桥支撑柱时，会引起设置于箱体内的压电部件(金属层、压电材料层)的变形，根据压电材料的正压电效应，则可实现机械能转化为电能，且此时压电部件整体相当于电容，与此同时压电部件的圆柱形空腔内的圆柱导体会来回碰撞，进一步对压电材料施加压力，则会使机械能更多的转变为电能，而U型磁铁由于电压部件在振动能量作用下发生变形时，圆柱导体便时刻切割磁感线，产生感应电动势，且圆柱导体与导线组成闭合回路，再外接相关转换电路，即可实现电能的存储，同时会导致通过线圈的磁感线发生变化，从而在感应线圈内也产生感应电动势，进一步实现机械能转变为电能。整体而言，本发明可有效利用振动能量并实现机械能到电能的转变，且结构简单，易于批量化生产，具有很强的实用价值及应用前景，值得在业内推广。

附图说明

[0014] 图1是本发明高架桥振动能量收集装置整体剖面结构示意图；

[0015] 图2是实施例中右护柱体俯主视局部剖面放大图；

[0016] 图3是实施例中右护柱体俯视放大图；

[0017] 图4是实施例中左护柱体俯主视局部剖面放大图；

[0018] 图5是实施例中左护柱体俯视放大图；

[0019] 图6是实施例中右箱体俯视局部剖面放大图；

[0020] 图7是实施例中右箱体主视局部剖面放大图；

[0021] 图8是实施例中左箱体俯视局部剖面放大图；

[0022] 图9是实施例中左箱体主视局部剖面放大图；

[0023] 图10是实施例中压电子件主视剖面放大图；

[0024] 图11是实施例中压电子件俯视放大图；

[0025] 图12是实施例中固定基座主视图；

[0026] 图13是实施例中固定基座俯视图；

[0027] 图14是实施例中圆柱导体主视剖面放大图；

[0028] 图15是实施例中圆柱导体俯视剖面放大图；

[0029] 图16是实施例中U型磁铁主视剖面放大图；

[0030] 图17是实施例中U型磁铁俯视剖面图；

[0031] 图18是压电部件部分元件主视剖面放大图。

[0032] 附图标记说明：1、高架桥支撑柱；2、护柱体；3、箱体；4、固定基座；5、螺栓；6、内金属层；7、压电材料层；8、圆柱导体；9、导线；10、线圈；11、U型磁铁；12、外金属层。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

[0034] 如图1所示，本发明的高架桥振动能量收集装置包括两个能量收集子单元，能量收集子单元的形状尺寸完全相同且对称设置于高架桥支撑柱1外周左右两侧上。能量收集子单元包括护柱体2、箱体3、固定基座4、能量收集组件。为便于说明理解，两个能量收集子单元分别为左侧能量收集子单元和右侧能量收集子单元，以下将以右侧能量收集子单元为例，对本发明进行详细的说明。进一步的，在本实施例中，高架桥支撑柱1为圆柱形，显然，高架桥支撑柱1的具体形状并不构成对本发明应用的限制。

[0035] 如图2-5所示，护柱体2为半圆筒状，两端设有凸耳。左侧护柱体2和右侧护柱体2紧密包围在高架桥支撑柱1外周。如图6-9所示，箱体3由上封盖、下封盖、前封盖、后封盖、左封盖和右封盖组成，其中右侧箱体3的左封盖和左侧箱体3的右封盖成半圆筒型。箱体3上设有凸耳。左侧箱体3的右封盖和右侧箱体3左封盖分别与左侧护柱体2、右侧护柱体2外表面紧密粘贴。护柱体2和箱体3上的凸耳孔口大小一致，且对应孔的轴线在同一水平，采用螺栓将左侧护柱体2、左侧箱体3、右侧护柱体2、右侧箱体3这四个构件固定连接。值得说明的是，本发明中的护柱体2、箱体3的形状尺寸与高架桥支撑柱1的形状尺寸相适应，可跟据高架桥支撑柱1形状进行合理设计。

[0036] 能量收集组件包括压电部件、圆柱导体8、导线9、U型磁铁11以及数个线圈10。压电部件包括两个结构完全相同的压电子件。如图10-11所示，压电子件呈Ω型，其由内至外依次设置内金属层6、压电材料层7以及外金属层12，两个Ω型压电子件相对设置且前后端面均设置有封盖(图中未示出)，从而中间形成圆柱形空腔。封盖上开设有用于通过导线9的导线9孔。内金属层6、压电材料层7以及外金属层12紧密贴合，其中压电材料层7由聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))高分子压电材料构成，内金属层6和外金属层12分别为薄金属片。值得说明的是，压电材料层7并不限于采用聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))高分子压电材料构成，也可以采用本领域中其它常规的压电材料。

[0037] 如图12-13所示，固定基座4整体呈薄长方体状，一侧内凹，形状尺寸与箱体3的半圆筒型的侧封盖想适应。在右侧能量收集子单元中，固定基座4通过螺栓5固定安装于箱体3半圆筒状的左封盖上。压电部件的左端与固定基座4固定连接。如图16-17所示，U型磁体呈U型，其与压电部件右端的外金属层12紧密固定连接。

[0038] 如图14-15、18所示，圆柱导体8横截面直径d大于所述压电部件左右两端内金属层6之间的空隙尺寸a，圆柱导体8长度c大于圆柱形空腔的圆形截面直径b。圆柱导体8放置于圆柱形空腔内且两端通过导线9相连而组成闭合回路。线圈10则分别安装在箱体3的上封盖、右封盖、下封盖，前封盖、后封盖上，且初始状态时线圈10均与U型磁体位置相对应。

[0039] 压电部件(金属层、压电材料层7)、圆柱导体8、U型磁铁11构成压电材料能量收集部分，当振动能量传递过来时，金属层和压电材料层7会发生形变，此时内外金属层12和压电材料层7相当于电容，从而实现了机械能到电能的转变，其内的圆柱导体8会在圆柱形空腔内发生来回碰撞，进而对压电材料层7产生压力，加大了电能的转换，而磁铁则改变压电部件整体的固有频率，同时更有利于加大内外金属层12和压电材料层7的形变和振动幅度。

[0040] 圆柱导体8、导线9、线圈10、U型磁铁11构成磁电能量收集部分，当U型磁铁11随着金属层和压电材料层7的形变而发生振动时，圆柱导体8便时刻切割磁感线，产生感应电动势，并连接有导线9组成闭合回路，再外接相关转换电路，即可实现电能的存储，与此同时，U型磁铁11的来回振动会导致通过线圈10的磁感线发生变化，进而感应线圈10内产生感应电动势。值得说明的是，外接相关转化电路为本领域技术人员所熟知技术，并无特殊限定，按照实际需求设计即可。

[0041] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。