CN106230314A - 用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，以解决当前已有压电发电装置在高压气体直接冲击压电发电装置俘获电能时存在俘能功率小、效率低等技术问题。本发明由阶梯式微孔隙增流装置、转动拨动式发电机组件和紧定螺钉三部分组成。所述阶梯式微孔隙增流装置增大了小流量高压气体的流量，并通过转动拨动式发电机组件实现能量俘获。本发明可将气体流量放大，并对放大流量的气体进行压电能量收集，显著提高压电发电装置的功率，提升俘能效率3倍以上。通过全桥整流电路可以持续有效的为低功耗电子设备供能，在低功耗电子设备、物联网节点以及低功耗传感器供能技术领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，属于低功耗电子设备供能技术领域。
背景技术
随着制造装备技术智能化水平的不断提高，并伴随着其与物联网技术的深度融合，大量的物联网节点在机械制造装备领域得到广泛应用。对物联网节点进行稳定、可靠的持续供电，是保证物联网节点正常工作的前提。当前机械制造领域的物联网节点供能方式主要包括电源直接供电和化学电池供电两种方式。其中，电源直接供电方式存在电磁干扰严重、系统布线复杂等问题，而化学电池供电方式则存在电池使用寿命有限、需定期更换以及环境污染等不足。因此，需研究一种用于物联网节点供能的新型能源供给技术以解决传统供能技术所带来的诸多弊端。
利用压电材料的正压电效应俘获环境微能源转化为电能的环境能源收集技术，由于具有能量转换效率高、清洁无污染、不受电磁干扰以及使用寿命长等优势，成为微能源转化与供给技术的研究热点。压缩气体具有的能量是工业生产中大量存在的能量形式，其具备安全清洁可再生等优势。因此，合理利用工业生产环境中的气体能量，结合压电材料的正压电效应将气体能量转化为电能为无线物联网节点供能，可有效解决传统电源供电带来的布线复杂及电池供电带来的需定期更换、污染环境等问题，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。传统的压电发电装置普遍利用工业环境中的高压气体直接冲击压电发电装置来俘获电能，使得传统气体冲击式压电发电装置存在俘能功率小、效率低的问题，限制了压电发电装置在低功耗电子设备供能技术领域的发展与应用。
发明内容
为解决已有压电发电装置在高压气体直接冲击压电发电装置俘获电能时存在俘能功率小、效率低等技术问题，本发明公开一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，为低功耗器件提供一种功率大、效率高的供电装置。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置由阶梯式微孔隙增流装置、转动拨动式发电机组件和紧定螺钉组成，所述阶梯式微孔隙增流装置和转动拨动式发电机组件通过紧定螺钉紧固连接；所述阶梯式微孔隙增流装置设置有圆锥式吸气端、锥形出气端、增流端螺纹连接孔、供气孔、一级微型射流孔、二级微型射流孔和挡环；所述转动拨动式发电机组件包括风扇、压电发电组件Ⅰ、前安装架、后安装架、压电发电组件Ⅱ、转轴、轴承Ⅰ、紧固螺钉和轴承Ⅱ。
所述阶梯式微孔隙增流装置中圆锥式吸气端位于阶梯式微孔隙增流装置的吸气端，锥形出气端位于阶梯式微孔隙增流装置的出气端，所述增流端螺纹连接孔靠近锥形出气端，所述增流端螺纹连接孔与紧定螺钉螺纹连接，所述一级微型射流孔和二级微型射流孔位于阶梯式微孔隙增流装置的中部，一级微型射流孔和二级微型射流孔之间设置有挡环，挡环可阻隔一级微型射流孔和二级微型射流孔，所述供气孔靠近二级微型射流孔。
所述转动拨动式发电机组件中风扇与转轴通过螺纹连接，所述压电发电组件Ⅰ和前安装架紧固连接，所述前安装架和后安装架通过紧固螺钉紧固连接，所述压电发电组件Ⅱ和后安装架紧固连接，所述转轴与轴承Ⅰ、轴承Ⅱ配合，所述轴承Ⅰ安装在前安装架上，所述轴承Ⅱ安装在后安装架上；所述风扇用于拨动压电发电组件Ⅰ；所述前安装架设置有安装螺纹孔，紧固螺钉与安装螺纹孔螺纹连接，所述前安装架设置有排气孔，用于排出混合气体，所述前安装架设置有轴承安装孔Ⅰ，轴承Ⅰ通过轴承安装孔Ⅰ安装固定在前安装架上，所述前安装架设置有安装沉孔Ⅰ，压电发电组件Ⅰ通过安装沉孔Ⅰ固定在前安装架上；所述后安装架设置有安装通孔，用于安装紧固螺钉，所述后安装架设置有安装沉孔Ⅱ，压电发电组件Ⅱ通过安装沉孔Ⅱ固定在后安装架上，所述后安装架设置有轴承安装孔Ⅱ，轴承Ⅱ通过轴承安装孔Ⅱ安装固定在后安装架上；所述转轴设置有定位轴肩Ⅰ，用于轴承Ⅰ的轴向定位，所述转轴设置有拨片，用于拨动压电发电组件Ⅱ，所述转轴设置有定位轴肩Ⅱ，用于轴承Ⅱ的轴向定位。
本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的阶梯式微孔隙增流装置对小流量高压气体进行流量放大，放大流量后的气体通过出锥形出气端喷出，激励转动拨动式发电机组件，使内部压电发电组件产生弯曲形变，利用正压电效应实现电能转化，以达到利用放大气流进行能量收集转化的效果，可显著提高压电发电装置的功率，提升俘能效率3倍以上。本发明具备气体流量放大功能，同时具有对放大流量的气体进行压电能量收集的技术优势，在低功耗电子设备供能技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明提出的用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置的结构示意图；
图2所示为本发明提出的阶梯式微孔隙增流装置结构示意图；
图3所示为本发明提出的圆锥式吸气端剖视图；
图4所示为本发明提出的锥形出气端结构剖视图；
图5所示为本发明提出的转动拨动式发电机组件结构示意图；
图6所示为本发明提出的转动拨动式发电机组件前安装架结构示意图；
图7所示为本发明提出的转动拨动式发电机组件后安装架示意图；
图8所示为本发明提出的转轴结构示意图；
图9所示为本发明提出的转动拨动式发电机组件局部示意图；
图10所示为本发明提出的全桥整流电路示意图。
具体实施方式
具体实施方式：结合图1~图10说明本实施方式。本实施方式提供了一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置的具体实施方案。所述一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置由阶梯式微孔隙增流装置1、转动拨动式发电机组件2和紧定螺钉3组成，其中阶梯式微孔隙增流装置1和转动拨动式发电机组件2通过紧定螺钉3紧固连接。
所述阶梯式微孔隙增流装置1包括有圆锥式吸气端1-1、锥形出气端1-2、增流端螺纹连接孔1-3、供气孔1-4、一级微型射流孔1-5、二级微型射流孔1-6和挡环1-7；
所述圆锥式吸气端1-1位于阶梯式微孔隙增流装置1的吸气端，锥形出气端1-2位于阶梯式微孔隙增流装置1的出气端，所述增流端螺纹连接孔1-3靠近锥形出气端1-2，所述增流端螺纹连接孔1-3与紧定螺钉3螺纹连接，所述一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6位于阶梯式微孔隙增流装置1的中部，一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6之间设置有挡环1-7，挡环1-7可阻隔一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6，所述供气孔1-4靠近二级微型射流孔1-6，高压气体经由所述供气孔1-4同时进入一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6，诱导气体和高压气体组成的混合气体经由一级微型射流孔1-5进行一次空气能放大，经由二级微型射流孔1-6进行二次加速，二次加速后的混合气体通过锥形出气端1-2喷出阶梯式微孔隙增流装置1。
所述转动拨动式发电机组件2为用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置的电能产生装置。所述转动拨动式发电机组件2包括风扇2-1、压电发电组件Ⅰ2-2、前安装架2-3、后安装架2-4、压电发电组件Ⅱ2-5、转轴2-6、轴承Ⅰ2-7、紧固螺钉2-8和轴承Ⅱ2-9；
所述转动拨动式发电机组件2中风扇2-1与转轴2-6通过螺纹连接，所述压电发电组件Ⅰ2-2和前安装架2-3紧固连接，所述前安装架2-3和后安装架2-4通过紧固螺钉2-8紧固连接，所述压电发电组件Ⅱ2-5和后安装架2-4紧固连接，所述转轴2-6与轴承Ⅰ2-7、轴承Ⅱ2-9配合，所述轴承Ⅰ2-7安装在前安装架2-3上，所述轴承Ⅱ2-9安装在后安装架2-4上。所述风扇2-1用于拨动压电发电组件Ⅰ2-2。所述前安装架2-3设置有安装螺纹孔2-3-1，紧固螺钉2-8与安装螺纹孔2-3-1螺纹连接；所述前安装架2-3设置有排气孔2-3-2，用于排出混合气体；所述前安装架2-3设置有轴承安装孔Ⅰ2-3-3，轴承Ⅰ2-7通过轴承安装孔Ⅰ2-3-3安装固定在前安装架2-3上；所述前安装架2-3设置有安装沉孔Ⅰ2-3-4，压电发电组件Ⅰ2-2通过安装沉孔Ⅰ2-3-4固定在前安装架2-3上。所述后安装架2-4设置有安装通孔2-4-1，用于安装紧固螺钉2-8；所述后安装架2-4设置有安装沉孔Ⅱ2-4-2，压电发电组件Ⅱ2-5通过安装沉孔Ⅱ2-4-2固定在后安装架2-4上；所述后安装架2-4设置有轴承安装孔Ⅱ2-4-3，轴承Ⅱ2-9通过轴承安装孔Ⅱ2-4-3安装固定在后安装架2-4上。所述转轴2-6设置有定位轴肩Ⅰ2-6-1，用于轴承Ⅰ2-7的轴向定位；所述转轴2-6设置有拨片2-6-2，用于拨动压电发电组件Ⅱ2-5；所述转轴2-6设置有定位轴肩Ⅱ2-6-3，用于轴承Ⅱ2-9的轴向定位，所述压电发电组件Ⅰ2-2和压电发电组件Ⅱ2-5，利用正压电效应，实现气体压力能到电能的转换，实现发电机俘能的功能，通过全桥整流电路可以持续有效的为物联网节点供能。
所述阶梯式微孔隙增流装置1中的圆锥式吸气端1-1的最大直径为D1，D1的取值满足的范围为60~80 mm，通过调节D1的值可以调节诱导气体的进气速度，本具体实施方式中D1的取值为60 mm，所述圆锥式吸气端1-1的锥角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°，通过调节θ的值可以调节诱导气体的进气速度，本具体实施方式中θ的取值为20°；所述锥形出气端1-2的最小直径为D2，D2与D1的比值为G= D2/D1，G的取值满足的范围为0.4~0.8，本具体实施方式中G的取值为0.8；所述锥形出气端1-2的锥角为α，α的取值满足的范围为0~20°，通过调节α的值可以调节混合气体的流速，本具体实施方式中α的取值为15°；所述的供气孔1-4直径为D3，D3与D1的比值为F=D3/D1，F的取值满足的范围为0.02~0.1，本具体实施方式中F的取值为0.1；所述供气孔1-4中心与圆锥式吸气端1-1的直线距离为L1，L1的取值满足的范围为10~25mm，本具体实施方式中L1的取值为15 mm；所述供气孔1-4中心与锥形出气端1-2直线距离为L2，L1与L2的比值为J=L1/L2，J的取值满足的范围为0.2~0.5，本具体实施方式中J的取值为0.3，；所述一级微型射流孔1-5的孔径为D4，D4的取值满足的范围是40~60 mm，本具体实施方式中D4的取值为50 mm，所述一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6之间的距离为L3，D4与L3的比值为Z=D4/L3，Z的取值满足的范围为2~5，本具体实施方式中Z的取值为2；所述二级微型射流孔1-6孔径为D5，D5与L3的比值为X=D5/L3，X的取值满足的范围为2~5，本具体实施方式中X的取值为2。
所述转动拨动式发电机组件2中的压电发电组件Ⅰ2-2沿周向阵列布置m个，m为大于或等于1的整数，本具体实施方式中m的取值为6；所述压电发电组件Ⅱ2-5沿周向布置n个，n为大于或等于1的整数，本具体实施方式中n的取值为6；所述压电发电组件Ⅱ2-5沿轴向布置p层，p为大于或等于1的整数，本具体实施方式中p的取值为5；所述转轴2-6设置有拨片2-6-2，所述拨片2-6-2具有高度值h，h的取值范围为3~6 mm，通过调节h的值可以调节压电发电组件Ⅱ2-5的形变量，本具体实施方式中h的取值为4 mm；所述拨片2-6-2具有宽度值b，b与h 的比值为K=b/h，K的取值满足的范围为0.1~0.45，通过调节K的值可以改变拨片2-6-2与压电发电组件Ⅱ2-5的接触面积，本具体实施方式中K的取值为0.2。
所述的全桥整流电路由二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9和电容C1组成。当增流气体从锥形出气端1-2流出后，激励转动拨动式发电机组件2，在正压电效应的作用下会产生正负交替周期性变化的电信号，将产生的电信号通过导线连接到全桥整流电路的输入端。当产生正向电信号时，二极管D6和二极管D9导通构成闭合回路，电能可存储于电容C1中；当产生负向电信号时，二极管D7和二极管D8导通构成闭合回路，且整流后的电信号流向与二极管D6、二极管D9闭合回路电信号流向相同，因此电能仍存储于电容C1中。经过整流存储后的电能可经由C1流出到输出端物联网节点进行供能。所述二极管（D6~D9）可以是NI5408整流二极管，所述电容C1的电容量范围为100~1000μF。
工作原理：利用压电材料的正压电效应可以将气体的冲击能量转化为电能，本发明所设计的用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置可在小流量高压气体的作用下诱导外界空气进行定向流动，基于管径内壁与气体间粘性作用力的影响，可将诱导后的外界空气进行增流，在气体增速后从锥形出气端流出并激励与阶梯式微孔隙增流装置相连接的转动拨动式发电机组件进行电能的转化。本发明的技术优势在于阶梯式微孔隙增流装置能够二次加速将高压气体以极快的速度喷出，快速流动的气体会造成装置内的局部低压，因外界气压大于装置内部气压，为平衡压差会有大量的空气被吸进阶梯式微孔隙增流装置，以此达到增流效果。转动拨动式发电机的技术优势在于其通过多层压电发电组件同时工作可对气体冲击所具有的能量进行充分的俘获，采用转动拨动的接触方式，可有效的提高拨动频率和电能产生效率。
综合以上所述内容，本发明设计的用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，可将气体流量放大，并对放大流量的气体进行压电能量收集，可显著提高压电发电装置的功率，提升俘能效率3倍以上。通过全桥整流电路可以持续有效的为物联网节点供能，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。
Claims (6)
1.一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，其特征在于该用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置由阶梯式微孔隙增流装置（1）、转动拨动式发电机组件（2）和紧定螺钉（3）组成，所述阶梯式微孔隙增流装置（1）和转动拨动式发电机组件（2）通过紧定螺钉（3）紧固连接；所述阶梯式微孔隙增流装置（1）设置有圆锥式吸气端（1-1）、锥形出气端（1-2）、增流端螺纹连接孔（1-3）、供气孔（1-4）、一级微型射流孔（1-5）、二级微型射流孔（1-6）和挡环（1-7）；所述转动拨动式发电机组件（2）包括风扇（2-1）、压电发电组件Ⅰ（2-2）、前安装架（2-3）、后安装架（2-4）、压电发电组件Ⅱ（2-5）、转轴（2-6）、轴承Ⅰ（2-7）、紧固螺钉（2-8）和轴承Ⅱ（2-9）。
2.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，其特征在于所述阶梯式微孔隙增流装置（1）中圆锥式吸气端（1-1）位于阶梯式微孔隙增流装置（1）的吸气端，锥形出气端（1-2）位于阶梯式微孔隙增流装置（1）的出气端，所述增流端螺纹连接孔（1-3）靠近锥形出气端（1-2），所述增流端螺纹连接孔（1-3）与紧定螺钉（3）螺纹连接，所述一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6）位于阶梯式微孔隙增流装置（1）的中部，一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6）之间设置有挡环（1-7），挡环（1-7）可阻隔一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6），所述供气孔（1-4）靠近二级微型射流孔（1-6）。
3.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，其特征在于所述转动拨动式发电机组件（2）中风扇（2-1）与转轴（2-6）通过螺纹连接，所述压电发电组件Ⅰ（2-2）和前安装架（2-3）紧固连接，所述前安装架（2-3）和后安装架（2-4）通过紧固螺钉（2-8）紧固连接，所述压电发电组件Ⅱ（2-5）和后安装架（2-4）紧固连接，所述转轴（2-6）与轴承Ⅰ（2-7）、轴承Ⅱ（2-9）配合，所述轴承Ⅰ（2-7）安装在前安装架（2-3）上，所述轴承Ⅱ（2-9）安装在后安装架（2-4）上；所述风扇（2-1）用于拨动压电发电组件Ⅰ（2-2）；所述前安装架（2-3）设置有安装螺纹孔（2-3-1），紧固螺钉（2-8）与安装螺纹孔（2-3-1）螺纹连接，所述前安装架（2-3）设置有排气孔（2-3-2），用于排出混合气体，所述前安装架（2-3）设置有轴承安装孔Ⅰ（2-3-3），轴承Ⅰ（2-7）通过轴承安装孔Ⅰ（2-3-3）安装固定在前安装架（2-3）上，所述前安装架（2-3）设置有安装沉孔Ⅰ（2-3-4），压电发电组件Ⅰ（2-2）通过安装沉孔Ⅰ（2-3-4）固定在前安装架（2-3）上；所述后安装架（2-4）设置有安装通孔（2-4-1），用于安装紧固螺钉（2-8），所述后安装架（2-4）设置有安装沉孔Ⅱ（2-4-2），压电发电组件Ⅱ（2-5）通过安装沉孔Ⅱ（2-4-2）固定在后安装架（2-4）上，所述后安装架（2-4）设置有轴承安装孔Ⅱ（2-4-3），轴承Ⅱ（2-9）通过轴承安装孔Ⅱ（2-4-3）安装固定在后安装架（2-4）上；所述转轴（2-6）设置有定位轴肩Ⅰ（2-6-1），用于轴承Ⅰ（2-7）的轴向定位，所述转轴（2-6）设置有拨片（2-6-2），用于拨动压电发电组件Ⅱ（2-5），所述转轴（2-6）设置有定位轴肩Ⅱ（2-6-3），用于轴承Ⅱ（2-9）的轴向定位。
4.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，其特征在于所述阶梯式微孔隙增流装置（1）中圆锥式吸气端（1-1）的最大直径为D1，所述圆锥式吸气端（1-1）的锥角为θ；所述锥形出气端（1-2）的最小直径为D2，D2与D1的比值为G=D2/D1，G的取值满足的范围为0.4~0.8；所述锥形出气端（1-2）的锥角为α；所述供气孔（1-4）中心与圆锥式吸气端（1-1）的直线距离为L1；所述供气孔（1-4）中心与锥形出气端（1-2）直线距离为L2，L1与L2的比值为J=L1/L2，J的取值满足的范围为0.2~0.5；所述一级微型射流孔（1-5）的孔径为D4，所述一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6）之间的距离为L3，D4与L3的比值为Z=D4/L3，Z的取值满足的范围为2~5；所述二级微型射流孔（1-6）孔径为D5，D5与L3的比值为X=D5/L3，X的取值满足的范围为2~5。
5.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，其特征在于所述压电发电组件Ⅰ（2-2）沿周向阵列布置m个，m为大于或等于1的整数；所述压电发电组件Ⅱ（2-5）沿周向布置n个，n为大于或等于1的整数，所述压电发电组件Ⅱ（2-5）沿轴向布置p层，p为大于或等于1的整数；所述转轴（2-6）设置有拨片（2-6-2），所述拨片（2-6-2）具有高度值h，所述拨片（2-6-2）具有宽度值b，b与h 的比值为K=b/h，K的取值满足的范围为0.1~0.45。
6.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的转动拨动式压电发电装置，其特征在于所述压电发电组件Ⅰ（2-2）和压电发电组件Ⅱ（2-5）可选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
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