從液壓波動收集壓電能量的系統(tǒng)及方法
【專利說明】從液壓波動收集壓電能量的系統(tǒng)及方法 巧001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 根據(jù)《美國法典》第35篇第119(e)條的規(guī)定，本申請主張享有于2013年6月6日提交 的、名為"從液壓波動收集壓電能量"的美國臨時申請No.61/831,875的權(quán)益，前述申請的全 部內(nèi)容和實質(zhì)通過引用整體地結(jié)合于本文中，全部如下。
【背景技術(shù)】
[0003]從低能量密度的來源，如風(fēng)端流與結(jié)構(gòu)振動來收集能量一直是全球范圍內(nèi)的熱口 研究課題，并已投入了大量的工作。能量收集的典型應(yīng)用是為傳感器W及無線通信節(jié)點供 電。
[0004]在液壓系統(tǒng)中，分布式傳感器是常見的，在液壓行業(yè)內(nèi)正在有效利用健康監(jiān)測系 統(tǒng)，且在加工業(yè)中，遠(yuǎn)程傳感和監(jiān)控是常見的。而發(fā)展到目前為止，常見的能源探測收集技 術(shù)(例如，風(fēng)端流與結(jié)構(gòu)振動）已經(jīng)應(yīng)用到能量密度相對較低的能量來源，W及相比之下代 表相對較高的能量密度來源的液壓波動（即液壓系統(tǒng)中的壓力波動）中。然而，受累作用，存 在于大多數(shù)液壓系統(tǒng)或任何流體系統(tǒng)中的壓力波動通常被視為會干擾或損害系統(tǒng)性能，所 述壓力波動也可代表能量收集的動力源。
[000引因此，長期W來一直需求一種從存在于液壓或其它流體系統(tǒng)中的壓力波動來收集 能量的系統(tǒng)或方法，但尚未得到解決。 巧006]發(fā)明概述
[0007] 簡要地說，根據(jù)一實施方式，本發(fā)明的各方面主要設(shè)及用于從液壓波動中收集壓 電能量的系統(tǒng)及方法。
[0008]在本發(fā)明的一些實施方式中，系統(tǒng)包括殼體、與流體系統(tǒng)的壓力波動流體連通并 被配置為產(chǎn)生壓電電壓W及相關(guān)壓電電流W響應(yīng)壓力波動特性的壓電堆疊，其中，所述壓 電堆疊設(shè)置在所述殼體中，且調(diào)節(jié)電路與所述壓電堆疊電連通并被配置成將所述壓電電流 轉(zhuǎn)換成直流電壓。
[0009]在本發(fā)明的其它實施方式中，系統(tǒng)包括外殼，其包括設(shè)置在第一末端和第二末端 之間的主體。所述系統(tǒng)還包括多層壓電堆疊，其包括多個并聯(lián)的軸向極化壓電層W及頂表 面和底表面，其中，所述壓電堆疊設(shè)置在所述外殼的主體內(nèi)，且所述壓電堆被配置成產(chǎn)生壓 電電壓W響應(yīng)壓力波動特性。此外，所述系統(tǒng)包括含有頂表面和底表面的界面，其中，所述 界面的底表面與流體系統(tǒng)的壓力波動流體連通，而所述界面的頂表面則與壓電堆的底表面 機械連通，其中，所述界面被配置為向所述壓電堆傳送壓力波動特性。最后，所述系統(tǒng)包括 調(diào)節(jié)電路，其中，所述壓電堆疊通過所述調(diào)節(jié)電路進行分流，且所述調(diào)節(jié)電路被配置成將所 述壓電電流轉(zhuǎn)換成直流電壓，其中，所述壓電電流與所述壓電電壓相關(guān)聯(lián)，且所述壓電電流 從壓電堆疊流入調(diào)節(jié)電路。
[0010] 在本發(fā)明的其它實施方式中，方法包括:在界面接收壓力波動特性，其中，所述界 面與壓電堆疊機械連接。所述方法還包括:響應(yīng)于在界面接收的壓力波動特性，經(jīng)由壓電堆 疊產(chǎn)生壓電電壓和相關(guān)的壓電電流，其中，所述壓電堆疊通過調(diào)節(jié)電路分流。所述方法還包 括:通過所述調(diào)節(jié)電路生成直流電壓，其中，與所述壓電電壓相關(guān)的壓電電流從壓電堆疊流 入調(diào)節(jié)電路。
[0011] 通過下文中結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的運些和其它 方面、特征W及效果將變得更為明顯，但是，在不脫離本發(fā)明的新理念的精神和范圍的前提 下，可進行其它修改和變化。
【附圖說明】
[0012] 附圖示出了本發(fā)明的一種或多種實施方式，并且與說明書一起用于解釋本發(fā)明的 原理。盡可能地，附圖中所使用的相同的附圖標(biāo)記用來表示實施方式中相同或相似的元件； 并且其中：
[0013] 圖1根據(jù)一示例性實施方式，示出了W毫瓦每平方厘米測量的由軸向柱塞累W 270化驅(qū)動的液壓系統(tǒng)的壓力波動傳送的每單位面積的功率；
[0014] 圖2根據(jù)一示例性實施方式，示出了W毫瓦測量的、在具有不同直徑的軟管中的由 軸向柱塞累W270HZ驅(qū)動的液壓系統(tǒng)的壓力波動傳送的實際功率；
[0015] 圖3根據(jù)一示例性實施方式，示出了安裝在流體管道系統(tǒng)上的液壓能量收集器 化陽H)的示意圖；
[0016]圖4根據(jù)一示例性實施方式，示出了HPEP400的結(jié)構(gòu)分解圖；
[0017]圖5根據(jù)一示例性實施方式，示出了HPEH500的結(jié)構(gòu)分解圖；
[0018] 圖6A根據(jù)一示例性實施方式，示出了HPEP600的結(jié)構(gòu)分解圖；
[0019] 圖6B根據(jù)一示例性實施方式，示出了HPEP600的剖視圖；
[0020] 圖7A根據(jù)一示例性實施方式示出了一導(dǎo)管，其被配置成容置一個或多個可插入 HPEP，從而使得一個或多個可插入HP聞1可通過軟管或管道的外壁旋入到軟管或管道中；
[0021] 圖7B根據(jù)一示例性實施方式，示出了具有調(diào)節(jié)電路750并被配置成通過導(dǎo)管的外 壁旋入到導(dǎo)管中的可插入HPEH730的電路示意圖；
[0022] 圖7C根據(jù)一示例性實施方式，示出了具有調(diào)節(jié)電路的HP邸的半剖面圖；
[0023] 圖8A根據(jù)一示例性實施方式示出了一導(dǎo)管，其被配置成容置一個或多個冊EH，從 而使得一個或多個HPEH可通過導(dǎo)管的內(nèi)壁旋入到導(dǎo)管中；
[0024] 圖8B根據(jù)一示例性實施方式，示出了具有調(diào)節(jié)電路并被配置成通過導(dǎo)管的內(nèi)壁旋 入到導(dǎo)管中的可插入H陽冊30的電路示意圖；
[0025] 圖9根據(jù)一示例性實施方式，示出了被構(gòu)造成環(huán)形并被設(shè)置在導(dǎo)管中的H陽H900;
[0026] 圖IOA根據(jù)一示例性實施方式，示出了具有可調(diào)節(jié)電路并被構(gòu)造成環(huán)形，即軸向極 化的HPEH920的半剖面圖；
[0027] 圖IOB根據(jù)一示例性實施方式，示出了具有可調(diào)節(jié)電路并被構(gòu)造成環(huán)形，即軸向極 化的HPEH920的半剖面圖；
[0028] 圖IlA根據(jù)一示例性實施方式，示出了通過外部電路分流的壓電材料1105的示意 圖；
[0029] 圖IlB根據(jù)一示例性實施方式，示出了如圖IlA所示的組合系統(tǒng)的等效電路模型的 示意圖；
[0030] 圖12A根據(jù)一示例性實施方式，示出了壓電材料在力作用下的電壓源模型1210的 示意圖；
[0031] 圖12B根據(jù)一示例性實施方式，示出了壓電材料在力作用下的電流源模型1220的 示意圖；
[0032]圖13根據(jù)一示例性實施方式，示出了含有與壓電設(shè)備130并聯(lián)的分流器1310的模 型電路1300的示意圖；
[0033]圖14根據(jù)一示例性實施方式，示出了含有與阻抗并聯(lián)的能量收集器組件的模型電 路1400的示意圖；
[0034] 圖15根據(jù)一示例性實施方式，示出了含有與理想電阻1520并聯(lián)的理想電阻1510的 模型電路1500的示意圖；
[00巧]圖16根據(jù)一示例性實施方式，示出了用于通過理想電阻1610和理想電感1620分流 的理想壓電元件的功率分析的模型電路1600的示意圖；
[0036]圖17根據(jù)一示例性實施方式，示出了用于通過理想電阻1710和具有電阻1730的理 想電感1720分流的理想壓電元件的功率分析的模型電路1700的示意圖；
[0037] 圖18A根據(jù)一示例性實施方式，示出了W電阻負(fù)載1820終結(jié)的多層壓電堆疊1810 的示意圖；
[0038]圖18B根據(jù)一示例性實施方式，示出了與圖18A中的示意圖等效的電學(xué)模型1850的 示意圖，其中：圖18A中的壓電堆疊1810由與電容1870并聯(lián)的電源1860來體現(xiàn)；
[0039]圖19A根據(jù)一示例性實施方式，示出了W負(fù)載阻抗1920終結(jié)的壓電堆疊1910的示 意圖；
[0040]圖19B根據(jù)一示例性實施方式，示出了與圖19A中所示等效的電學(xué)模型1950的示意 圖，其中：圖19A中的壓電堆疊1910由與電容1970、阻抗1980、W及電感1990并聯(lián)的電源1960 來體現(xiàn)；
[0041]圖20根據(jù)一示例性實施方式，示出了被配置成能使液壓2015被施加到一有效的流 體接觸區(qū)域2020上的HP邸2010的示意圖；
[0042]圖21根據(jù)一示例性實施方式，示出了在諧波液壓波動為270Hz和由PZT-5A制成的 棱柱型壓電插入件的條件下，壓力波動和壓電材料體積的各種組合的歸一化功率輸出的等 值線；
[0043] 圖22示出了恒定PZT體積的壓力波動和頻率的不同組合的恒定功率輸出等值線；
[0044] 圖23示出了 270Hz的壓力波動和PZT-5A體積的不同組合的恒定壓電值的等值線。
【具體實施方式】
[0045] 在對本發(fā)明進行詳細(xì)描述前，先提供下列符號定義W幫助理解本發(fā)明的系統(tǒng)和方 法的主題和術(shù)語。運些符號假定采用33-極化壓電材料，盡管在其它實施方式中，也可采用 其它各種壓電材料。此外，任何符號定義或其它術(shù)語是示例性的，并不用于限定權(quán)利要求書 中所述的系統(tǒng)及方法的各方面。術(shù)語無論是否大寫都不應(yīng)視為對術(shù)語的含義的限制或限 定。如本文中所使用的，大寫形式的術(shù)語應(yīng)當(dāng)與小寫形式的術(shù)語具有相同的含義，除非上下 文中明確表示該大寫術(shù)語的使用具有更限制性的意思。但是，在本文中的其它部分，術(shù)語是 否大寫并不旨在一定是限制性的，除非上下文中明確地表明了為了限制。
[0046]符號定義
[0047] k33:機電禪合系數(shù)；
[004引 =短路壓電致動器或堆疊的彈性模量；
[0049] 卻)=E某(1-A去）j開路壓電致動器或堆疊的彈性模量；
[0050]E/fI分流片的彈性模量，允許復(fù)數(shù)值；
[0051] =寫/+/巧I分流壓電致動器或堆疊的復(fù)數(shù)模量.
[0052] Ed:動態(tài)模量；
[0053] Ei:損耗模量
[0054] 二與?/鳴.無量綱動態(tài)模量(剛度；)；
[0055] //二與/崎,無量綱損耗模量；
[0056]Cj=恒定應(yīng)力下的固有壓電致動器或堆疊電容；
[0057] 巧二巧(1-磕).恒定應(yīng)變下的壓電致動器或堆疊電容；
[0058] Zsu:通過壓電致動器或堆疊的分流電路的阻抗；
[0059] ZD:壓電致動器或堆疊的開路電路阻抗；
[0060]ZE^與壓電致動器或堆疊并聯(lián)的分流電路的阻抗。
[0061 ] 概述
[0062]為促進對本發(fā)明的原理進行理解的目的，現(xiàn)參考附圖中所示的實施方式并結(jié)合具 體的語言對其進行描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，其意圖并不在于限定本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域 技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明所公開的內(nèi)容對所描述和所示的實施方式進行任何變化或其它修 改，W及其它應(yīng)用。本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由權(quán)利要求所描述及表達的內(nèi)容所限定。
[0063]本發(fā)明的內(nèi)容主要設(shè)及用于從大多數(shù)液壓系統(tǒng)或任何流體系統(tǒng)中受累作用產(chǎn)生 的壓力波動中收集能量的系統(tǒng)及方法。如將要討論的，壓力波動中存在有效的能量，其可通 過本發(fā)明的系統(tǒng)及方法將壓力轉(zhuǎn)換為電能。例如，許多液壓系統(tǒng)利用健康監(jiān)控傳感器，其智 能地監(jiān)測含有軟管組件的系統(tǒng)的完整性，并在軟管應(yīng)當(dāng)更換時提供通知。然而，此類系統(tǒng)， 通常需要外部電源(如，電池、電線等）。在一實施方式中，本發(fā)明的系統(tǒng)及方法可集成到此 類健康監(jiān)控系統(tǒng)中，從而省略了外部電源的需求，進而減少總體維修接觸并消除潛在故障 點。
[0064]圖1示出了W毫瓦每平方厘米(mW/cm2)測量的、由軸向柱塞累W270Hz驅(qū)動的液壓