旋轉壓電發電裝置的製作方法
2023-09-20 07:11:10 2
專利名稱：旋轉壓電發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明是ー種旋轉壓電發電裝置，屬於微能源技術領域，特別適合收集環境中變化的轉動機械能。
背景技術：
利用自然界的風能和水能等各種振動能量進行發電，為各種微系統供電，符合當今節能、環保、低碳的發展趨勢。在各種能量採集方式中，使用壓電材料進行能量收集更加適合於環境振動能的低頻、隨機變化特點。壓電懸臂梁發電性能與壓電陶瓷的應變和振動頻率成正比。美國的Priya發明了ー個新穎風車式風能吸收裝置(US2010/0052324A1)。它包括風扇、凸輪和由12個雙晶片構成的能量收集器。風帶動風扇轉動，風扇用凸輪撥動每個雙晶片振動，從而獲得能量。壓電雙晶片的諧振頻率為6Hz，當選擇合適風速時，最大輸出功率為10. 2mW。但該方案存在以下缺點1、使用接觸方式傳遞能量，造成機械能損失和降低使用壽命。2、風速較低時，凸輪與雙晶片不會脫離，此時不會發電。Rastegar和Murry提出使用永磁力傳遞非接觸衝擊,避免了機械接觸帶來的弊端，提高了壓電懸臂梁對低頻激振的響應頻率，但雙晶片在受到非接觸衝擊力作用時，響應振幅不斷衰減。褚金奎提出將雙晶片置於永磁力下，使其處於雙穩態能量狀態，以在隨機、多頻率的振動環境下提高發電能力(CN102332843)。但該裝置雙晶片陣列的銅梁的延展方向沿著旋轉軸的軸向設置，造成永磁鐵對雙晶片的衝擊カ與其振動方向垂直，軸轉動的能量不能有效地轉化為壓電雙晶梁的振動能，降低了カ傳遞效果，而且系統比較龐大；同時該裝置採用壓電雙晶片-激勵輪-壓電雙晶片的結構形式，只具備ー個激勵輪，降低了旋轉軸的效率轉換。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供ー種旋轉壓電發電裝置，該旋轉壓電裝置採用激勵輪-壓電雙晶梁陣列-激勵輪的夾心結構，且兩激勵輪上的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設置，使得本發明在旋轉軸的旋轉帶動下，兩個激勵輪交替地對壓電雙晶梁陣列的壓電雙晶梁產生斥力，使其產生較高頻率且較大的強迫變形，從而更加有效地利用到了轉軸的轉動能量，解決了該對比文件中能量轉換效率較低的問題。為實現以上的技術目的，本發明將採取以下的技術方案
ー種旋轉壓電發電裝置，包括旋轉軸以及分別安裝在旋轉軸上的激勵輪、壓電雙晶梁 陣列，所述激勵輪包括前激勵輪、後激勵輪，前激勵輪、後激勵輪均與旋轉軸剛性連接，而壓電雙晶梁陣列置於前激勵輪和後激勵輪之間；所述前激勵輪和後激勵輪均包括輪盤以及複數個周向均布在輪盤盤面上的激勵永磁鐵塊，且前激勵輪的激勵永磁鐵塊與後激勵輪的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設置；所述壓電雙晶梁陣列包括輪轂以及周向均布在輪轂外圓的複數個壓電雙晶梁，輪轂與旋轉軸配合連接，每ー個壓電雙晶梁均包括懸臂梁，該懸臂梁的一端與輪轂固定連接，另一端懸臂設置，且懸臂梁的梁體上分別安裝壓電陶瓷片以及壓電梁永磁鐵塊，該壓電梁永磁鐵塊能夠分別與前激勵輪、後激勵輪的激勵永磁鐵塊之間形成永磁排斥力，所述壓電陶瓷片設置有與負載連接的引出導線。所述懸臂梁的懸臂端延展方向與旋轉軸的軸向相垂直。所述壓電梁永磁鐵塊為ー個，該壓電梁永磁鐵塊的兩磁極均露出懸臂梁後分別面向前激勵輪和後激勵輪設置。所述壓電梁永磁鐵塊為兩個，分別安裝在懸臂梁梁體兩個側面上，且每ー個壓電梁永磁鐵塊的其中一個磁極均面向ー個激勵輪設置，該磁極與相面對激勵輪上永磁鐵塊的磁極極性相同。所述壓電梁永磁鐵塊鄰近懸臂梁的懸臂端設置，而壓電陶瓷片安裝在壓電梁永磁鐵塊與懸臂梁的固定端之間。根據以上的技術方案，可以實現以下的有益效果 I、本發明所述旋轉壓電發電裝置採用激勵輪-壓電雙晶梁陣列-激勵輪的夾心結構，且兩激勵輪上的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設置，因此，與對比文件US2010/0052324A1相比，本發明利用非接觸永磁力傳遞作用力，避免了機械衝擊導致能量損失和壽命降低缺陷；而與對比文件CN102332843相比，本發明通過旋轉軸的旋轉運動，帶動兩個激勵輪交替地對壓電雙晶梁陣列的壓電雙晶梁產生斥力，使其產生較高頻率且較大的強迫變形，從而更加有效地利用到了轉軸的轉動能量，解決了該對比文件中能量轉換效率較低的問題；另外，該結構形式能夠使得本發明即使在旋轉軸低速旋轉下也能發電，克服了現有技術的缺點。2、本發明將懸臂梁懸臂端沿旋轉軸的徑向延展，即懸臂梁的懸臂端延展方向與旋轉軸的軸向相垂直，因此，與對比文件CN102332843相比，使永磁斥力方向與梁的振動方向相同，進ー步提高了轉動能量向梁振動能量轉換的效率，有效地避免龐大的結構體系。3、利用壓電效應，從空氣或其他流體的運動中收集能量轉化為電能，是ー種小型風カ發電或水力發電裝置，可為戶外無線傳感網節點供電。
圖I是本發明所述旋轉壓電發電裝置的結構示意 圖2是圖I中激勵輪的結構示意 圖3是圖I中壓電雙晶梁陣列的結構示意 圖4是圖3中壓電雙晶梁的結構示意 圖I至圖4中前激勵輪I ;後激勵輪2 ;壓電雙晶梁陣列3 ;旋轉軸4 ;軸承5 ;激勵永磁鐵塊6 ;懸臂梁7 ;壓電陶瓷片8 ;引出導線9和10 ;負載11。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發明所涉及優選實施例的結構示意圖；以下將結合附圖詳細地說明本發明的技術方案。如圖I所示，本發明所述的旋轉壓電發電裝置，包括旋轉軸以及分別安裝在旋轉軸上的前激勵輪、壓電雙晶梁陣列以及後激勵輪，前激勵輪I和後激勵輪2將壓電雙晶梁陣列3夾在中間構成夾心式結構，三者間有一定間隙；前激勵輪I和後激勵輪2均與旋轉軸4剛性連接，而壓電雙晶梁陣列3通過軸承5與旋轉軸連接。當旋轉軸在風能等外力的驅動下下，帶動前激勵輪I和後激勵輪2同步旋轉吋，前激勵輪I與壓電雙晶梁陣列3之間存在的非接觸永磁排斥力、後激勵輪2與壓電雙晶梁陣列3之間存在的非接觸永磁排斥力皆能夠作用在壓電雙晶梁陣列3的壓電雙晶梁上，使得壓電雙晶梁產生強迫變形，從而產生電能。如圖2所示，本發明所述的前激勵輪和後激勵輪均包括輪盤以及若干個周向均布在輪盤盤面上的激勵永磁鐵塊，該激勵永磁鐵塊一般鄰近輪盤盤面的外圓四周均勻分布，且前激勵輪的激勵永磁鐵塊與後激勵輪的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設置，保證在旋轉軸的驅動下，前激勵輪與壓電雙晶梁陣列3之間存在的非接觸永磁排斥力、後激勵輪2與壓電雙晶梁陣列3之間存在的非接觸永磁排斥力交替地作用在壓電雙晶梁陣列3的壓電雙晶梁上。如圖3、圖4所示，本發明所述壓電雙晶梁陣列包括輪轂以及周向均布在輪轂外圓的複數個壓電雙晶梁，輪轂與旋轉軸配合連接，每ー個壓電雙晶梁均包括懸臂梁，該懸臂梁的一端與輪轂固定連接，另一端懸臂設置，且懸臂梁的懸臂端延展方向與旋轉軸的軸向相 垂直，使永磁斥力方向與梁的振動方向相同，提高了轉動能量向梁振動能量轉換的效率，同時減小了系統體積；所述懸臂梁的梁體上分別安裝壓電陶瓷片以及壓電梁永磁鐵塊，該壓電梁永磁鐵塊能夠分別與前激勵輪、後激勵輪的激勵永磁鐵塊之間形成永磁排斥力，所述壓電陶瓷片設置有與負載連接的引出導線；負載可以為發光二極體、無線傳感器、整流濾波電路、蓄電池、電容等；壓電梁永磁鐵塊可以為ー個，也可以為兩個；當壓電梁永磁鐵塊為ー個時，該壓電梁永磁鐵塊的兩磁極均露出懸臂梁後分別面向前激勵輪和後激勵輪設置；當壓電梁永磁鐵塊為兩個時，分別安裝在懸臂梁梁體的兩個側面上，且每ー個壓電梁永磁鐵塊的其中一個磁極均面向ー個激勵輪設置，該磁極與相面對激勵輪上永磁鐵塊的磁極極性相同。另外，本發明所述壓電梁永磁鐵塊鄰近懸臂梁的懸臂端設置，而壓電陶瓷片安裝在壓電梁永磁鐵塊與懸臂梁的固定端之間。由於風速的變化範圍較寬，可以將壓電雙晶梁的幾何尺寸設計成不一致，針對每種風速都有相匹配的發電性能最優的壓電雙晶梁，由此可在多種風速下都能獲得最優發電效果。
權利要求
1.ー種旋轉壓電發電裝置，包括旋轉軸以及分別安裝在旋轉軸上的激勵輪、壓電雙晶梁陣列，其特徵在幹所述激勵輪包括前激勵輪、後激勵輪，前激勵輪、後激勵輪均與旋轉軸剛性連接，而壓電雙晶梁陣列置於前激勵輪和後激勵輪之間；所述前激勵輪和後激勵輪均包括輪盤以及複數個周向均布在輪盤盤面上的激勵永磁鐵塊，且前激勵輪的激勵永磁鐵塊與後激勵輪的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設置；所述壓電雙晶梁陣列包括輪轂以及周向均布在輪轂外圓的複數個壓電雙晶梁，輪轂與旋轉軸配合連接，每ー個壓電雙晶梁均包括懸臂梁，該懸臂梁的一端與輪轂固定連接，另一端懸臂設置，且懸臂梁的梁體上分別安裝壓電陶瓷片以及壓電梁永磁鐵塊，該壓電梁永磁鐵塊能夠分別與前激勵輪、後激勵輪的激勵永磁鐵塊之間形成永磁排斥力，所述壓電陶瓷片設置有與負載連接的引出導線。
2.根據權利要求I所述旋轉壓電發電裝置，其特徵在於所述懸臂梁的懸臂端延展方向與旋轉軸的軸向相垂直。
3.根據權利要求I或2所述旋轉壓電發電裝置，其特徵在於所述壓電梁永磁鐵塊為ー個，該壓電梁永磁鐵塊的兩磁極均露出懸臂梁後分別面向前激勵輪和後激勵輪設置，且壓電梁永磁鐵塊與其相面對的輪盤上的激勵永磁鐵塊的磁極極性相同。
4.根據權利要求I或2所述旋轉壓電發電裝置，其特徵在於所述壓電梁永磁鐵塊為兩個，分別安裝在懸臂梁梁體的兩個側面上，且每ー個壓電梁永磁鐵塊的其中一個磁極均面向ー個激勵輪設置，該磁極與相面對激勵輪上永磁鐵塊的磁極極性相同。
5.根據權利要求I或2所述旋轉壓電發電裝置，其特徵在於所述壓電梁永磁鐵塊鄰近懸臂梁的懸臂端設置，而壓電陶瓷片安裝在壓電梁永磁鐵塊與懸臂梁的固定端之間。
全文摘要
本發明公開了一種旋轉壓電發電裝置，包括旋轉軸、前激勵輪、後激勵輪、壓電雙晶梁陣列，壓電雙晶梁陣列置於前激勵輪和後激勵輪之間；前激勵輪和後激勵輪均包括輪盤以及激勵永磁鐵塊，且前激勵輪的激勵永磁鐵塊與後激勵輪的激勵永磁鐵塊在空間上交錯設置；壓電雙晶梁陣列包括輪轂以及壓電雙晶梁，每一個壓電雙晶梁均包括懸臂梁，懸臂梁的梁體上分別安裝壓電陶瓷片以及壓電梁永磁鐵塊，該壓電梁永磁鐵塊能夠分別與前激勵輪、後激勵輪的激勵永磁鐵塊之間形成永磁排斥力。因此，本發明在旋轉軸的旋轉帶動下，兩個激勵輪交替地對壓電雙晶梁陣列的壓電雙晶梁產生斥力，使其產生較高頻率且較大的強迫變形，從而更加有效地利用到了轉軸的轉動能量。
文檔編號H02N2/18GK102723894SQ201210168880
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月28日 優先權日2012年5月28日
發明者李華峰, 胡俊輝 申請人:南京航空航天大學