CN102013835B - 踩踏式连续振动压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种踩踏式连续振动压电发电装置。本装置主要包括箱体上盖中央开口处，通过一个弹簧机构安装所述踩踏板，所述踩踏板通过一个齿轮机构驱动N组棘轮机构联动所述振动压电发电机，N为除零外的自然数。踩踏板受踩后，将作用的能量经齿轮机构和棘轮机构，传递到飞轮上，由单向连续转动的飞轮促使拨片盘拨动悬臂梁金属片，保证悬臂梁可进行连续的振动。本发明可承受多次踩踏，并将间歇性的人流踩踏动力，转换成悬臂梁连续的振动，受激励的压电片随之产生连续电能的输出，最终达到有效累积电能的目的。

Description

踩踏式连续振动压电发电装置

技术领域

本发明涉及一种踩踏式连续振动压电发电装置，属于实际工程中的节能技术和能源利用领域。

背景技术

通常可用来发电的能源包括风力、水力、太阳能、核能和蒸汽能。随着对能量不断增大的需求，对常规能源巨大依赖，人们认识到新能源的开发和新节能方式研究，势在必行。研究人员一直致力于尝试新能源的利用和提出各种节能方式的实验。

一些研究收集行驶在路面的交通工具和行人的能量，如这方面的研制的系统，有机械系统、气压系统和液压系统。

U.S.Pat.No.4,238,687，Martinez公开的一个系统。这个系统通过涡轮利用路面上经过的车辆发电。这个涡轮由与摇杆盘连接的弧形臂的下转动驱动。摇杆盘安装在路面上。汽车通过它们时，这些摇杆盘被压下。

U.S.Pat.No.4,173,431，Simth公开的一种气压系统。这个系统将借助路面上行驶的车辆的压力，驱动系统中往复式气压活塞，在由压缩的空气运转发电器。

U.S.Pat.No.4,130,064，Bridwell公开了一种液压位移泵发电系统。该系统包括一个液压位移泵。在路面的活动板下或轨道之间的轨道床中安装该泵，收集压力产生的能量。

2005年西安交通大学曹秉刚教授等人(专利号公开号CN1633008A)公开了利用公路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具系统。他们提出在道路中铺设压电装置或直接用压电材料作为路面的一部分，利用振动能量产生电能。

2005年西安交通大学曹秉刚教授等人针对为开发汽车新能源，还发明了利用汽车振动能量压电发电的方法及系统。将压电发电装置置于汽车悬挂系统中，收集汽车的振动能，再经储能装置的存储，最终用于汽车行驶(C.1292930.2005)。

褚金奎等发明的压电鞋(CN101278768A)；在利用压电和无线网络结合应用方面，2007年杨涛等人发明了一种基于压电陶瓷振动发电的无线传感器网络节点供电装置(CN101017989A)。

一些研究注意到利用压电发电技术收集自然风的能量，

压电材料，作为一种理想的机电能量转换材料，具有很高的能量密度，其峰值能量密度可达100～10000kW/kg，这就使得借助很小的体积的压电装置产生相当功率的电能成为可能。

自十多年前，研究人员开始压电发电研究，其中悬臂梁式振动发电受到极大关注。悬臂梁自由端没有质量块时，外界作用悬臂梁，悬臂梁只能受间歇的振动，因此产生的电能必将因无法连续累积，最终造成压电片输出电能大量流失。

本发明可收集路面上的人流在行走过程中踩踏的能量，将间歇特点的踩踏，通过机械传动转化，驱动悬臂梁的自由端。作用后的悬臂梁将连续振动，可输出连续的电能，有效地累积电能。本实用新型，可铺设在人流密集的路面，收集人流踩踏的振动能，转化成电能。

发明内容

本发明的目的在于解决将常规悬臂梁式发电难题，提供了一种踩踏式连续振动压电发电装置，可大量铺设在人流密集区，收集人流踩踏能量。另外，该发电装置可做到易安装，维护方便。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明采用齿轮棘轮机构将间歇的踩踏转换成连续激励，粘有锆钛酸铅陶瓷片的悬臂梁，受此激励，棘轮机构单向旋转的特点，可以使得踩踏板在踩压后，在回复弹簧的作用下顺利恢复原位置，保证下一次受踩踏顺利实现。而飞轮机构可以集中储存动能，可保证悬臂梁激励振动的连续性。考虑到行人踩踏时，可能会绊脚，设计了曲形踩踏板。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种踩踏式连续振动压电发电装置，其特征在于：包括一个箱体上盖中央开口处，通过一个弹簧机构安装所述踩踏板，所述踩踏板通过一个齿轮机构驱动N组棘轮机构联动所述振动压电发电机，N为除零外的自然数。上述弹簧机构是一个支撑弹簧，安装在所述踩踏板两端的正下方，该支撑弹簧上端支撑于一根导向杆上端凸缘上，下端支撑在一个支撑板上，该支撑板与箱体固定连接。上述齿轮机构是一个呈扇形结构的内齿轮与一个齿轮轴上一个小齿轮内啮合，该内齿轮通过一个销轴安装在所述弹簧机构下端，该销轴两端各安装复位扭簧，一个小轴承安装有所述内齿轮扇形结构的顶端而抵靠于所述踩踏板的下表面上，当踩踏板受踩下行时，迫使内齿轮顺时针旋转，驱动齿轮轴，同时复位扭簧被压缩；当踩踏作用力消失时，被压缩的复位扭簧恢复伸长，驱动内齿轮转到原来的位置，从而顶起踩踏板。上述每个棘轮机构由安装在所述齿轮轴上的一个棘轮卡片、两个棘爪、一个圆环衬盘、一个飞轮以及一个拨盘组成，其中，所述飞轮是一种环状结构，内环侧设有与棘爪啮合的棘爪槽，该飞轮的一侧通过螺钉固定连接所述圆环衬盘，该圆环衬盘与棘爪、棘爪卡片相贴紧配合，所述圆环衬盘一侧由套筒定位，棘爪卡片由齿轮轴阶梯定位，套筒由销钉定位，另外，齿轮轴一边被削扁，与之相配合的棘爪卡片的一侧同样被削扁，两者相配合，动力传动通过此处完成；齿轮轴上安装N组这样的棘轮机构，当齿轮轴顺时针转动起来时，将驱动棘爪卡片，带动棘爪，通过棘爪槽，拨动飞轮，飞轮上安装有拨片盘，当齿轮轴逆时针转动时，由于棘爪将与飞轮脱开，而使得扭簧恢复阻力小。上述振动发电机是多层压电材料粘贴在金属悬臂梁上，由夹持塑料片和支撑架夹持，安装在所述拨盘正前端，其中，压电材料是锆钛酸铅压电陶瓷片、或PVDF压电材料，最上层的陶瓷片焊点为电机的一极，引出导线，金属悬臂梁上焊点为电机的另一极，引出导线。

本发明与现有技术比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明设有N组棘轮机构联动振动压电发电机，在踩踏板受踩后，将作用的能量经齿轮机构和棘轮机构传递到飞轮上，由单向连续转动的飞轮促使拨片盘拨动悬臂梁金属片，保证悬臂梁的连续振动；在承受多次踩踏，将间歇性的人流踩踏动力，转换成长时间的悬臂梁振动，受激励的压电片则连续产生电能。

附图说明

图1踩踏式连续振动压电片发电装置结构图

图2该装置剖视图截面位置图

图3棘轮机构装配图

图4棘轮机构装配剖面图

图5齿轮轴与棘轮卡片、棘爪装配图

图6齿轮机构装配剖面图(图2的CC方向剖视)

图7内齿轮安装方式图

图8内齿轮棘轮机构装配图

图9内齿轮-棘轮机构-发电机装配图

图10发电机接线图

图11整体结构辅助图

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一，参见图1、图2、图3、图4和图6，本踩踏式连续振动压电发电装置，其特征在于：包括一个箱体上盖中央开口处，通过一个弹簧机构安装所述踩踏板，所述踩踏板通过一个齿轮机构驱动N组棘轮机构联动所述振动压电发电机，N为除零外的自然数。

实施例二，参见图1-图11，本踩踏式连续振动压电发电装置：箱体1上方安装一踩踏板2，踩踏板2下方有弹簧18、小轴承20、齿轮机构16及棘轮机构3。所说的弹簧18，安装在踩踏板2两端的正下方，所说的小轴承20，安装在内齿轮21上。所说的齿轮机构16，由呈扇形结构的内齿轮21与齿轮轴8上小齿轮15内啮合，内齿轮21通过销轴24安装在弹簧机构23下端，销轴两端各安装复位扭簧22，当踩踏板2受踩下行时，迫使内齿轮21顺时针旋转，驱动齿轮轴8，同时复位扭簧被压缩；当踩踏作用力消失时，被压缩的复位扭簧22恢复伸长，驱动内齿轮21转到原来的位置，从而顶起踩踏板2。所说的棘轮机构3，由安装在齿轮轴8上的棘轮卡片13、棘爪12、圆环衬盘7、飞轮11以及拨盘6组成。当齿轮轴8顺时针转动起来时，将驱动棘爪卡片13，带动棘爪12，通过棘爪槽，拨动飞轮11，飞轮12上安装有拨片盘6，当齿轮轴8逆时针转动时，由于棘爪12将与飞轮11脱开，而使得复位扭簧22顺利恢复。所说的振动发电机25，由多层压电材料27粘贴在金属悬臂梁26上，由塑料片29和支撑架30夹持，安装在拨盘6正前端，其中，压电材料27是锆钛酸铅压电陶瓷片或PVDF，最上层的陶瓷片焊点28为电机的一极，引出导线31，金属悬臂梁26上焊点28为电机25的另一极，引出导线31。受踩前，踩踏板2被支撑弹簧18撑起；当踩踏板2受踩后，踩踏板2受压下行，支撑弹簧18随之压缩变形，内齿轮21受到踩踏板2的作用力，将围绕轴心顺时针转动，套在上面的小轴承20一边在踏板2下端滑，一边下降，内齿轮21将动力传递给齿轮轴8，齿轮轴8将带动棘爪12，棘爪12拨动飞轮11，使得飞轮11转动，安装在其上面的拨盘6的伸出端将拨动贴有压电陶瓷片的悬臂梁26；当脚离开踩踏板2时，支撑弹簧18和复位扭簧22的恢复力使得踩踏板2和内齿轮21被抬起，直到开始的位置。

实施例三：本实施例与实施例一相同，特别之处是：

所述弹簧机构23是一个支撑弹簧18，安装在所述踩踏板2两端的正下方，该支撑弹簧18上端支撑于一根导向杆19上端凸缘上，下端支撑在一个支撑板17上，该支撑板17与箱体1固定连接。所述齿轮机构16，是一个呈扇形结构的内齿轮21与一个齿轮轴8上一个小齿轮15内啮合，该内齿轮21通过一个销轴24安装在所述弹簧机构23下端，该销轴24两端各安装复位扭簧22，一个小轴承20安装有所述内齿轮21扇形结构的顶端而抵靠于所述踩踏板2的下表面上，当踩踏板2受踩下行时，迫使内齿轮21顺时针旋转，驱动齿轮轴8，同时复位扭簧被压缩；当踩踏作用力消失时，被压缩的复位扭簧22恢复伸长，驱动内齿轮21转到原来的位置，从而顶起踩踏板2。所述每个棘轮机构3由安装在所述齿轮轴8上的一个棘轮卡片13、两个棘爪12、一个圆环衬盘7、一个飞轮11以及一个拨盘6组成，其中，所述飞轮11是一种环状结构，内环侧设有与棘爪12啮合的棘爪槽，该飞轮11的一侧通过螺钉5固定连接所述圆环衬盘7，该圆环衬盘7与棘爪12、棘爪卡片13相贴紧配合，所述圆环衬盘7一侧由套筒9定位，棘爪卡片13由齿轮轴8阶梯定位，套筒9由销钉10定位，另外，齿轮轴8一边被削扁，与之相配合的棘爪卡片13的一侧同样被削扁，两者相配合，动力传动通过此处完成；齿轮轴8上安装N组这样的棘轮机构3，当齿轮轴8顺时针转动起来时，将驱动棘爪卡片13，带动棘爪12，通过棘爪槽，拨动飞轮11，飞轮12上安装有拨片盘13，当齿轮轴8逆时针转动时，由于棘爪12将与飞轮11脱开，而使得扭簧22恢复阻力小。所述振动发电机25是多层压电材料27粘贴在金属悬臂梁26上，由夹持塑料片29和支撑架30夹持，安装在所述拨盘16正前端，其中，压电材料27是锆钛酸铅压电陶瓷片、或PVDF压电材料，最上层的陶瓷片焊点28为电机的一极，引出导线31，金属悬臂梁26上焊点28为电机25的另一极，引出导线31。

上述的N＝3，即有三组棘轮机构3，联动所述振动压电发电机25。上述齿轮轴8由轴承座4内的轴承14支承，轴承座4通过螺钉固定在箱体1的地板上。

Claims (5)

1.一种踩踏式连续振动压电发电装置,其特征在于：箱体（1）上盖中央开口处，通过一个弹簧机构（23）安装踩踏板（2），所述踩踏板（2）通过一个齿轮机构（16）驱动N组棘轮机构（3）联动振动压电发电机（25），N为除零外的自然数。

2.如权利要求1所述的一种踩踏式连续振动压电发电装置，其特征在于：所说弹簧机构（23）是一个支撑弹簧（18），安装在所述踩踏板（2）两端的正下方，该支撑弹簧（18）上端支撑于一根导向杆（19）上端凸缘上，下端支撑在一个支撑板（17）上，该支撑板（17）与箱体（1）固定连接。

3.如权利要求1所述的一种踩踏式连续振动压电发电装置，其特征在于：所说齿轮机构（16）是一个呈扇形结构的内齿轮（21）与一个齿轮轴（8）上一个小齿轮（15）内啮合，该内齿轮（21）通过一个销轴（24）安装在所述弹簧机构（23）下端，该销轴（24）两端各安装复位扭簧（22），一个小轴承（20）安装于所述内齿轮（21）扇形结构的顶端而抵靠于所述踩踏板（2）的下表面上，当踩踏板（2）受踩下行时，迫使内齿轮（21）顺时针旋转，驱动齿轮轴（8），同时复位扭簧被压缩；当踩踏作用力消失时，被压缩的复位扭簧（22）恢复伸长，驱动内齿轮(21)转到原来的位置，从而顶起踩踏板(2)。

4.如权利要求1所述的一种踩踏式连续振动压电发电装置，其特征在于：所说每个棘轮机构（3）由安装在齿轮轴（8）上的一个棘轮卡片（13）、两个棘爪（12）、一个圆环衬盘（7）、一个飞轮（11）以及一个拨盘（6）组成，其中，所述飞轮（11）是一种环状结构，内环侧设有与棘爪（12）啮合的棘爪槽，该飞轮（11）的一侧通过螺钉（5）固定连接所述圆环衬盘（7），该圆环衬盘（7）与棘爪（12）、棘爪卡片（13）相贴紧配合，所述圆环衬盘（7）一侧由套筒（9）定位，棘爪卡片（13）由齿轮轴（8）阶梯定位，套筒（9）由销钉（10）定位，另外，齿轮轴（8）一边被削扁，与之相配合的棘爪卡片（13）的一侧同样被削扁，两者相配合，动力传动通过此处完成；齿轮轴（8）上安装N组这样的棘轮机构（3），当齿轮轴（8）顺时针转动起来时，将驱动棘爪卡片（13）,带动棘爪（12），通过棘爪槽，拨动飞轮（11），飞轮（12）上安装有拨片盘（13），当齿轮轴（8）逆时针转动时，由于棘爪（12）将与飞轮（11）脱开，而使得扭簧（22）恢复阻力小。

5.如权利要求4所述的一种踩踏式连续振动压电发电装置，其特征在于：所说振动压电发电机（25）是多层压电材料（27）粘贴在金属悬臂梁（26）上，由夹持塑料片（29）和支撑架（30）夹持，安装在所述拨盘（6）正前端，其中，压电材料（27）是锆钛酸铅压电陶瓷片、或PVDF压电材料，最上层的陶瓷片焊点（28）为电机的一极，引出导线（31），金属悬臂梁（26）上焊点（28）为电机（25）的另一极，引出导线（31）。 

Images