一种多方向振动俘能系统

摘要

本发明公开了一种多方向振动俘能系统，包括多个多方向振动俘能单元、俘能器外壳和俘能电路；所述多方向振动俘能单元通过压电振子、楔形质量块和能量转换电路完成振动能量的收集和转换；所述俘能器外壳能够通过特定的机械结构夹持多方向振动俘能单元，并且其内部的能量管理电路板能够对各俘能单元收集的微弱电流进行储能处理，达到供用电设备直接使用的标准，有效地克服了现有结构俘能方向单一、输出电压较低的局限。

权利要求

1.一种多方向振动俘能系统，其特征在于：包括多个多方向振动俘能单元、俘能器外壳和俘能电路；

所述多方向振动俘能单元设置于所述俘能器外壳内；多方向振动俘能单元包括弹簧振子、压电振子、俘能单元外壳，其中，所述俘能单元外壳包括设置于两端的端盖、安装筒、隔环、压紧筒和电路仓，顶部的端盖和底部的端盖的内侧分别设置有一所述电路仓，两个所述电路仓的内侧分别设置有一所述压紧筒，两个所述压紧筒之间设置所述安装筒，所述安装筒与所述压紧筒之间设置所述隔环，所述弹簧振子包括两个圆柱压缩弹簧和中心质量块，所述中心质量块包括振动柱和楔形块，两个所述圆柱压缩弹簧的内端之间连接所述振动柱，两个所述圆柱压缩弹簧的外端分别与两个所述端盖连接，所述楔形块为周向设置于所述振动柱上的楔形圆周结构；所述压电振子包括弹簧片和PVDF压电薄膜，所述弹簧片环绕所述楔形块夹持在所述安装筒与所述隔环之间，以及所述隔环与所述压紧筒之间；所述中心质量块通过楔形块的楔形圆周将固定在同一隔环上的两组所述弹簧片撑开，并与其紧密接触；所述PVDF压电薄膜粘贴在所述弹簧片弯曲的一侧；

所述俘能电路包括能量转换电路和能量管理电路；

两个所述端盖的外部均粘接有一导电片，所述能量转换电路的输出线路由穿线孔穿出后按极性分别焊接在两端的导电片上，所述穿线孔设置于所述电路仓侧面；

所述俘能器外壳包括壳体、侧挡板和前面板，所述俘能器外壳的壳体为上、中、下三层结构，上层结构中设置有电路板插槽，能量管理电路板通过所述电路板插槽固定，所述能量管理电路板的输出线缆穿过上层结构顶板上的出线口引出壳外；中间层结构中安装有螺旋夹紧装置，所述螺旋夹紧装置包括夹紧螺旋结构和夹紧手柄，所述夹紧螺旋结构的中部为梯形传动螺纹，两端为带圆角的方形导杆，所述方形导杆的外端面上设置有圆形的上夹紧凸台，所述夹紧手柄为带有与所述梯形传动螺纹螺接结构的“L”型手柄；所述中间层结构的顶板和底板上分别设置有三个方形导孔，所述夹紧螺旋结构的方形导杆分别穿设于相对的两所述方形导孔中，所述夹紧螺旋结构的外侧通过螺旋配合安装有夹紧手柄；下层结构被立挡板分割为三个腔体，在每个腔体内，所述多方向振动俘能单元在所述上夹紧凸台和下层结构底板上的下夹紧凸台之间通过所述螺旋夹紧装置夹持固定；

两个所述电路仓上分别设置有一所述能量转换电路，所述压电振子的输出线路连接所述能量转换电路的输入端，由所述能量转换电路完成整流、滤波和稳压工作；所述能量管理电路主要完成储能工作。

2.根据权利要求1所述的多方向振动俘能系统，其特征在于：所述俘能单元外壳的外部设置有保护筒，所述保护筒的底端设置有环形的弹性卡扣。

3.根据权利要求1所述的多方向振动俘能系统，其特征在于：两个所述端盖的内侧分别设置有一纵向限位凸台，所述纵向限位凸台的内侧设置有限位所述圆柱压缩弹簧一端的限位槽，相对的所述振动柱的两端设置有用于限位所述圆柱压缩弹簧另一端的限位槽。

4.根据权利要求1所述的多方向振动俘能系统，其特征在于：所述夹紧螺旋结构和所述下夹紧凸台均由导电材料制成，且均与所述能量管理电路的电路板的输入端电性连接。

5.根据权利要求1所述的多方向振动俘能系统，其特征在于：所述侧挡板插接于所述壳体的一侧，所述上层结构的顶板上和壳体的底板上设置有前面板插槽，与所述侧挡板相对的所述壳体的侧板上设置有锁紧插孔，所述前面板与所述锁紧插孔相对的一侧设置有锁紧插头，所述前面板的顶部和底部插接在前面板插槽内，所述锁紧插头锁紧在所述锁紧插孔内。

6.根据权利要求1所述的多方向振动俘能系统，其特征在于：所述立挡板靠近所述前面板的一侧设置有缺口。

7.根据权利要求1所述的多方向振动俘能系统，其特征在于：所述压紧筒与所述隔环、所述安装筒与所述隔环之间均通过螺钉连接。

8.根据权利要求1所述的多方向振动俘能系统，其特征在于：所述楔形块在所述振动柱上设置有两个，并与所述振动柱一体成型。

说明书

一种多方向振动俘能系统

技术领域

[0001] 本发明涉及新能源发电技术领域，特别是涉及一种多方向振动俘能系统。

背景技术

[0002] 随着社会经济的快速发展，煤矿开采日趋“无人化”和“智能化”，“智慧矿山”、“智能化综采工作面”等新词不断涌现。在此基础上，适用于井下的无线监测传感系统得到了长
足的发展。因此，如何方便合理的为无线传感系统供电成了一个亟待解决的问题。基于井下
的复杂环境和振动能量丰富的特点，各种振动能量收集装置应运而生。但是，传统的单方向
振动俘能装置由于俘能方向单一、俘能效率低下等局限，很难在煤矿井下等复杂环境中得
到广泛应用。因此，设计一款适用于煤矿井下采动激励的多方向振动俘能器意义重大。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种多方向振动俘能系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够解决井下无线传感系统的供能问题。该系统的机械结构可以有效克服现有结构俘
能方向单一的局限，对提高俘能装置效率具有重大意义。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0005] 本发明提供一种多方向振动俘能系统，包括多个多方向振动俘能单元、俘能器外壳和俘能电路；

[0006] 所述多方向振动俘能单元设置于所述俘能器外壳内；多方向振动俘能单元包括弹簧振子、压电振子、俘能单元外壳，其中，所述俘能单元外壳包括设置于两端的端盖、安装
筒、隔环、压紧筒和电路仓，顶部的端盖和底部的端盖的内侧分别设置有一所述电路仓，两
个所述电路仓的内侧分别设置有一所述压紧筒，两个所述压紧筒之间设置所述安装筒，所
述安装筒与所述压紧筒之间设置所述隔环，所述弹簧振子包括两个圆柱压缩弹簧和中心质
量块，所述中心质量块包括振动柱和楔形块，两个所述圆柱压缩弹簧的内端之间连接所述
振动柱，两个所述圆柱压缩弹簧的外端分别与两个所述端盖连接，所述楔形块为周向设置
于所述振动柱上的楔形圆周结构；所述压电振子包括弹簧片和PVDF压电薄膜，所述弹簧片
环绕所述楔形块夹持在所述安装筒与所述隔环之间，以及所述隔环与所述压紧筒之间；所
述中心质量块通过楔形块的楔形圆周将固定在同一隔环上的两组所述弹簧片撑开，并与其
紧密接触；所述PVDF压电薄膜粘贴在所述弹簧片弯曲的一侧；

[0007] 所述俘能电路包括能量转换电路和能量管理电路；两个所述电路仓上分别设置有一所述能量转换电路，所述压电振子的输出线路连接所述能量转换电路的输入端，由所述
能量转换电路完成整流、滤波和稳压工作；所述能量管理电路主要完成储能工作。

[0008] 优选地，所述俘能单元外壳的外部设置有保护筒，所述保护筒的底端设置有环形的弹性卡扣。

[0009] 优选地，两个所述端盖的内侧分别设置有一纵向限位凸台，所述纵向限位凸台的内侧设置有限位所述圆柱压缩弹簧一端的限位槽，相对的所述振动柱的两端设置有用于限
位所述圆柱压缩弹簧另一端的限位槽。

[0010] 优选地，两个所述端盖的外部均粘接有一导电片，所述能量转换电路的输出线路由穿线孔穿出后按极性分别焊接在两端的导电片上。

[0011] 优选地，所述俘能器外壳包括壳体、侧挡板和前面板，所述俘能器外壳的壳体为上、中、下三层结构，上层结构中设置有电路板插槽，能量管理电路板通过所述电路板插槽
固定，所述能量管理电路板的输出线缆穿过上层结构顶板上的出线口引出壳外；中间层结
构中安装有螺旋夹紧装置，所述螺旋夹紧装置包括夹紧螺旋结构和夹紧手柄，所述夹紧螺
旋结构的中部为梯形传动螺纹，两端为带圆角的方形导杆，其一端的端面上设置有圆形的
上夹紧凸台，所述夹紧手柄为带有与所述梯形传动螺纹螺接结构的“L”型手柄；所述中间层
结构的顶板和底板上分别设置有三个方形导孔，所述夹紧螺旋结构的方形导杆分别穿设于
相对的两所述方形导孔中，所述夹紧螺旋结构的外侧通过螺旋配合安装有夹紧手柄；下层
结构被立挡板分割为三个腔体，在每个腔体内，所述多方向振动俘能单元在所述上夹紧凸
台和下层结构底板上的下夹紧凸台之间通过所述螺旋夹紧装置夹持固定。

[0012] 优选地，所述夹紧螺旋结构和所述下夹紧凸台均由导电材料制成，且均与所述能量管理电路的电路板的输入端电性连接。

[0013] 优选地，所述侧挡板插接于所述壳体的一侧，所述顶层板和壳体的底板上设置有前面板插槽，与所述侧挡板相对的所述壳体的侧板上设置有锁紧插孔，所述前面板与所述
锁紧插孔相对的一侧设置有锁紧插头，所述前面板的顶部和底部插接在所述插槽内，所述
锁紧插头锁紧在所述锁紧插孔内。

[0014] 优选地，所述立挡板靠近所述前面板的一侧设置有缺口。

[0015] 优选地，所述压紧筒与所述隔环、所述安装筒与所述隔环之间均通过螺钉连接。

[0016] 优选地，所述楔形块在所述振动柱上设置有两个，并与所述振动柱一体成型。

[0017] 本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

[0018] 本发明提供的多方向振动俘能系统，包括多个多方向振动俘能单元、一个专用俘能器外壳和相关的俘能电路。所述多方向振动俘能单元通过压电振子、楔形质量块和能量
转换电路完成振动能量的收集和转换；所述俘能器外壳能够通过特定的机械结构夹持多方
向振动俘能单元，并且其内部的能量管理电路板能够对各俘能单元收集的微弱电流进行储
能处理，达到供用电设备直接使用的标准，有效地克服了现有结构俘能方向单一、输出电压
较低的局限。

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。

[0020] 图1是本发明中多方向振动俘能系统的整体的结构示意图；

[0021] 图2是本发明中多方向振动俘能单元剖面的结构示意图；

[0022] 图3是本发明中多方向振动俘能单元保护筒的结构示意图；

[0023] 图4是本发明中振动俘能器外壳的结构示意图；

[0024] 图5是本发明中振动俘能器外壳的另一角度结构示意图；

[0025] 图6是本发明中夹紧螺旋的结构示意图；

[0026] 图7是本发明中夹紧手柄的结构示意图；

[0027] 图8是本发明中多方向振动俘能系统的电路原理图。

[0028] 图中：1‑端盖；2‑固定螺钉；3‑导电片；4‑复位弹簧；5‑纵向限位凸台；6‑横向限位孔；7‑能量转换电路；8‑电路仓；9‑穿线孔；10‑压紧筒；11‑隔环；12‑安装筒；13‑PVDF压电薄
膜；14‑弹簧片；15‑楔形块；16‑保护筒；17‑弹性卡扣；18‑壳体；19‑锁紧插孔；20‑夹紧手柄；
21‑立挡板；22‑能量管理电路；23‑夹紧螺旋结构；24‑侧挡板；25‑侧挡板插槽；26‑锁紧插
头；27‑前面板；28‑出线孔；29‑下夹紧凸台；30‑前面板插槽；31‑方形导杆；32‑梯形传动螺
纹；33‑上夹紧凸台；34‑多方向振动俘能单元；35‑俘能器外壳；36‑螺旋夹紧装置、37‑振动
柱、I‑上层结构、II‑中间层结构、III‑下层结构。

具体实施方式

[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 本发明的目的是提供一种多方向振动俘能系统，以解决现有技术存在的问题。

[0031] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0032] 本实施例中的多方向振动俘能系统，如图1、图2所示，包括多个多方向振动俘能单元34、俘能器外壳35和俘能电路；

[0033] 多方向振动俘能单元34设置于俘能器外壳35内；多方向振动俘能单元34包括弹簧振子、压电振子、俘能单元外壳，其中，俘能单元外壳包括设置于两端的端盖1、安装筒12、隔
环11、压紧筒10和电路仓8，顶部的端盖1和底部的端盖1的内侧分别设置有一电路仓8，两个
电路仓8的内侧分别设置有一压紧筒10，两个压紧筒10之间设置安装筒12，安装筒12与压紧
筒10之间设置隔环11，压紧筒10与隔环11、安装筒12与隔环11均通过螺钉连接固定，弹簧振
子包括两个圆柱压缩弹簧4和中心质量块，中心质量块包括振动柱37和与振动柱37一体成
型的两个楔形块15，两个圆柱压缩弹簧4的内端之间连接振动柱37，两个圆柱压缩弹簧4的
外端分别与两个端盖1连接，楔形块15为周向设置于振动柱37上的楔形圆周结构；压电振子
包括弹簧片14和PVDF压电薄膜13，弹簧片14环绕楔形块15夹持在安装筒12与隔环11之间，
以及隔环11与压紧筒10之间；中心质量块通过楔形块15的楔形圆周将固定在同一隔环11上
的两组弹簧片14撑开，并与其紧密接触；PVDF压电薄膜13粘贴在弹簧片14弯曲的一侧，即粘
贴在顶部的弹簧片14的顶端面上，粘贴在底部的弹簧片14的底端面上。

[0034] 俘能单元外壳的外部设置有保护筒16，如图3所示，保护筒16的底端设置有环形的弹性卡扣17，弹性卡扣17结构既有效地保护了内部线路，又极大的减轻了螺纹连接的轴向
负担，增加了可靠性。

[0035] 压电振子的输出线路由安装筒、压紧筒与隔环11间的预留缝隙穿出，沿着外壳与保护筒16之间的通路由电路仓8侧面的穿线孔9穿入，并连接到设置在电路仓8中的能量转
换电路7的输入端。

[0036] 于本具体实施例中，两个端盖1的内侧分别设置有一纵向限位凸台5，纵向限位凸台5的内侧设置有用于限位圆柱压缩弹簧4一端的限位槽，相对的振动柱12的两端设置有用
于限位圆柱压缩弹簧4另一端的限位槽；电路仓8的中部为横向限位孔6，纵向限位凸台5和
横向限位孔6分别用于限制中心质量块的纵向和横向位置，防止振动时中心质量块位移过
大导致压电振子损坏。

[0037] 俘能电路包括能量转换电路7和能量管理电路22；两个电路仓8上分别设置有一能量转换电路7，压电振子的输出线路由外壳与隔环11间的预留缝隙穿出，沿着外壳与保护筒
16之间的通路由电路仓8侧面的穿线孔9穿入，并连接到能量转换电路7的输入端，由能量转
换电路7完成整流、滤波和稳压工作；能量管理电路22主要完成储能工作。两个端盖1的外部
均通过粘合剂粘接有一导电片3，能量转换电路7的输出线路由穿线孔9穿出后按极性分别
焊接在两端的导电片3上。

[0038] 如图4、图5所示，俘能器外壳35包括壳体18、侧挡板24和前面板27，壳体18为上、中、下三层结构。上层结构Ⅰ中设置有电路板插槽，能量管理电路板22通过电路板插槽固定；
能量管理电路板22主要完成储能工作，其输出线缆穿过上层结构Ⅰ顶板上的出线口28引出
壳外；中间层结构Ⅱ中穿设有螺旋夹紧装置36；下层结构Ⅲ被立挡板21分割为三个腔体，在
每个腔体内，多方向振动俘能单元36在上夹紧凸台33和下层结构Ⅲ底板上的下夹紧凸台29
之间通过螺旋夹紧装置36夹持固定。

[0039] 如图6、图7所示，螺旋夹紧装置36包括夹紧螺旋结构23和夹紧手柄20；其中夹紧螺旋结构20的中部为梯形传动螺纹32，两端为带圆角的方形导杆31，其一端的端面上设置有
圆形的上夹紧凸台33；夹紧手柄为带有与梯形传动螺纹螺接结构的“L”型手柄。

[0040] 于本实施例中，中间层结构Ⅱ的顶板和底板上分别设置有三个方形导孔，夹紧螺旋结构23的方形导杆31分别穿设于相对的两方形导孔中，夹紧螺旋结构23的外侧通过螺旋
配合安装有夹紧手柄20。

[0041] 夹紧螺旋结构23和下夹紧凸台29均由导电材料制成，且均与能量管理电路22的输入端电性连接。

[0042] 于本具体实施例中，壳体18的一侧设置有侧挡板插槽25，侧挡板24插接于壳体18的一侧，顶层板和壳体18的底板上设置有前面板插槽30，与侧挡板24相对的壳体18的侧板
上设置有锁紧插孔19，前面板27与锁紧插孔19相对的一侧设置有锁紧插头26，前面板27的
顶部和底部插接在插槽25内，锁紧插头26锁紧在锁紧插孔19内。

[0043] 于本具体实施例中，立挡板21靠近前面板27的一侧设置有较大的缺口，以便在夹持时放入和取出多方向振动俘能单元34。

[0044] 本发明中的多方向振动俘能系统，其在具体使用时，首先应打开俘能器外壳35的前面板27，取下侧挡板24，然后从右往左依此装入三个多方向振动俘能单元343后，再依此
插上侧挡板24和前面板27，并折弯前面板27锁紧插头26露出部分，达到机械锁紧目的。最
后，将俘能器外壳35后背与机械设备相连，完成全部安装工作。

[0045] 多方向振动俘能单元34安装方面，首先向外扳动预安装位置的夹紧手柄20，则相应的夹紧螺旋结构23会随即上升，增大上下夹紧凸台29的间距，然后将多方向振动俘能单
元34放置到合适位置，并向内扳动夹紧手柄20，完成多方向振动俘能单元34安装工作。

[0046] 系统工作方面，机械设备的振动首先使固定在机体上的俘能器外壳35发生振动，进而将振动传递到各个多方向振动俘能单元34，引起中心质量块15在圆柱压缩弹簧4的约
束下沿多个方向振动。中心质量块的振动会使弹簧片14发生不同程度的弯曲，粘贴在弹簧
片14弯曲一侧的PVDF压电薄膜13会因压电效应产生电能，经过能量转换电路7的整流、滤波
和稳压处理后传导到导电片3上，进而传导到夹持多方向振动俘能单元34的夹紧螺旋结构
23和下夹紧凸台29上。连接在夹紧螺旋结构23和下夹紧凸台29上的导线可将电能传导到能
量管理电路板22的输入端，经过储能处理后通过线缆引出壳外，供用电设备直接使用(电路
原理图如图8所示)。

[0047] 本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理
解为对本发明的限制。