CN106230315A - 用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机 - 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拨片拨动式压电发电机，以解决当前用于转化工业环境中气体能量的压电发电机存在的能量转化效率低等问题。本发明由多孔阵列式增流装置、拨片拨动式发电机组件和紧定螺钉三部分组成，其中多孔阵列式增流装置和拨片拨动式发电机组件通过紧定螺钉紧固连接。所述多孔阵列式增流装置可对高压小流量气体的流量进行放大，作用于压电元件实现能量俘获，显著提升压电发电机的电能产生效率，可将电能产生效率提高3倍以上。通过能量管理电路对产生的电能进行整流，可以持续有效的为物联网节点等低功耗电子器件供能，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拨片拨动式压电发电机，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。
利用压电元件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，结合压电元件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。当前的用于俘获工业环境中气体能量的压电发电机存在能量转化效率低的问题，制约了其在物联网节点等低功耗电子器件供能技术领域的应用。
发明内容
为解决传统压电发电机能量转化效率低的问题，本发明公开一种用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机，为物联网节点等低功耗电子器件提供一种可持续工作、能量转化效率高的供能装置。
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拨片拨动式压电发电机，该拨片拨动式压电发电机由多孔阵列式增流装置、拨片拨动式发电机组件和紧定螺钉组成，其中多孔阵列式增流装置和拨片拨动式发电机组件通过紧定螺钉紧固连接。所述的多孔阵列式增流装置设置有进气孔、环形高压容气腔、增流装置螺纹连接孔、锥形吸气端、微型射流孔和锥形气流喷射端。所述拨片拨动式发电机组件由活塞安装架、发电组件安装架、压电发电组件、紧固螺钉、活塞和弹簧组成。
所述的多孔阵列式增流装置中进气孔位于环形高压容气腔的圆柱表面上，所述增流装置螺纹连接孔与紧定螺钉螺纹连接，所述锥形吸气端位于多孔阵列式增流装置的诱导气体吸入端，所述微型射流孔位于环形高压容气腔的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔紧贴多孔阵列式增流装置的排气端壁面，所述锥形气流喷射端位于多孔阵列式增流装置的排气端。
所述拨片拨动式发电机组件为用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机的能量转化装置。所述活塞安装架设置有发电机组件安装螺纹孔，用于安装固定拨片拨动式发电机组件，所述活塞安装架设置有排气孔，排气孔沿周向阵列布置，所述活塞安装架设置有活塞滑孔，活塞可在活塞滑孔中滑动，所述活塞安装架设置有发电机组件进气口，发电机组件进气口位于活塞安装架端部；所述发电组件安装架设置有发电组件安装孔，压电发电组件通过发电组件安装孔安装固定在发电组件安装架上，所述发电组件安装架设置有布线孔，用于压电发电组件的布线，所述发电组件安装架设置有安装通孔，用于安装紧固螺钉，活塞安装架与发电组件安装架通过紧固螺钉紧固连接；所述压电发电组件设置有弹性基板和压电元件，所述弹性基板和压电元件粘接；所述活塞设置有受风板，所述活塞设置有滑柱，所述滑柱可以在活塞滑孔中滑动，所述活塞设置有拨片，用于拨动压电发电组件；所述弹簧用于活塞的回程运动。
本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的多孔阵列式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锥形气流喷射端喷出，激励出口处拨片拨动式发电机组件，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，提高压电发电机的能量转化效率。本发明具有利用高压小流量气体进行气体流量放大的效果，并兼具充分利用放大的流量进行压电能量收集的技术优势，电能产生效率提高3倍以上，在物联网节点等低功耗电子器件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拨片拨动式压电发电机的结构示意图；
图2所示为本发明提出的多孔阵列式增流装置结构示意图；
图3所示为本发明提出的锥形吸气端剖视图；
图4所示为本发明提出的微型射流孔结构剖视图；
图5所示为本发明提出的锥形气流喷射端剖视图；
图6所示为本发明提出的拨片拨动式发电机组件结构示意图；
图7所示为本发明提出的活塞安装架结构示意图；
图8所示为本发明提出的发电组件安装架结构示意图；
图9所示为本发明提出的压电发电组件结构示意图；
图10所示为本发明提出的活塞结构示意图；
图11所示为本发明提出的拨片结构示意图；
图12所示为本发明提出的能量管理电路原理图。
具体实施方式
具体实施方式：结合图1~图12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拨片拨动式压电发电机的具体实施方案。所述一种用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机由多孔阵列式增流装置1、拨片拨动式发电机组件2和紧定螺钉3组成，其中多孔阵列式增流装置1和拨片拨动式发电机组件2通过紧定螺钉3紧固连接。
所述的多孔阵列式增流装置1设置有进气孔1-1、环形高压容气腔1-2，所述的进气孔1-1位于环形高压容气腔1-2的圆柱表面上，压缩气体通过进气孔1-1进入环形高压容气腔1-2；所述多孔阵列式增流装置1设置有增流装置螺纹连接孔1-3，紧定螺钉3与增流装置螺纹连接孔1-3螺纹连接；所述多孔阵列式增流装置1设置有锥形吸气端1-4，所述锥形吸气端1-4位于多孔阵列式增流装置1的诱导气体吸入端，诱导气体由锥形吸气端1-4进入多孔阵列式增流装置1；所述多孔阵列式增流装置1设置有微型射流孔1-5，所述微型射流孔1-5位于环形高压容气腔1-2的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔1-5紧贴多孔阵列式增流装置1的排气端壁面，压缩气体经由微型射流孔1-5喷出环形高压容气腔1-2；所述多孔阵列式增流装置1设置有锥形气流喷射端1-6，混合气体经由锥形气流喷射端1-6喷出多孔阵列式增流装置1。
所述拨片拨动式发电机组件2为用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机的能量转化装置。所述拨片拨动式发电机组件2包括活塞安装架2-1、发电组件安装架2-2、压电发电组件2-3、紧固螺钉2-4、活塞2-5和弹簧2-6。所述活塞安装架2-1设置有发电机组件安装螺纹孔2-1-1，用于安装固定拨片拨动式发电机组件2；所述活塞安装架2-1设置有排气孔2-1-2，混合气体经由排气孔2-1-2从拨片拨动式发电机组件2中排出，所述排气孔2-1-2用于混合气体的卸载，当活塞2-5运动到排气孔2-1-2位置时，混合气体经由排气孔2-1-2排出，活塞2-5在弹簧2-6的作用下开始回程移动；所述活塞安装架2-1设置活塞滑孔2-1-3，活塞2-5可在活塞滑孔2-1-3中滑动；所述活塞安装架2-1设置有发电机组件进气口2-1-4，混合气体经由发电机组件进气口2-1-4进入拨片拨动式发电机组件2，作用在活塞2-5上，推动活塞2-5移动。所述发电组件安装架2-2设置有发电组件安装孔2-2-1，压电发电组件2-3通过发电组件安装孔2-2-1安装固定在发电组件安装架2-2上；所述发电组件安装架2-2设置有布线孔2-2-2，用于压电发电组件2-3的布线；所述发电组件安装架2-2设置有安装通孔2-2-3，用于安装紧固螺钉2-4，活塞安装架2-1与发电组件安装架2-2通过紧固螺钉2-4紧固连接。所述压电发电组件2-3设置有弹性基板2-3-1和压电元件2-3-2，所述弹性基板2-3-1和压电元件2-3-2粘接，所述压电元件2-3-2可选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF，本具体实施方式中采用压电陶瓷片PZT，弹性基板2-3-1和压电元件2-3-2采用环氧树脂胶粘接。所述活塞2-5设置有受风板2-5-1，混合气体经由发电机组件进气口2-1-4进入拨片拨动式发电机组件2后，作用在受风板2-5-1上，推动活塞2-5运动；所述活塞2-5设置有滑柱2-5-2，所述滑柱2-5-2可以在活塞滑孔2-1-3中滑动；所述活塞2-5设置有拨片2-5-3，用于拨动压电发电组件2-3，当活塞2-5受力运动时，拨片2-5-3拨动压电发电组件2-3产生形变，实现气体压力能到电能的转换，实现发电机俘能的功能。通过能量管理电路对产生的电能进行整流与管理，可以直接为物联网节点等低功耗器件供能。所述弹簧2-6用于活塞2-5的回程运动。
所述的多孔阵列式增流装置1，其特征在于进气孔1-1的直径D3与锥形吸气端1-4的最大直径D1之间的比值为O=D3/D1，O的取值满足的范围为0.2~0.6，本具体实施方式中O的取值为0.3；进气孔1-1直径D3与锥形气流喷射端1-6的最小直径D2之间的比值为G=D3/D2，G的取值满足的范围为0.2~0.4，本具体实施方式中G的取值为0.2；进气孔1-1中心与锥形吸气端1-4的直线距离L1和进气孔1-1中心与锥形气流喷射端1-6直线距离L2之间的比值为F=L1/L2，F的取值满足的范围为0.5~1，本具体实施方式中F的取值为0.6；多孔阵列式增流装置1中的锥形吸气端1-4的最大直径为D1，垂直于D1方向的圆锥夹角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°，本具体实施方式中θ的取值为30°；锥形气流喷射端1-6的最小直径为D2，垂直于D2方向的锥形夹角为α，α的取值满足的范围为0~20°，本具体实施方式中α的取值为15°；微型射流孔1-5的直径d与进气孔1-1直径D3的比值为J=d/D3，J的取值满足的范围为0.05~0.1，本具体实施方式中J的取值为0.08。
所述排气孔2-1-2距离发电机组件进气口2-1-4的距离为S，S的取值满足的范围为10~20mm，通过调节S的值可以改变活塞2-5运动的极限位移，本具体实施方式中S的取值为15 mm；所述发电机组件进气口2-1-4的直径为D，D的取值满足的范围为40~50 mm，本具体实施方式中D的取值为46 mm。所述压电发电组件2-3沿周向布置4n个，沿轴向布置m层，n、m≥1，本具体实施方式中n取1，m取5。所述受风板2-5-1的直径为C，D和C的差值为M=D-C，M的取值满足的范围为4~8 mm，本具体实施方式中M的取值为6 mm；所述拨片2-5-3具有倾角β，β的取值满足的范围为5~20°，通过改变β的值可以改变活塞2-5的运动位移放大倍数，本具体实施方式中θ的取值为15°；所述拨片2-5-3具有高度值h，h的取值满足的范围5~15 mm，本具体实施方式中h的取值为10 mm。
所述的能量管理电路由二极管（D6~D9）和电容C1组成。当混合气体从锥形气流喷射端1-6流出后，激励压电发电组件2-3，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电。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：利用压电元件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拨片拨动式压电发电机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，基于管径内气体间粘性作用力的影响，可将诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从锥形气流喷射端流出并激励与多孔阵列式增流装置相连接的拨片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多孔阵列式增流装置具有多个微型射流孔，射流孔可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多孔阵列式增流装置，以此达到增流效果。拨片拨动式发电机的技术优势在于其通过阵列多层压电发电组件的结构形式，阵列的多层压电发电组件可同时工作，将气体冲击所具有的能量进行充分的俘获，其设计的拨片结构可将压电元件充分拨动使其发电量达到最大。因此，拨片拨动式发电机组件可充分利用多孔阵列式增流装置所增加的气体流量进行气体能量向电能的转化。
综合以上所述内容，本发明设计的用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机，可将冲击作用的气体的流量放大，并利用增流增速后的混合气体冲击作用于压电元件上，实现电能的转化，提高电能转化效率。本发明设计的用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机可将电能转化效率提高3倍以上，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拨片拨动式压电发电机，其特征在于该拨片拨动式压电发电机由多孔阵列式增流装置（1）、拨片拨动式发电机组件（2）和紧定螺钉（3）组成，其中多孔阵列式增流装置（1）和拨片拨动式发电机组件（2）通过紧定螺钉（3）紧固连接；所述的多孔阵列式增流装置（1）设置有进气孔（1-1）、环形高压容气腔（1-2）、增流装置螺纹连接孔（1-3）、锥形吸气端（1-4）、微型射流孔（1-5）和锥形气流喷射端（1-6）；所述拨片拨动式发电机组件（2）由活塞安装架（2-1）、发电组件安装架（2-2）、压电发电组件（2-3）、紧固螺钉（2-4）、活塞（2-5）和弹簧（2-6）组成。
2.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机，其特征在于所述的多孔阵列式增流装置（1）中进气孔（1-1）位于环形高压容气腔（1-2）的圆柱表面上，所述增流装置螺纹连接孔（1-3）与紧定螺钉（3）螺纹连接，所述锥形吸气端（1-4）位于多孔阵列式增流装置（1）的端面，所述微型射流孔（1-5）位于环形高压容气腔（1-2）的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔（1-5）紧贴多孔阵列式增流装置（1）的排气端壁面，所述锥形气流喷射端（1-6）位于多孔阵列式增流装置（1）的排气端。
3.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机，其特征在于所述拨片拨动式发电机组件（2）中活塞安装架（2-1）设置有发电机组件安装螺纹孔（2-1-1），拨片拨动式发电机组件（2）通过发电机组件安装螺纹孔（2-1-1）与多孔阵列式增流装置（1）安装连接，所述活塞安装架（2-1）设置有排气孔（2-1-2），排气孔（2-1-2）沿周向阵列布置，所述活塞安装架（2-1）设置有活塞滑孔（2-1-3），活塞（2-5）与活塞滑孔（2-1-3）配合，所述活塞安装架（2-1）设置有发电机组件进气口（2-1-4），发电机组件进气口（2-1-4）位于活塞安装架（2-1）端部；所述发电组件安装架（2-2）设置有发电组件安装孔（2-2-1），压电发电组件（2-3）通过发电组件安装孔（2-2-1）安装固定在发电组件安装架（2-2）上，所述发电组件安装架（2-2）设置有布线孔（2-2-2），用于压电发电组件（2-3）的布线，所述发电组件安装架（2-2）设置有安装通孔（2-2-3），紧固螺钉（2-4）与安装通孔（2-2-3）配合连接；所述压电发电组件（2-3）设置有弹性基板（2-3-1）和压电元件（2-3-2），弹性基板（2-3-1）和压电元件（2-3-2）粘接；所述活塞（2-5）设置有受风板（2-5-1）、滑柱（2-5-2），所述滑柱（2-5-2）可在活塞滑孔（2-1-3）中滑动，所述活塞（2-5）设置有拨片（2-5-3），用于拨动压电发电组件（2-3）；所述弹簧（2-6）用于活塞（2-5）的回程运动。
4.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机，其特征在于所述多孔阵列式增流装置（1）中进气孔（1-1）的直径为D3；所述锥形吸气端（1-4）的最大直径为D1，所述锥形吸气端（1-4）的锥角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°；D3与 D1的比值为O=D3/D1，O的取值满足的范围为0.2~0.6；所述锥形气流喷射端（1-6）的最小直径D2，所述锥形气流喷射端（1-6）的锥角为α，α的取值满足的范围为0~20°； D3与D2的比值为G=D3/D2，G的取值满足的范围为0.2~0.4；所述进气孔（1-1）中心与锥形吸气端（1-4）端面的直线距离为L1，所述进气孔（1-1）中心与锥形气流喷射端（1-6）端面的直线距离为L2，L1与L2的比值为F=L1/L2；所述微型射流孔（1-5）的直径为d，d与 D3的比值为J=d/D3，J的取值满足的范围为0.05~0.1。
5.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机，其特征在于所述活塞安装架（2-1）中排气孔（2-1-2）距离发电机组件进气口（2-1-4）的距离为S，S的取值满足的范围为10~20 mm，所述发电机组件进气口（2-1-4）的直径为D，D的取值满足的范围为40~50 mm，所述受风板（2-5-1）的直径为C，D和C的差值为M=D-C，M的取值满足的范围为4~8 mm，所述拨片（2-5-3）具有倾角β，β的取值满足的范围为5~20°，所述拨片（2-5-3）具有高度值h，h的取值满足的范围5~15 mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于物联网节点供能的拨片拨动式压电发电机，其特征在于所述的压电发电组件（2-3）中的压电元件（2-3-2）可选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
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