一种高效压电能量转换器 |
|||||||
| 申请号 | CN202211588070.4 | 申请日 | 2022-12-12 | 公开(公告)号 | CN115987139A | 公开(公告)日 | 2023-04-18 |
| 申请人 | 厦门理工学院; | 发明人 | 刘春嵘; 陈小云; 杨闻宇; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 能量 转换技术领域。本发明公开了一种高效压 电能 量转换器，包括 相位 控制 电路 ，相位控制电路包括由压电材料制成的压电单元、 变压器 、 电子 换向 开关 、与 门 和 信号 发生器，压电单元的第一 电极 和第二电极通过换向电子开关接变压器的原边电感的第一输入端和第二输入端，信号发生器用于输出高频信号且该高频信号的 频率 与该相位控制电路的固有频率相同，与门的二输入端分别接信号发生器的输出端和压电单元的第一电极，与门的输出端接电子换向开关的控制端，用于控制电子换向开关进行换向而使压电单元的第一电极和第二电极分别与变压器的原边电感的第一输入端和第二输入端连接或分别与变压器的原边电感的第二输入端和第一输入端连接。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高效压电能量转换器，其特征在于：包括相位控制电路，相位控制电路包括由压电材料制成的压电单元、变压器、电子换向开关、与门和信号发生器，压电单元的第一电极和第二电极通过换向电子开关接变压器的原边电感的第一输入端和第二输入端，信号发生器用于输出高频信号且该高频信号的频率与该相位控制电路的固有频率相同，与门的二输入端分别接信号发生器的输出端和压电单元的第一电极，与门的输出端接电子换向开关的控制端，用于控制电子换向开关进行换向而使压电单元的第一电极和第二电极分别与变压器的原边电感的第一输入端和第二输入端连接或分别与变压器的原边电感的第二输入端和第一输入端连接。 |
||||||
| 说明书全文 | 一种高效压电能量转换器技术领域背景技术[0002] 压电材料是受到压力作用时会在其两端面间出现电压的晶体材料，压电材料可将波能及各种振动能量直接转换为电能。应用压电材料收集振动能量转换为电能的能量转换器具有结构简单、造价低、环境友好等优点，具有较好的应用前景。但目前所开发的压电能量转换器主要针对振动频率较高的情况，对于频率较低的振动能量(例如波能)，现有的压电能量转换器的能量转换效率一般都非常低，无法满足使用要求，因此，有必要对其进行改进。 发明内容[0003] 本发明的目的在于提供一种适用于低频振动的高效压电能量转换器用以解决上述存在的技术问题。 [0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高效压电能量转换器，包括相位控制电路，相位控制电路包括由压电材料制成的压电单元、变压器、电子换向开关、与门和信号发生器，压电单元的第一电极和第二电极通过换向电子开关接变压器的原边电感的第一输入端和第二输入端，信号发生器用于输出高频信号且该高频信号的频率与该相位控制电路的固有频率相同，与门的二输入端分别接信号发生器的输出端和压电单元的第一电极，与门的输出端接电子换向开关的控制端，用于控制电子换向开关进行换向而使压电单元的第一电极和第二电极分别与变压器的原边电感的第一输入端和第二输入端连接或分别与变压器的原边电感的第二输入端和第一输入端连接。 [0006] 进一步的，所述压电单元为压电膜。 [0007] 更进一步的，所述压电单元采用压电陶瓷或压电聚合物制成。 [0008] 进一步的，所述原边电感的电感值可调节。 [0009] 更进一步的，所述原边电感包括串联的固定电感和可调电感。 [0010] 本发明的有益技术效果： [0012] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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。 [0013] 图1为本发明具体实施例一的电路图； [0014] 图2为本发明具体实施例一的电子换向开关的电路图； [0015] 图3为本发明具体实施例二的电路图。 具体实施方式[0016] 为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。 [0017] 现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。 [0018] 实施例一 [0019] 如图1所示，一种高效压电能量转换器，包括相位控制电路，相位控制电路包括由压电材料制成的压电单元P1、变压器T1、电子换向开关S1、与门A1和信号发生器C1，变压器T1包括原边电感L1和副边电感L2。 [0020] 压电单元P1的第一电极和第二电极通过换向电子开关S1接变压器T1的原边电感L1的第一输入端和第二输入端，具体的，压电单元P1的第一电极串联电阻R1接电子换向开关S1的第一输入端(引脚1)，电阻R1与电子换向开关S1的第一输入端之间的节点接地，压电单元P1的第二电极接电子换向开关S1的第二输入端(引脚3)，电子换向开关S1的第一输出端(引脚2)接原边电感L1的第一输入端，电子换向开关S1的第二输出端(引脚4)接原边电感L1的第二输入端，电子换向开关S1的控制端(引脚5)接与门A1的输出端(引脚3)，当与门A1的输出端输出高电平时，电子换向开关S1的引脚1与引脚2导通，引脚3与引脚4导通；当与门A1的输出端输出低电平时，电子换向开关S1的引脚1与引脚4导通，引脚3与引脚2导通，从而将压电单元P1的第一电极和第二电极分别与原边电感L1的第一输入端和第二输入端进行换向。 [0021] 本具体实施例中，电子换向开关S1采用4个双向晶闸管VT1‑VT4和1个非门O1构成，具体电路如图2所示，但并不以此为限。 [0022] 信号发生器C1用于输出高频信号(交变信号)且该高频信号的频率与该相位控制电路的固有频率相同，与门A1的二输入端(引脚2和引脚1)分别接信号发生器C1的输出端和压电单元P1的第一电极。信号发生器C1可采用航臣MAX038CPP高频精密函数信号发生器来实现，但并不限于此。 [0023] 本具体实施例中，压电单元P1为压电膜，压电单元P1可以采用压电陶瓷、压电聚合物等压电材料制成。 [0024] 在实际应用中，输出的电压值往往不能太高，为此，本实施例采用变压器T1来降低输出电压，变压器T1的副边电感L2的两端O1和O2作为该高效压电能量转换器的输出端用于输出电能，副边电感L2的电感值一般都比原边电感L1的电感值要小很多。 [0025] 压电单元P1在振动荷载作用下，在其两端的第一电极和第二电极上产生电荷。在振动荷载作用下，压电单元P1的第一电极和第二电极上的电荷也是随时间在振荡的。因此，在与原边电感L1相连的回路中会有电流产生，压电单元P1输出的电功率等于原边电感L1两端的电压与流经其的电流的乘积。压电单元P1的压电常数一般较低，提高电流非常困难。因此，本发明通过提高原边电感L1两端的电压值来获得较大的输出电功率，为提高原边电感L1两端的电压，有两种方法：(1)增大原边电感L1的电感值；(2)提高电流(压)的振荡频率。由于受到材料、尺寸及成本等因素的限制，原边电感L1的电感值不可能无限制地提高。因此，本发明通过提高电流(压)的振荡频率来提高输出电功率。 [0026] 为在较低频率的振动荷载作用下产生高频振荡电流(压)，本发明采用信号发生器C1产生高频信号，并将高频信号与压电单元P1的第一电极的压电信号接到与门A1的二输入端(引脚2和引脚1)，与门A1的输出端(引脚3)接电子换向开关S1的控制端(引脚5)，当与门A1的引脚1和引脚2的电压同为正(或负)时，与门A1的引脚3输出5V电压，电子换向开关S1的引脚1与引脚2导通，引脚3与引脚4导通；当与门A1的1引脚和2引脚的电压不同时为正(或负)时，与门A1的引脚3输出0V电压，电子换向开关S1的引脚1与引脚4导通，引脚3与引脚2导通，从而进行换向输入。 [0027] 当信号发生器C1产生的高频信号的频率与该相位控制电路的的固有频率相同时(共振)，原边电感L1两端的电压最终将与信号发生器C1产生的高频信号具有相同的相位和频率。在共振状态下，压电单元P1所有时刻都在做正功，其输出的电功率也将达到最大值。该相位控制电路的固有频率与原边电感L1、副边电感L2和压电单元P1的面积、厚度和介电常数有关。当电路制作好后，它的固有频率是固定的，可以通过理论公式计算出来，此为非常成熟的现有技术，不再细说。由于该相位控制电路的固有频率值一般都远高于如波浪运动这样的低频振动的频率值，在共振状态下压电单元P1的低频振动能量就能转化为电路的高频振荡能量。从而达到提高原边电感L1两端的电压和输出电功率的目的，从而提高低频振动的压电能量转换效果，且电路结构简单，易于实现。 [0028] 一般的，根据理论公式计算出的该相位控制电路的固有频率和实际的该相位控制电路的固有频率会有一些误差，因此可以在理论值附近调节信号发生器C1产生的高频信号的频率，并测量该高效压电能量转换器的输出功率，找到输出功率最大时所对应的频率，就是该相位控制电路的的固有频率，将该固有频率设定为信号发生器C1的输出频率，就能保证出厂后的该高效压电能量转换器工作在共振状态。 [0029] 实施例二 [0030] 如图3所示，本实施例与实施例一的主要区别在于：本具体实施例中，变压器T1的原边电感L1的电感值可调节。在保证信号发生器C1输出频率不变的情况下，通过调节原边电感L1的电感值可以改变该相位控制电路的固有频率，使其与信号发生器C1产生的高频信号具有相同的频率，从而实现作用在压电单元P1上的外振动载荷与该相位控制电路的共振，制造和使用过程更加灵活方便，可进一步提高能量转换效率。 [0031] 本具体实施例中，原边电感L1包括串联的固定电感L11和可调电感L12，易于实现，但并不限于此，在一些实施例中，原边电感L1也可以直接采用一个可调电感等来实现。 [0032] 本实施例的工作原理与实施例一相同，具体可以参考实施例一，此不再细说。 [0033] 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈