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CN107359826B - 一种四边同步摆动双模式宽频发电装置 - Google Patents

一种四边同步摆动双模式宽频发电装置 Download PDF

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CN107359826B CN201710750235.6A CN201710750235A CN107359826B CN 107359826 B CN107359826 B CN 107359826B CN 201710750235 A CN201710750235 A CN 201710750235A CN 107359826 B CN107359826 B CN 107359826B
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Abstract

本发明公开了一种四边同步摆动双模式宽频发电装置，由固定机架、压电梁摆动机构和电磁感应发电装置组成。在较小空间内安装四组压电直梁以及压电L型梁，充分利用了有限的工作空间，缩小了工作面积，符合微机电系统的发展。压电L型梁由水平梁和竖直梁组成，实现两个方向的振动，使压电悬臂梁的动力学行为更丰富，提高系统的发电效率。压电直梁与压电L型梁的两部分长度不同，有效地采集不同摆动频率的能量，拓宽了有效工作频宽。相邻的压电直梁、压电L型梁与电磁感应发电装置组成了四组双模式压电电磁复合发电结构，有效地提高了发电性能，本发明可以采集环境中以转动形式输入的能量，现可应用在风力发电，水力发电和自行车自供电等领域。

Description

一种四边同步摆动双模式宽频发电装置
技术领域
本发明涉及一种四边同步摆动双模式宽频发电装置，可以有效地采集环境中以转动形式输入的能量。本发明属于压电发电及可再生环保新能源领域。
背景技术
随着各种新型无线低功耗元件的出现以及人们对于生存环境的逐渐重视，利用能量采集技术将周围环境中的能量转化为电能存储起来，并且将电能供给低功耗器件的新型能量采集器成为了研究热点。目前，常用的能量采集方式有电磁式和压电式，两种采集方式均为绿色新能源。两种采集方式相结合将外界振动的能量转化为电能，能够提高能量采集的效率，并且对环境无污染。本发明提出了一种新型压电式与电磁式结合的发电装置，可以将环境中的能量以转动的形式输入，通过曲柄摇杆机构转换为摆动形式的输出，使压电悬臂梁振动发生形变产生电能。同时，压电悬臂梁的振动会带动电磁感应线圈中的磁铁运动，穿过线圈的磁通量不断变化，从而产生感应电动势。本发明通过新型的布局方式，缩小了工作空间，符合微机电系统的发展。压电悬臂梁结构及其合理的布局方式可以拓宽系统的有效工作频宽，两种能量采集方式相结合，有效地提高了系统的发电量。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种四边同步摆动双模式宽频发电装置，该装置的四组压电式与电磁式发电相结合，提高了发电能力。结构的布局充分利用了有限的工作空间，符合微机电的发展。目前，绝大多数压电能量采集器是利用环境中振动的能量进行发电，本发明提出了一种利用环境中转动的能量进行发电的能量采集器。在较小的工作空间内引入四组压电悬臂梁发电装置和四组电磁感应发电装置。压电式发电与电磁式发电相结合，有效地提高了系统的发电效果。通过曲柄摇杆机构2将输入端的转动形式转换为摆动形式。当输入端高速旋转时，四组齿轮轴3做高频摆动，从而使压电悬臂梁做高频摆动，压电梁发生形变，从而利用压电材料的正压电效应进行发电。压电悬臂梁摆动到水平位置时，弹簧末端磁铁21受到直梁末端磁铁26和L梁磁铁a27的排斥作用，进行往复伸缩运动，穿过线圈18的磁通量发生变化，产生感应电动势。本发明可以应用在风力发电，水力发电和自行车自供电等能量以转动形式输入的领域。当输入端的转速较高时，压电悬臂梁做高频的大幅值摆动，有效地提高了能量采集的效率。当输入端的转速较低时，由于直梁末端磁铁26、L梁磁铁a27、L梁磁铁b28与弹簧末端磁铁21和中心磁铁22之间相互排斥，压电梁同样有较大的形变，并且PZT压电梁的机电耦合系数较高，依然会保持相对较好的发电效果。
为了实现上述技术目的，本发明采取的技术方案是：一种四边同步摆动双模式宽频发电装置，该装置由固定机架、压电梁摆动机构和电磁感应发电装置7构成。
所述固定机架由底座1、升降支撑架29、电磁感应发电装置支撑架12和中心磁铁固定平台30构成。
所述升降支撑架29由支撑齿轮轴3和支撑输入轴31两部分构成，支撑齿轮轴3由升降平台10和底部平台连接件11构成，底部平台连接件11分别安装在底座1的四个边角处。升降平台10通过螺栓固定在底部平台连接件11上。升降平台10和底部平台连接件11上均有第一通槽，通过第一通槽调节升降平台10与底座1和升降平台10与中心磁铁22之间的距离，以便安装不同尺寸的压电悬臂梁和调节压电悬臂梁的摆动幅度。支撑输入轴31由转动轴支撑平台13和转动轴升降平台14构成，转动轴支撑平台13通过螺栓固定在转动轴升降平台14上。转动轴支撑平台13和转动轴升降平台14上均有第二通槽，通过第二通槽调节转动轴升降平台14与底座1之间的距离。
底部平台连接件11与底座1之间以及转动轴支撑平台13与底座1之间均由螺栓固定。
升降平台10、转动轴升降平台14与轴承9之间均由螺栓连接。
所述电磁感应发电装置支撑架12由套筒压片15、套筒升降支架16和电磁感应发电装置固定支架17构成。电磁感应发电装置固定支架17与底座1之间由螺栓固定。套筒升降支架16和电磁感应发电装置固定支架17均有第三通槽并且由螺栓连接固定，套筒升降支架16可以在电磁感应发电装置固定支架17上滑动，保持弹簧末端磁铁21与直梁末端磁铁26和L梁磁铁a27的高度相同。套筒升降支架16与套筒压片15之间由螺栓连接并夹紧套筒19。
所述中心磁铁固定平台30与底座1之间由螺栓固定。通过增加垫片调节中心磁铁22的高度。压电梁摆动机构由曲柄摇杆机构2、压电梁组件、轴承9以及齿轮组件构成。所述的曲柄摇杆机构2由曲柄32、连杆33和摇杆34构成。曲柄32与齿轮轴3连接，摇杆34与输入轴31连接，曲柄32与连杆33的一端以及连杆33的另一端和摇杆34均由螺栓和螺栓套筒35连接。曲柄摇杆机构2将输入轴31的转动转化为齿轮轴3的摆动，从而使压电悬臂梁振动发电。所述压电梁组件由压电梁夹具、直压电梁6、L型压电梁5和永久磁铁构成。所述压电梁夹具由压电梁夹具上夹板23、压电梁夹具下夹板24和压电梁夹片25构成。所述压电梁夹具上夹板23和压电梁夹具下夹板24由螺栓连接并固定在齿轮轴3上，压电梁夹具上夹板23和压电梁夹具下夹板24能够和齿轮轴3一起摆动。压电梁夹片25与压电梁夹具下夹板24之间由螺栓连接，用来夹持压电悬臂梁。所述永久磁铁包括直梁末端磁铁26、L梁磁铁a27和L梁磁铁b28。永久磁铁与压电悬臂梁粘接在一起，降低压电悬臂梁的固有频率并且增大压电悬臂梁的振幅，提高系统的发电能力。所述轴承9连接齿轮轴3与输入轴31，有效地减小齿轮轴3与输入轴31转动时的阻力，减少能量损耗。轴承9与升降平台10和转动轴升降平台14之间由螺栓连接。所述齿轮组件由齿轮轴3和锥齿轮4构成。齿轮轴3与锥齿轮4之间由键连接，齿轮轴3通过轴承9安装在升降平台10上。与曲柄32连接的四个齿轮轴3均随曲柄32摆动。所述电磁感应发电装置7由线圈18、套筒19、弹簧20和弹簧末端磁铁21构成。套筒19通过套筒压片15固定在套筒升降支架16上。弹簧20的中间部位固定在套筒19的内壁。弹簧末端磁铁21与弹簧20的两末端粘接固定。弹簧末端磁铁21受到直梁末端磁铁26和L梁磁铁a27的排斥作用，在套筒19内部做往复运动，穿过线圈18的磁通量不断变化，从而产生感应电动势。
所述的L型压电梁5和直压电梁6的基层材料为黄铜，压电层材料为PZT。
每个压电悬臂梁振动产生的电能均通过两个导线引出，一根导线接黄铜层，另一根导线接PZT压电层。
所述线圈18为铜漆包线。
目前的压电悬臂梁发电技术中，绝大部分都是通过利用环境中的振动发电，与现有技术相比较，该发明可以采集环境中以转动形式输入的能量。该发明在较小的工作空间内引入四组压电电磁复合发电结构，采取创新型的布局方式，充分利用了有限的工作空间，符合微机电技术的发展趋势。该发明采用压电式与电磁式发电技术相结合的工作方式，提高了结构的发电能力。直压电梁6与L型压电梁5的长度不同，可以有效地采集不同摆动频率的能量，拓宽了有效工作频宽。
附图说明
图1是本发明中一种四边同步摆动双模式宽频发电装置的整体结构示意图以及俯视图；
图2是本发明中固定机架的结构示意图；
图3是本发明中升降支撑架的结构示意图；
图4是本发明中电磁感应发电装置及其支撑架的结构示意图；
图5是本发明中压电梁摆动机构的结构示意图；
图6是本发明中一种四边同步摆动双模式宽频发电装置的部分结构示意图；
图7是本发明中直压电梁组件的结构示意图；
图8是本发明中L型压电梁组件的结构示意图；
图9是本发明中一种四边同步摆动双模式宽频发电装置摆动到水平位置上方的整体结构示意图；
图10是本发明中一种四边同步摆动双模式宽频发电装置摆动到水平位置下方的整体结构示意图；
图11是本发明中一种四边同步摆动双模式宽频发电装置正视图；
图12是本发明中一种四边同步摆动双模式宽频发电装置右视图。
图中：1-底座，2-曲柄摇杆机构，3-齿轮轴，4-锥齿轮，5-L型压电梁，6-直压电梁，7-电磁感应发电装置，8-压电梁夹具，9-轴承，10-升降平台，11-底部平台连接件，12-电磁感应发电装置支撑架，13-转动轴支撑平台，14-转动轴升降平台，15-套筒压片，16-套筒升降支架，17-电磁感应发电装置固定支架，18-线圈，19-套筒，20-弹簧，21-弹簧末端磁铁，22-中心磁铁，23-压电梁夹具上夹板，24-压电梁夹具下夹板，25-压电梁夹片，26-直梁末端磁铁，27-L梁磁铁a，28-L梁磁铁b，29-升降支撑架，30-中心磁铁固定平台，31-输入轴，32-曲柄，33-连杆，34-摇杆，35-连杆套筒。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1至图12所示，本发明为一种四边同步摆动双模式宽频发电装置，该装置由固定机架、压电梁摆动机构和电磁感应发电装置7构成。该发明结合压电式与电磁式发电方式，将环境中转动的能量转换为压电悬臂梁的摆动，当压电悬臂梁做高频摆动时，压电梁发生形变，利用正压电效应进行发电。由于直压电梁末端磁铁26、L梁磁铁a27与弹簧末端磁铁21相互排斥，压电悬臂梁的摆动使得弹簧末端磁铁21在套筒19内部做往复运动，穿过线圈18的磁通量发生变化，从而产生感应电动势进行发电。
所述的固定机架由底座1、升降支撑架29、电磁感应发电装置支撑架12和中心磁铁固定平台30构成。其中，所述的升降支撑架29由两部分构成，支撑齿轮轴3的部分由升降平台10和底部平台连接件11构成，分别安装在底座1的四个边角上。升降平台10和底部平台连接件11之间由螺栓固定。升降平台10和底部平台连接件11均有通槽，可以调节升降平台10与底座1和中心磁铁22之间的距离，以便安装不同尺寸的压电悬臂梁和调节压电悬臂梁的摆动幅度。支撑输入轴31的部分由转动轴支撑平台13和转动轴升降平台14构成，转动轴支撑平台13和转动轴升降平台14由螺栓固定。转动轴支撑平台13和转动轴升降平台14均有通槽，可以调节转动轴升降平台14与底座1之间的距离。底部平台连接件11、转动轴支撑平台13与底座1之间均由螺栓固定。升降平台10、转动轴升降平台14与轴承9之间均由螺栓连接。所述的电磁感应发电装置支撑架12由套筒压片15、套筒升降支架16和电磁感应发电装置固定支架17构成。电磁感应发电装置固定支架17与底座1之间由螺栓固定。套筒升降支架16和电磁感应发电装置固定支架17均有通槽并且由螺栓连接固定，套筒升降支架16可以在电磁感应发电装置固定支架17上滑动，保持弹簧末端磁铁21与直梁末端磁铁26和L梁磁铁a27的高度相同。套筒升降支架16与套筒压片15之间由螺栓连接并夹紧套筒19。所述的中心磁铁固定平台30与底座1之间由螺栓固定。通过增加垫片调节中心磁铁22的高度。
所述的压电梁摆动机构由曲柄摇杆机构2、压电梁组件、轴承9以及齿轮组件构成。所述的曲柄摇杆机构2由曲柄32、连杆33和摇杆34构成。曲柄32与齿轮轴3由螺栓连接；摇杆34与输入轴31由螺栓连接；连杆33与曲柄32、摇杆34之间由螺栓和螺栓套筒35连接。曲柄摇杆机构2可以将输入轴31的转动转化为齿轮轴3的摆动，从而使压电悬臂梁振动发电。所述的压电梁组件由压电梁夹具、直压电梁6、L型压电梁5和永久磁铁构成。所述的压电梁夹具由压电梁夹具上夹板23、压电梁夹具下夹板24和压电梁夹片25构成。其中，所述的压电梁夹具上夹板23和压电梁夹具下夹板24由螺栓连接并固定在齿轮轴3上，可以和齿轮轴3一起摆动。压电梁夹片25与压电梁夹具下夹板24之间由螺栓连接，用来夹持压电悬臂梁。所述的L型压电梁5和直压电梁6的基层材料为黄铜，压电层材料为PZT。每个压电悬臂梁振动产生的电能均通过两个导线引出，一根导线接黄铜层，另一根导线接PZT压电层。所述的永久磁铁包括直梁末端磁铁26、L梁磁铁a27、L梁磁铁b28。永久磁铁与压电梁粘接在一起，降低压电悬臂梁的固有频率并且增大压电悬臂梁的振幅，提高了系统的发电能力。所述的轴承9连接齿轮轴3与输入轴31，可以有效地减小齿轮轴3与输入轴31转动时的阻力，减少能量损耗。轴承9与升降平台10和转动轴升降平台14之间由螺栓连接。所述的齿轮组件由齿轮轴3和锥齿轮4构成。齿轮轴3与锥齿轮4之间由键连接，齿轮轴3通过轴承9安装在升降平台10上。与曲柄32连接的四个齿轮轴3均随曲柄32摆动。
所述的电磁感应发电装置7由线圈18、套筒19、弹簧20和弹簧末端磁铁21构成。所述的线圈18为铜漆包线。套筒19通过套筒压片15固定在套筒升降支架16上。弹簧20的中间部位固定在套筒19的内壁。弹簧末端磁铁21与弹簧20的两末端粘接固定。弹簧末端磁铁21受到直梁末端磁铁26和L梁磁铁a27的排斥作用，在套筒19内部做往复运动，穿过线圈18的磁通量不断变化，产生感应电动势。
综上所述，本发明一种四边同步摆动双模式宽频发电装置采用合理的布局方式，缩小了工作空间，符合微机电技术的发展。该发明可以将环境中的能量以转动的形式输入，通过曲柄摇杆机构2转换为摆动形式的输出，相邻的直压电梁6、L型压电梁5与电磁感应发电装置7组成了四组双模式压电电磁复合发电结构，有效地提高了结构的发电性能。该发明并不需要外接电源，可应用在无线技术领域，为无线电子设备供电。该发明装置的输入轴31可以与自行车的轮轴连接，利用车轮轴的转动进行发电，为自行车的照明与定位等电子设备供能。该发明也可以应用在风力发电与水力发电等领域。该发明中的L型压电梁5由水平梁和竖直梁两部分组成，可以实现两个方向的振动，使压电悬臂梁摆动的动力学行为更为丰富而复杂，并且直压电梁6与L型压电梁5的两部分长度不同，可以有效地采集不同摆动频率的能量，拓宽有效工作频宽，提高系统的发电能力。

Claims (4)

1.一种四边同步摆动双模式宽频发电装置，其特征在于：该装置由固定机架、压电梁摆动机构和电磁感应发电装置(7)构成；
所述固定机架由底座(1)、升降支撑架(29)、电磁感应发电装置支撑架(12)和中心磁铁固定平台(30)构成；
所述升降支撑架(29)由齿轮轴(3)和输入轴(31)两部分构成，齿轮轴(3)由升降平台(10)和底部平台连接件(11)构成，底部平台连接件(11)分别安装在底座(1)的四个边角处；升降平台(10)通过螺栓固定在底部平台连接件(11)上；升降平台(10)和底部平台连接件(11)上均有第一通槽，通过第一通槽调节升降平台(10)与底座(1)和升降平台(10)与中心磁铁(22)之间的距离，以便安装不同尺寸的压电悬臂梁和调节压电悬臂梁的摆动幅度；输入轴(31)由转动轴支撑平台(13)和转动轴升降平台(14)构成，转动轴支撑平台(13)通过螺栓固定在转动轴升降平台(14)上；转动轴支撑平台(13)和转动轴升降平台(14)上均有第二通槽，通过第二通槽调节转动轴升降平台(14)与底座(1)之间的距离；
底部平台连接件(11)与底座(1)之间以及转动轴支撑平台(13)与底座(1)之间均由螺栓固定；
升降平台(10)、转动轴升降平台(14)与轴承(9)之间均由螺栓连接；
所述电磁感应发电装置支撑架(12)由套筒压片(15)、套筒升降支架(16)和电磁感应发电装置固定支架(17)构成；电磁感应发电装置固定支架(17)与底座(1)之间由螺栓固定；套筒升降支架(16)和电磁感应发电装置固定支架(17)均有第三通槽并且由螺栓连接固定，套筒升降支架(16)可以在电磁感应发电装置固定支架(17)上滑动，保持弹簧末端磁铁(21)与直梁末端磁铁(26)和L梁磁铁a(27)的高度相同；套筒升降支架(16)与套筒压片(15)之间由螺栓连接并夹紧套筒(19)；
所述中心磁铁固定平台(30)与底座(1)之间由螺栓固定；通过增加垫片调节中心磁铁(22)的高度；压电梁摆动机构由曲柄摇杆机构(2)、压电梁组件、轴承(9)以及齿轮组件构成；所述的曲柄摇杆机构(2)由曲柄(32)、连杆(33)和摇杆(34)构成；曲柄(32)与齿轮轴(3)连接，摇杆(34)与输入轴(31)连接，曲柄(32)与连杆(33)的一端以及连杆(33)的另一端和摇杆(34)均由螺栓和螺栓套筒(35)连接；曲柄摇杆机构(2)将输入轴(31)的转动转化为齿轮轴(3)的摆动，从而使压电悬臂梁振动发电；所述压电梁组件由压电梁夹具、直压电梁(6)、L型压电梁(5)和永久磁铁构成；所述压电梁夹具由压电梁夹具上夹板(23)、压电梁夹具下夹板(24)和压电梁夹片(25)构成；所述压电梁夹具上夹板(23)和压电梁夹具下夹板(24)由螺栓连接并固定在齿轮轴(3)上，压电梁夹具上夹板(23)和压电梁夹具下夹板(24)能够和齿轮轴(3)一起摆动；压电梁夹片(25)与压电梁夹具下夹板(24)之间由螺栓连接，用来夹持压电悬臂梁；所述永久磁铁包括直梁末端磁铁(26)、L梁磁铁a(27)和L梁磁铁b(28)；永久磁铁与压电悬臂梁粘接在一起，降低压电悬臂梁的固有频率并且增大压电悬臂梁的振幅，提高系统的发电能力；所述轴承(9)连接齿轮轴(3)与输入轴(31)，有效地减小齿轮轴(3)与输入轴(31)转动时的阻力，减少能量损耗；轴承(9)与升降平台(10)和转动轴升降平台(14)之间由螺栓连接；所述齿轮组件由齿轮轴(3)和锥齿轮(4)构成；齿轮轴(3)与锥齿轮(4)之间由键连接，齿轮轴(3)通过轴承(9)安装在升降平台(10)上；与曲柄(32)连接的四个齿轮轴(3)均随曲柄(32)摆动；所述电磁感应发电装置(7)由线圈(18)、套筒(19)、弹簧(20)和弹簧末端磁铁(21)构成；套筒(19)通过套筒压片(15)固定在套筒升降支架(16)上；弹簧(20)的中间部位固定在套筒(19)的内壁；弹簧末端磁铁(21)与弹簧(20)的两末端粘接固定；弹簧末端磁铁(21)受到直梁末端磁铁(26)和L梁磁铁a(27)的排斥作用，在套筒(19)内部做往复运动，穿过线圈(18)的磁通量不断变化，从而产生感应电动势。
2.根据权利要求1所述的一种四边同步摆动双模式宽频发电装置，其特征在于：所述的L型压电梁(5)和直压电梁(6)的基层材料为黄铜，压电层材料为PZT。
3.根据权利要求1所述的一种四边同步摆动双模式宽频发电装置，其特征在于：每个压电悬臂梁振动产生的电能均通过两个导线引出，一根导线接黄铜层，另一根导线接PZT压电层。
4.根据权利要求1所述的一种四边同步摆动双模式宽频发电装置，其特征在于：所述线圈(18)为铜漆包线。
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