CN107681923A - 一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，为解决当前压电发电机俘能频带窄，俘能效率低等问题。本发明由高压激励腔、活塞式驱动发电组件、压电发电腔、紧定螺钉和垫圈组成，其中高压激励腔和压电发电腔通过紧定螺钉紧固连接，活塞式驱动发电组件放置在高压激励腔内部。本发明在高压气体激励下，由弹簧、凹槽活塞及后端盖组成的非线性结构将产生振动，基于正压电效应，压电元件将产生电能。本发明采用多模态宽频结构设计，并结合机械调频的方法，实现了压电发电机在低频激励下的高幅振动，拓宽了其俘能频带，有效提高了压电发电机的俘能效率。本发明结构新颖，能量利用率高，在气动技术领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，属于气动技术领域。
背景技术
气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量和信号传递的工程技术，是实现自动化生产与工业控制的重要手段之一，以其成本低、污染小、易调控等优点在加工、制造、汽车生产等领域中应用广泛。随着气动技术的不断发展，人们对气动系统智能化的要求也越来越高，物联网技术在气动系统中的应用则是实现气动技术智能化的主要方式之一。目前，气动系统中物联网节点通常由传感器和无线通信模块组成，其供电方式一般采用外接电路和电池供电，外接电路供电会使气动系统供电线路复杂，增加系统维护的成本和困难程度；而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，难以满足传感器和无线通信模块持续工作的要求。因此，需研究一种用于气动系统中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。在气动系统中，管道内的压缩气体存在巨大的能量，其也具备安全清洁可再生等优势。因此，合理利用气动系统的气体能量，结合压电材料的正压电效应将气体能量转化为电能为气动系统中物联网节点供能，可有效解决外接电路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，对提高气动系统的智能化水平具有促进作用。然而气动系统中的振动大都是低频振动，但目前大多数压电发电机简谐振动频率较高，俘能频带窄，导致其俘能效率低，限制了压电发电机在气动技术领域的发展与应用。
发明内容
为解决当前用于气动系统中物联网节点供能的压电发电机存在俘能频带窄，俘能效率低等问题，本发明公开一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，实现了压电发电机在低频激励下的高幅振动，拓宽了压电发电机的俘能频带，有效提高了压电发电机的俘能效率。
本发明所采用的技术方案是：所述一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机由高压激励腔、活塞式驱动发电组件、压电发电腔、紧定螺钉和垫圈组成，其中高压激励腔和压电发电腔通过紧定螺钉紧固连接，活塞式驱动发电组件放置在高压激励腔内部，活塞式驱动发电组件在高压气体的激励作用下运动，垫圈固定在高压激励腔的垫圈限位板处，垫圈可以对凹槽活塞的运动起到缓冲作用。
所述高压激励腔设置有紧定螺钉通孔、气管快速接头、高压气体腔、环形凹面和垫圈限位板；所述紧定螺钉通孔周向布置在高压激励腔下方，其在紧定螺钉的作用下，实现高压激励腔与压电发电腔的固定，所述气管快速接头安装在高压激励腔的两端，用于与外界气动元件配合，便于高压激励腔的安装固定，所述高压激励腔设置有高压气体腔，高压气体经过高压气体腔，可驱动活塞式驱动发电组件运动，所述环形凹面靠近高压激励腔末端位置，其内侧涂抹润滑油，使凹槽活塞在高压激励腔内正常运动，所述高压激励腔设置有垫圈限位板，其用于垫圈的安装。
所述活塞式驱动发电组件包括凹槽活塞、压缩弹簧I、大圆柱磁铁和上压电悬臂梁组件；所述凹槽活塞置于环形凹面内，初始状态凹槽活塞顶端与垫圈完全接触，凹槽活塞采用气密性较好的橡胶材料制成，所述压缩弹簧I一端作用于凹槽活塞底面的弹簧卡槽I中，另一端置于外壳的固定卡槽内，压缩弹簧I的弹力可促使凹槽活塞复位，所述大圆柱磁铁胶粘固定在凹槽活塞的底端，其与小圆柱磁铁产生斥力作用，可实现对内腔体地驱动，凹槽活塞底面环贴n个上压电悬臂梁组件，n个上压电悬臂梁组件依据上悬臂梁弹性体和压电单元I长度的改变出现多种不同的模态，其中n为大于等于2的正整数，本具体实施方式中n=4。
所述凹槽活塞包括弹簧卡槽I、扇形凹槽I、活塞杆和磁铁粘贴槽I，其中弹簧卡槽I位于凹槽活塞底面，用于压缩弹簧I一端的固定，所述扇形凹槽I位于弹簧卡槽I外侧，呈圆周均匀分布m个，其中m=n，本具体实施方式中m的取值为4，其用于胶粘固定上压电悬臂梁组件，所述活塞杆的底端设置有磁铁粘贴槽I，其用于大圆柱磁铁的固定。
所述上压电悬臂梁组件由上悬臂梁弹性体、压电单元I和环形磁铁I组成，所述上悬臂梁弹性体通过胶粘固定在凹槽活塞的扇形凹槽I内，所述压电单元I通过环氧树脂胶粘接在上悬臂梁弹性体两侧，环形磁铁I通过环氧树脂胶粘接在上悬臂梁弹性体自由端一侧，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品；所述上悬臂梁弹性体的长度为a，a的取值满足首项为a1、公差为e的等差数列，压电单元I的长度为b，b的取值满足首项为b1、公差为f的等差数列，本具体实施方式中上压电悬臂梁组件中的上悬臂梁弹性体长度a可取a1、a2、a3、a4，其中a1=60 mm、e=5，上压电悬臂梁组件中压电单元I长度b可取b1、b2、b3、b4，其中b1=45 mm、f=5。
所述压电发电腔包括外壳、固定螺钉、后端盖、下压电悬臂梁组件、压缩弹簧II、内腔体、条形压电悬臂梁组件和小圆柱磁铁，其中外壳和后端盖通过固定螺钉稳固连接，下压电悬臂梁组件粘接在后端盖的扇形凹槽II内，其中所环贴的下压电悬臂梁组件数量为p个，p个下压电悬臂梁组件依据下悬臂梁弹性体和压电单元II长度的改变出现多种不同的模态，其与上压电悬臂梁组件共同作用实现该压电发电机的宽频俘能，其中p=n，本具体实施方式中p=4，所述压缩弹簧II一端固定在后端盖的阶梯孔内，另一端嵌入在内腔体的弹簧卡槽II内，其用于内腔体复位，所述内腔体置于外壳内部，条形压电悬臂梁组件粘接在内腔体内壁上，所述小圆柱磁铁粘贴在内腔体的磁铁粘贴槽II内。
所述外壳设置有螺纹孔I、十字环形固定架、固定卡槽和螺纹孔II；所述螺纹孔I周向设置在外壳上方，其与紧定螺钉通孔在紧定螺钉的作用下，实现了高压激励腔与外壳的固定，所述十字环形固定架位于外壳内部，其中心为环形，固定卡槽置于十字环形固定架的环形面上，固定卡槽和弹簧卡槽I将压缩弹簧I两自由端固定，所述螺纹孔II周向设置在外壳底端。
所述后端盖由固定螺钉通孔、端面、扇形凹槽II、阶梯孔和组成，其中固定螺钉通孔与外壳底端的螺纹孔II在固定螺钉的作用下，实现外壳与后端盖的固定，所述扇形凹槽II置于端面上，呈周向均匀分布q个，其中q = n，本具体实施方式中q的取值为4，其用于下压电悬臂梁组件的固定，所述阶梯孔的下方用于压缩弹簧II的安放，置于压缩弹簧II上端的内腔体安放在阶梯孔的上方，所述周向设置在阶梯孔的上端边缘，其用于约束内腔体仅能在阶梯孔内运动。
所述下压电悬臂梁组件由下悬臂梁弹性体、压电单元II和环形磁铁II组成，所述下悬臂梁弹性体通过胶粘固定在后端盖的扇形凹槽II内，所述压电单元II通过环氧树脂胶粘接在下悬臂梁弹性体两侧，环形磁铁II通过环氧树脂胶粘接在下悬臂梁弹性体自由端一侧，环形磁铁II与环形磁铁I相向设置，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品；所述下悬臂梁弹性体的长度为c，c的取值满足首项为c1、公差为h的等差数列，压电单元II的长度为d，d的取值满足首项为d1、公差为i的等差数列，本具体实施方式中下压电悬臂梁组件中的下悬臂梁弹性体长度c可取c1、c2、c3、c4，其中c1=60 mm、h=5，下压电悬臂梁组件中压电单元II长度d可取d1、d2、d3、d4，其中d1=45 mm、i=5。
所述内腔体设置有弹簧卡槽II、扇形凹槽III和磁铁粘贴槽II，所述弹簧卡槽II设置在内腔体的底面，其用于压缩弹簧II的固定，所述扇形凹槽III圆周分布在内腔体的内壁上，条形压电悬臂梁组件通过胶粘方式固定在扇形凹槽III内，所述磁铁粘贴槽II置于内腔体的上方，其用于小圆柱磁铁的固定。
所述条形压电悬臂梁组件包括悬臂梁、粘接体、压电单元III和质量块，所述粘接体设置在悬臂梁的端部，其与内腔体的扇形凹槽III配合，通过胶粘方式固定在扇形凹槽III内，所述压电单元III通过环氧树脂胶粘接在悬臂梁上下两侧，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品，所述质量块粘贴在悬臂梁自由端，其可增大条形压电悬臂梁组件的振动幅度；所述压电单元I、压电单元II和压电单元III选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性大的压电材料。
所述垫圈外环中部设置有垫圈凹槽，其用于和高压激励腔中的垫圈限位板配合，实现垫圈的安装固定。
本发明的有益效果是：在不影响气动系统的工作情况下，利用所发明的高压气体激励的低频宽带式压电发电机，以间歇工作的高压气体为动力源，一方面采用多模态的压电悬臂梁结构实现宽频俘能；另一方面根据牛顿第一定律，使条形压电悬臂梁组件自发振动。本发明采用多模态宽频结构设计，并结合机械调频的方法，实现了压电发电机在低频激励下的高幅振动，拓宽了其俘能频带，有效提高了压电发电机的俘能效率。本发明结构新颖，能量利用率高，在气动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高压气体激励的低频宽带式压电发电机的结构示意图；
图2所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的高压激励腔剖视图；
图3所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的活塞式驱动发电组件结构示意图；
图4所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的凹槽活塞结构示意图；
图5所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的上压电悬臂梁组件结构示意图；
图6所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的上压电悬臂梁组件尺寸示意图；
图7所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的压电发电腔结构示意图；
图8所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的外壳结构示意图；
图9所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的后端盖结构示意图；
图10所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的下压电悬臂梁组件结构示意图；
图11所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的下压电悬臂梁组件尺寸示意图；
图12所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的内腔体剖视图；
图13所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的条形压电悬臂梁组件结构示意图；
图14所示为本发明提出的高压气体激励的低频宽带式压电发电机的垫圈结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式：结合图1~图14说明本实施方式。本实施方式提供了一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机的具体实施方案。所述一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机由高压激励腔1、活塞式驱动发电组件2、压电发电腔3、紧定螺钉4和垫圈5组成，其中高压激励腔1和压电发电腔3通过紧定螺钉4紧固连接，活塞式驱动发电组件2放置在高压激励腔1内部，活塞式驱动发电组件2在高压气体的激励作用下运动，垫圈5固定在高压激励腔1的垫圈限位板1-5处，垫圈5可以对凹槽活塞2-1的运动起到缓冲作用。
所述高压激励腔1设置有紧定螺钉通孔1-1、气管快速接头1-2、高压气体腔1-3、环形凹面1-4和垫圈限位板1-5；所述紧定螺钉通孔1-1周向布置在高压激励腔1下方，其在紧定螺钉4的作用下，实现高压激励腔1与压电发电腔3的固定，所述气管快速接头1-2安装在高压激励腔1的两端，用于与外界气动元件配合，便于高压激励腔1的安装固定，所述高压激励腔1设置有高压气体腔1-3，高压气体经过高压气体腔1-3，可驱动活塞式驱动发电组件2运动，所述环形凹面1-4靠近高压激励腔1末端位置，其内侧涂抹润滑油，使凹槽活塞2-1在高压激励腔1内正常运动，所述高压激励腔1设置有垫圈限位板1-5，其用于垫圈5的安装。
所述活塞式驱动发电组件2包括凹槽活塞2-1、压缩弹簧I 2-2、大圆柱磁铁2-3和上压电悬臂梁组件2-4；所述凹槽活塞2-1置于环形凹面1-4内，初始状态凹槽活塞2-1顶端与垫圈5完全接触，凹槽活塞2-1采用气密性较好的橡胶材料制成，所述压缩弹簧I 2-2一端作用于凹槽活塞2-1底面的弹簧卡槽I 2-1-1中，另一端置于外壳3-1的固定卡槽3-1-3内，压缩弹簧I 2-2的弹力可促使凹槽活塞2-1复位，所述大圆柱磁铁2-3胶粘固定在凹槽活塞2-1的底端，其与小圆柱磁铁3-8产生斥力作用，可实现对内腔体3-6的驱动，凹槽活塞2-1底面环贴n个上压电悬臂梁组件2-4，n个上压电悬臂梁组件2-4依据上悬臂梁弹性体2-4-1和压电单元I 2-4-2长度的改变出现多种不同的模态，其中n为大于等于2的正整数，本具体实施方式中n=4。
所述凹槽活塞2-1包括弹簧卡槽I 2-1-1、扇形凹槽I 2-1-2、活塞杆2-1-3和磁铁粘贴槽I 2-1-4，其中弹簧卡槽I 2-1-1位于凹槽活塞2-1底面，用于压缩弹簧I 2-2一端的固定，所述扇形凹槽I 2-1-2位于弹簧卡槽I 2-1-1外侧，呈圆周均匀分布m个，其中m=n，本具体实施方式中m的取值为4，其用于胶粘固定上压电悬臂梁组件2-4，所述活塞杆2-1-3的底端设置有磁铁粘贴槽I 2-1-4，其用于大圆柱磁铁2-3的固定。
所述上压电悬臂梁组件2-4由上悬臂梁弹性体2-4-1、压电单元I2-4-2和环形磁铁I2-4-3组成，所述上悬臂梁弹性体2-4-1通过胶粘固定在凹槽活塞2-1的扇形凹槽I 2-1-2内，所述压电单元I 2-4-2通过环氧树脂胶粘接在上悬臂梁弹性体2-4-1两侧，环形磁铁I2-4-3通过环氧树脂胶粘接在上悬臂梁弹性体2-4-1自由端一侧，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品；所述上悬臂梁弹性体2-4-1的长度为a，a的取值满足首项为a1、公差为e的等差数列，压电单元I 2-4-2的长度为b，b的取值满足首项为b1、公差为f的等差数列，本具体实施方式中上压电悬臂梁组件2-4中的上悬臂梁弹性体2-4-1长度a可取a1、a2、a3、a4，其中a1=60 mm、e=5，上压电悬臂梁组件2-4中压电单元I 2-4-2长度b可取b1、b2、b3、b4，其中b1=45mm、f=5。
所述压电发电腔3包括外壳3-1、固定螺钉3-2、后端盖3-3、下压电悬臂梁组件3-4、压缩弹簧II 3-5、内腔体3-6、条形压电悬臂梁组件3-7和小圆柱磁铁3-8，其中外壳3-1和后端盖3-3通过固定螺钉3-2稳固连接，下压电悬臂梁组件3-4粘接在后端盖3-3的扇形凹槽II3-3-3内，其中所环贴的下压电悬臂梁组件3-4数量为p个，p个下压电悬臂梁组件3-4依据下悬臂梁弹性体3-4-1和压电单元II 3-4-2长度的改变出现多种不同的模态，其与上压电悬臂梁组件2-4共同作用实现该压电发电机的宽频俘能，其中p=n，本具体实施方式中p=4，所述压缩弹簧II 3-5一端固定在后端盖3-3的阶梯孔3-3-4内，另一端嵌入在内腔体3-6的弹簧卡槽II 3-6-1内，其用于内腔体3-6复位，所述内腔体3-6置于外壳3-1内部，条形压电悬臂梁组件3-7粘接在内腔体3-6内壁上，所述小圆柱磁铁3-8粘贴在内腔体3-6的磁铁粘贴槽II 3-6-3内。
所述外壳3-1设置有螺纹孔I3-1-1、十字环形固定架3-1-2、固定卡槽3-1-3和螺纹孔II3-1-4；所述螺纹孔I3-1-1周向设置在外壳3-1上方，其与紧定螺钉通孔1-1在紧定螺钉4的作用下，实现了高压激励腔1与外壳3-1的固定，所述十字环形固定架3-1-2位于外壳3-1内部，其中心为环形，固定卡槽3-1-3置于十字环形固定架3-1-2的环形面上，固定卡槽3-1-3和弹簧卡槽I 2-1-1将压缩弹簧I 2-2两自由端固定，所述螺纹孔II3-1-4周向设置在外壳3-1底端。
所述后端盖3-3由固定螺钉通孔3-3-1、端面3-3-2、扇形凹槽II3-3-3、阶梯孔3-3-4和3-3-5组成，其中固定螺钉通孔3-3-1与外壳3-1底端的螺纹孔II 3-1-4在固定螺钉3-2的作用下，实现外壳3-1与后端盖3-3的固定，所述扇形凹槽II3-3-3置于端面3-3-2上，呈周向均匀分布q个，其中q = n，本具体实施方式中q的取值为4，其用于下压电悬臂梁组件3-4的固定，所述阶梯孔3-3-4的下方用于压缩弹簧II 3-5的安放，置于压缩弹簧II 3-5上端的内腔体3-6安放在阶梯孔3-3-4的上方，所述3-3-5周向设置在阶梯孔3-3-4的上端边缘，其用于约束内腔体3-6仅能在阶梯孔3-3-4内运动。
所述下压电悬臂梁组件3-4由下悬臂梁弹性体3-4-1、压电单元II 3-4-2和环形磁铁II 3-4-3组成，所述下悬臂梁弹性体3-4-1通过胶粘固定在后端盖3-3的扇形凹槽II3-3-3内，所述压电单元II3-4-2通过环氧树脂胶粘接在下悬臂梁弹性体3-4-1两侧，环形磁铁II3-4-3通过环氧树脂胶粘接在下悬臂梁弹性体3-4-1自由端一侧，环形磁铁II 3-4-3与环形磁铁I 2-4-3相向设置，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品；所述下悬臂梁弹性体3-4-1的长度为c，c的取值满足首项为c1、公差为h的等差数列，压电单元II 3-4-2的长度为d，d的取值满足首项为d1、公差为i的等差数列，本具体实施方式中下压电悬臂梁组件3-4中的下悬臂梁弹性体3-4-1长度c可取c1、c2、c3、c4，其中c1=60 mm、h=5，下压电悬臂梁组件3-4中压电单元II 3-4-2长度d可取d1、d2、d3、d4，其中d1=45 mm、i=5。
所述内腔体3-6设置有弹簧卡槽II 3-6-1、扇形凹槽III 3-6-2和磁铁粘贴槽II3-6-3，所述弹簧卡槽II 3-6-1设置在内腔体3-6的底面，其用于压缩弹簧II 3-5的固定，所述扇形凹槽III 3-6-2圆周分布在内腔体3-6的内壁上，条形压电悬臂梁组件3-7通过胶粘方式固定在扇形凹槽III 3-6-2内，所述磁铁粘贴槽II 3-6-3置于内腔体3-6的上方，其用于小圆柱磁铁3-8的固定。
所述条形压电悬臂梁组件3-7包括悬臂梁3-7-1、粘接体3-7-2、压电单元III3-7-3和质量块3-7-4，所述粘接体3-7-2设置在悬臂梁3-7-1的端部，其与内腔体3-6的扇形凹槽III 3-6-2配合，通过胶粘方式固定在扇形凹槽III 3-6-2内，所述压电单元III 3-7-3通过环氧树脂胶粘接在悬臂梁3-7-1上下两侧，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品，所述质量块3-7-4粘贴在悬臂梁3-7-1自由端，其可增大条形压电悬臂梁组件3-7的振动幅度；所述压电单元I 2-5-2、压电单元II 3-4-2和压电单元III 3-7-3选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性大的压电材料。
所述垫圈5外环中部设置有垫圈凹槽5-1，其用于和高压激励腔1中的垫圈限位板1-5配合，实现垫圈5的安装固定。
工作原理：本发明基于压电材料的正压电效应和多模态宽频结构可以将气体的压力能高效转化为电能。本发明可通过气管快速接头1-2与工作在高压环境的气动元件配合连接，供气阶段，高压气体进入高压气体腔1-3，与压电发电腔3中外壳3-1的内部形成压力差，压力驱动凹槽活塞2-1向外壳3-1内部运动，一方面粘接在扇形凹槽I 2-1-2内的上压电悬臂梁组件2-4靠近带有同性磁极磁铁的下压电悬臂梁组件3-4，二者在斥力作用下产生初始挠度，另一方面粘接在磁铁粘贴槽I 2-1-4内的大圆柱磁铁2-3靠近内腔体3-6，大圆柱磁铁2-3与磁铁粘贴槽II 3-6-3内的小圆柱磁铁3-8之间产生斥力，从而可驱动内腔体3-6并使压缩弹簧II 3-5收缩；停止供气后，压力差消失，凹槽活塞2-1在压缩弹簧I 2-2的作用下复位，一方面因上压电悬臂梁组件2-4和下压电悬臂梁组件3-4之间磁力减小，上悬臂梁弹性体2-4-1和下悬臂梁弹性体3-4-1在各自的振动频率下振动，从而使压电单元I 2-4-2和压电单元II 3-4-2变形，以实现电能的输出；另一发面由于作用在内腔体3-6的斥力减小，压缩弹簧II 3-5可驱动内腔体3-6复位，在凹槽活塞2-1和压缩弹簧II 3-5相互作用下内腔体3-6产生振动，根据牛顿第一定律，粘接在扇形凹槽III 3-6-2内的条形压电悬臂梁组件3-7产生振动，条形压电悬臂梁组件3-7自由端的质量块3-7-4可增大条形压电悬臂梁组件3-7的振动幅度，从而带动压电单元III 3-7-3变形，以实现电能的输出。
综上所述，本发明公开了一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，本发明采用多模态宽频结构设计，并结合机械调频的方法，实现了压电发电机在低频激励下的高幅振动，拓宽了其俘能频带，有效提高了压电发电机的俘能效率。本发明结构新颖，能量利用率高，在气动技术领域具有广泛的应用前景。
Claims (8)
1.一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，其特征在于该压电发电机由高压激励腔（1）、活塞式驱动发电组件（2）、压电发电腔（3）、紧定螺钉（4）和垫圈（5）组成，其中高压激励腔（1）和压电发电腔（3）通过紧定螺钉（4）紧固连接，活塞式驱动发电组件（2）放置在高压激励腔（1）内部，垫圈（5）固定在高压激励腔（1）的垫圈限位板（1-5）处；所述高压激励腔（1）设置有紧定螺钉通孔（1-1）、气管快速接头（1-2）、高压气体腔（1-3）、环形凹面（1-4）和垫圈限位板（1-5），所述紧定螺钉通孔（1-1）周向布置在高压激励腔（1）下方，所述气管快速接头（1-2）安装在高压激励腔（1）的两端，所述高压激励腔（1）设置有高压气体腔（1-3），高压气体经过高压气体腔（1-3），可驱动活塞式驱动发电组件（2）运动，所述环形凹面（1-4）靠近高压激励腔（1）的末端，所述垫圈限位板（1-5）设置在环形凹面（1-4）顶端附近；所述活塞式驱动发电组件（2）包括凹槽活塞（2-1）、压缩弹簧I（2-2）、大圆柱磁铁（2-3）和上压电悬臂梁组件（2-4），所述凹槽活塞（2-1）置于环形凹面（1-4）内，初始状态凹槽活塞（2-1）顶端与垫圈（5）完全接触，所述压缩弹簧I（2-2）一端作用于凹槽活塞（2-1）底面的弹簧卡槽I（2-1-1）中，另一端置于外壳（3-1）的固定卡槽（3-1-3）内，所述大圆柱磁铁（2-3）胶粘固定在凹槽活塞（2-1）的磁铁粘贴槽I（2-1-4）内，凹槽活塞（2-1）底面环贴n个上压电悬臂梁组件（2-4），n个上压电悬臂梁组件（2-4）依据上悬臂梁弹性体（2-4-1）和压电单元I（2-4-2）长度的改变出现多种不同的模态，其中n为大于等于2的正整数；所述压电发电腔（3）包括外壳（3-1）、固定螺钉（3-2）、后端盖（3-3）、下压电悬臂梁组件（3-4）、压缩弹簧II（3-5）、内腔体（3-6）、条形压电悬臂梁组件（3-7）和小圆柱磁铁（3-8），所述外壳（3-1）和后端盖（3-3）通过固定螺钉（3-2）稳固连接，下压电悬臂梁组件（3-4）粘接在后端盖（3-3）的扇形凹槽II（3-3-3）内，其中所环贴的下压电悬臂梁组件（3-4）数量为p个，其中p = n ，p个下压电悬臂梁组件（3-4）依据下悬臂梁弹性体（3-4-1）和压电单元II（3-4-2）长度的改变出现多种不同的模态，所述压缩弹簧II（3-5）一端固定在后端盖（3-3）的阶梯孔（3-3-4）底部，另一端作用在内腔体（3-6）的底端，所述内腔体（3-6）置于外壳（3-1）内部，条形压电悬臂梁组件（3-7）粘接在内腔体（3-6）内壁上，所述小圆柱磁铁（3-8）粘贴在内腔体（3-6）的磁铁粘贴槽II（3-6-3）内；所述垫圈（5）外环中部设置有垫圈凹槽（5-1），垫圈凹槽（5-1）与垫圈限位板（1-5）配合，将垫圈（5）安装固定在高压激励腔（1）内。
2.根据权利要求1所述的一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，其特征在于所述凹槽活塞（2-1）包括弹簧卡槽I（2-1-1）、扇形凹槽I（2-1-2）、活塞杆（2-1-3）和磁铁粘贴槽I（2-1-4），所述弹簧卡槽I（2-1-1）位于凹槽活塞（2-1）底面，所述扇形凹槽I（2-1-2）位于弹簧卡槽I（2-1-1）外侧，呈周向均匀分布m个，其中m=n，所述活塞杆（2-1-3）的底端设置有磁铁粘贴槽I（2-1-4）。
3.根据权利要求1所述的一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，其特征在于所述上压电悬臂梁组件（2-4）由上悬臂梁弹性体（2-4-1）、压电单元I（2-4-2）和环形磁铁I（2-4-3）组成，所述上悬臂梁弹性体（2-4-1）通过胶粘固定在扇形凹槽I（2-1-2）内，所述压电单元I（2-4-2）通过环氧树脂胶粘接在上悬臂梁弹性体（2-4-1）两侧，环形磁铁I（2-4-3）通过环氧树脂胶粘接在上悬臂梁弹性体（2-4-1）自由端一侧；所述上悬臂梁弹性体（2-4-1）的长度为a，a的取值满足首项为a1、公差为e的等差数列，压电单元I（2-4-2）的长度为b，b的取值满足首项为b1、公差为f的等差数列。
4.根据权利要求1所述的一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，其特征在于所述外壳（3-1）设置有螺纹孔I（3-1-1）、十字环形固定架（3-1-2）、固定卡槽（3-1-3）和螺纹孔II（3-1-4），所述螺纹孔I（3-1-1）周向设置在外壳（3-1）上方，所述十字环形固定架（3-1-2）位于外壳（3-1）内部，其中心为环形，固定卡槽（3-1-3）置于十字环形固定架（3-1-2）的环形面上，固定卡槽（3-1-3）和弹簧卡槽I（2-1-1）将压缩弹簧I（2-2）两自由端固定，所述螺纹孔II（3-1-4）在外壳（3-1）底端均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，其特征在于所述后端盖（3-3）由固定螺钉通孔（3-3-1）、端面（3-3-2）、扇形凹槽II（3-3-3）、阶梯孔（3-3-4）和弹性片（3-3-5）组成，所述固定螺钉通孔（3-3-1）周向设置在后端盖（3-3）的底端，固定螺钉通孔（3-3-1）与螺纹孔II（3-1-4）通过固定螺钉（3-2）将后端盖（3-3）固定在外壳（3-1）上，所述扇形凹槽II（3-3-3）置于端面（3-3-2）上，呈周向均匀分布q个，其中q = n，压缩弹簧II（3-5）安放在阶梯孔（3-3-4）的下部，置于压缩弹簧II（3-5）上端的内腔体（3-6）安放在阶梯孔（3-3-4）的上部，所述弹性片（3-3-5）周向设置在阶梯孔（3-3-4）的上端边缘。
6.根据权利要求1所述的一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，其特征在于所述下压电悬臂梁组件（3-4）由下悬臂梁弹性体（3-4-1）、压电单元II（3-4-2）和环形磁铁II（3-4-3）组成，所述下悬臂梁弹性体（3-4-1）通过胶粘固定在扇形凹槽II（3-3-3）内，所述压电单元II（3-4-2）通过环氧树脂胶粘接在下悬臂梁弹性体（3-4-1）两侧，环形磁铁II（3-4-3）通过环氧树脂胶粘接在下悬臂梁弹性体（3-4-1）自由端一侧，环形磁铁II（3-4-3）与环形磁铁I（2-4-3）相向设置；所述下悬臂梁弹性体（3-4-1）的长度为c，c的取值满足首项为c1、公差为h的等差数列，压电单元II（3-4-2）的长度为d，d的取值满足首项为d1、公差为i的等差数列。
7.根据权利要求1所述的一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，其特征在于所述内腔体（3-6）设置有弹簧卡槽II（3-6-1）、扇形凹槽III（3-6-2）和磁铁粘贴槽II（3-6-3），所述弹簧卡槽II（3-6-1）设置在内腔体（3-6）的底面，所述扇形凹槽III（3-6-2）周向分布在内腔体（3-6）的内壁上，条形压电悬臂梁组件（3-7）通过胶粘方式固定在扇形凹槽III（3-6-2）内，所述磁铁粘贴槽II（3-6-3）置于内腔体3-6的顶端。
8.根据权利要求1所述的一种高压气体激励的低频宽带式压电发电机，其特征在于所述条形压电悬臂梁组件（3-7）包括悬臂梁（3-7-1）、粘接体（3-7-2）、压电单元III（3-7-3）和质量块（3-7-4），所述粘接体（3-7-2）设置在悬臂梁（3-7-1）的端部，所述压电单元III（3-7-3）通过环氧树脂胶粘接在悬臂梁（3-7-1）两侧，所述质量块（3-7-4）粘贴在悬臂梁（3-7-1）自由端。
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|---|---|---|---|---|
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| CN206422677U (zh) * | 2017-01-15 | 2017-08-18 | 长春工业大学 | 用于物联网节点供能的拨动式电磁‑压电发电机 |
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