CN108352791A - 利用压电发电机产生电能的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于产生电能的系统，其带有多个发电机组(Ega、Egb)，每个发电机组包括：‑至少一个压电发电机(Ga、Gb)，能够在施加到所述发电机的机械力作用下产生电能，‑执行器(Aa、Ab)，能够在所述执行器(Aa、Ab)被触发时对发电机(Ga、Gb)施加机械力，‑带有凸轮表面(Sca、Scb)的旋转凸轮(Ca、Cb)，‑凸轮表面(SCa、Scb)的随动装置(MSa、Msb)，‑与随动装置(MSa、MSb)相连的杠杆(La、Lb)，所述杠杆被安装成杠杆臂并且与执行器(Aa、Ab)联动，从而在凸轮(Ca、Cb)受力旋转并且凸轮表面(SCa、SCb)在随动装置(MSa、MSb)上施加机械力时，触发执行器，旋转轮(R)在动力源的驱动下旋转，所述旋转轮与凸轮(Ca、Cb)联接，从而使旋转轮在一定的转速(WR)下旋转时，可以带动凸轮以另一转速(WCa、WCb)进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。
Description
发明领域
本发明的目的在于一种利用压电发电机产生电能的系统。其目的还在于在压电发电机上施加机械力以产生电能的装置和方法。
其涉及压电发电机技术领域，它能够在受到机械应力时产生电能。
技术背景
专利文献US 7.005.779(ERICKSON)公开了一种能够产生电能的压电系统。参照图1中所示的实施方式(对应ERICKSON文献中的图3)，此系统带有发电机组，其包括：
-压电发电机47，用于在施加到所述发电机的机械力作用下产生电能，
-作为执行器的弹簧46，当所述弹簧被触发时会对发电机47施加机械力，
-带有凸轮表面的旋转凸轮40，
-凸轮表面的随动滑轮42，
-与随动滑轮相连的杠杆43，所述杠杆被安装成杠杆臂并且与弹簧45联动，从而在凸轮40受力旋转并且凸轮表面在滑轮42上施加机械力时，触发弹簧45。
凸轮40的轴41直接联接到动力源12上，例如所述动力源12可以是潮汐发电机、水力发动机或风机，并且可以直接带动所述凸轮进行旋转。
此ERICKSON系统的性能不是很好，这是因为它产生的电能量相对较低。
本发明旨在改善这种情况。具体地，本发明的目的在于显着提高上述类型系统所能够产生的电能量。
本发明的另一个目的在于提出一种稳健、设计简单并且可靠的发电机系统。
本发明的再一个目的在于提出一项高效技术，能够在压电发电机上施加机械力以产生大量电能。
发明内容
本发明提出的解决方案是一种用于产生电能的系统，其带有至少一个第一发电机组，包括：
-第一压电发电机，能够在施加到所述第一发电机的机械力作用下产生电能，
-第一执行器，能够在所述第一执行器被触发时对第一发电机施加机械力，
-带有凸轮表面的第一旋转凸轮，
-凸轮表面的第一随动装置，
-与第一随动装置相连的第一杠杆，所述第一杠杆被安装成杠杆臂并且与第一执行器联动，从而在第一凸轮受力旋转并且凸轮表面在第一随动装置上施加机械力时，触发第一执行器。
此系统包含下述显着特征：
-其带有至少一个第二发电机组，包括：
○第二压电发电机，能够在施加到所述第二发电机的机械力作用下产生电能，
○第二执行器，能够在所述第二执行器被触发时对第二发电机施加机械力，
○带有凸轮表面的第二旋转凸轮，
○凸轮表面的第二随动装置，
○与第二随动装置相连的第二杠杆，所述第二杠杆被安装成杠杆臂并且与第二执行器联动，从而在第二凸轮受力旋转并且凸轮表面在第二随动装置上施加机械力时，触发第二执行器，
-旋转轮在动力源的驱动下旋转，所述旋转轮与第一凸轮和第二凸轮联接，从而使所述旋转轮在一定的转速下旋转时，可以带动所述凸轮以另一转速进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。
在这种基于行星齿轮系原理的特殊设计中，凸轮相当于卫星，而旋转轮相当于行星。单个旋转轮能够使多个凸轮保持旋转，并且因此同时控制多个压电发电机，其作用是使所产生的电能量倍增。
此外，凸轮的转速高于旋转轮的转速，因此压电发电机的激励频率高于动力源产生的所述旋转轮的激励频率。如果动力源为潮汐电机、水力发动机或风机产生的原生能量收集器的形式，则直接与旋转轮轴相连的这种结构特别有利。因此本发明能够使浪涌频率或水力发动机或风机叶片的旋转频率倍增，以进一步激励压电发电机并产生更多的电能。
通常，按给定转速产生的能量取决于其几何形状以及所用材料的压电性质。本发明可以通过放大原生激励频率，即动力源产生的旋转轮激励，从而极简单地显着提高其效率。
下面列出了本发明的其他有利特征。这些特征中的每一个均可以单独加以利用或与上述其它显着特征组合，并且在必要情况下作为一个或多个分案专利申请：
-该系统可以带有整数N≥2个发电机组(EGi)，每个发电机组包括：-至少一个压电发电机，能够在施加到所述发电机的机械力作用下产生电能；-执行器，用于在所述执行器被触发时对发电机施加机械力；-带有凸轮表面的旋转凸轮；-凸轮表面的随动装置；-与随动装置相连的杠杆，所述杠杆被安装成杠杆臂并且与执行器联动，从而在凸轮受力旋转并且凸轮表面在所述随动装置上施加机械力时，触发执行器。所述旋转轮与N个凸轮相连，从而使所述旋转轮在一定的转速下旋转时，可以带动所述N个凸轮以另一转速进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。
-有利地，N个凸轮相对于旋转轮的转轴形成角偏移，该角偏移量为2p/N。
-有利地，每个发电机组与带有凸轮表面的旋转凸轮相连，每个所述发电机组包括：-第一子机组，其包括：压电发电机、执行器、凸轮表面随动装置、杠杆；第二子机组，其包括：另一压电发电机、另一执行器、另一凸轮表面随动装置、另一杠杆；第一子机组和第二子机组相对于凸轮转轴对称安装。
-有利地，凸轮表面与凸轮转轴对称，从而使第一子机组的凸轮随动装置与第二子机组的凸轮随动装置产生相似且同步的运动。
-有利地，每个压电发电机为两个压电柱的形式，每一个均由轴向堆叠的压电陶瓷和电极交替构成，这两个压电柱是同轴的，并且彼此相对设置。
-有利地，致动器为颊板的形式，被设置成当其被杠杆触发时，能够同时作用在每个压电柱上。
-有利地，该系统带有整数M≥2个发电机组(EGi)，每个发电机组包括：-至少一个压电发电机，能够在施加到所述发电机的机械力作用下产生电能；-执行器，能够在所述执行器被触发时对发电机施加机械力；-带有凸轮表面的旋转凸轮；-凸轮表面随动装置；-与随动装置相连的杠杆，所述杠杆被安装成杠杆臂并且与执行器联动，从而在凸轮受力旋转并且凸轮表面在所述随动装置上施加机械力时，触发所述执行器；M个平行安装在公共转轴上的凸轮，所述旋转轮与此公共转轴相连，从而使所述公共转轴旋转时同时带动所述M个凸轮同时进行旋转。
-有利地，所述M个凸轮带有相同的凸轮表面，所述凸轮表面由凹陷和凸起规则排列而成；M个凸轮在公共转轴上形成角偏移，该角偏移量为2p/(M.B)，其中B对应的是每个所述凸轮的凸轮表面上的凸起数量。
-在一种实施改型中，所述M个凸轮带有相同的凸轮表面，所述凸轮表面由凹陷和凸起规则排列而成；每个发电机组的凸轮表面的随动装置在公共转轴上形成角偏移，该角偏移量为2p/(M.B)，其中B对应的是每个所述凸轮的凸轮表面上的凸起数量。
-有利地，所述随动装置带有：-连杆，能够对与之相连的杠杆施加机械力，从而触发相应的执行器；-与连杆相连的滑轮，转动安装在凸轮表面上，所述滑轮被设置成可以在凸轮受力旋转并且所述凸轮表面在所述滑轮上施加机械力时，使所述连杆施加在杠杆上的机械力倍增。
本发明的另一个目的涉及一种装置，用于在压电发电机上施加机械力以产生大量电能，所述装置带有：
-执行器，能够在所述执行器被触发时对发电机施加机械力，
-带有凸轮表面的旋转凸轮，
-凸轮表面的随动装置，
-与随动装置相连的杠杆，所述杠杆被安装成杠杆臂并且与执行器联动，从而在凸轮受力旋转并且凸轮表面在所述随动装置上施加机械力时，触发执行器。
该装置在特征在于，所述旋转轮能够在动力源的驱动下旋转，所述旋转轮与凸轮联接，从而使所述旋转轮在一定的转速下旋转时，可以带动所述凸轮以另一转速进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。
本发明的再一个目的涉及一种在压电发电机上施加机械力以产生电能的方法，所述方法包括以下步骤：
-安装执行器，其能够在所述执行器被触发时对发电机施加机械力，
-安装带有凸轮表面的旋转凸轮，
-安装凸轮表面的随动装置，
-将杠杆安装成杠杆臂，
-将杠杆连接到随动装置上，并使所述杠杆与执行器联动，使得所述杠杆能够触发所述执行器，从而通过此触发作用，使所述执行器对发电机施加机械力。
-带动凸轮进行旋转，从而使凸轮表面对随动装置施加机械力并且使所述杠杆触发执行器。
这种方法的特征在于，其包括一个步骤，该步骤在于将凸轮与旋转轮相连，从而使所述旋转轮在一定的转速下旋转时，可以带动所述凸轮以另一转速进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。
附图说明
下面将通过作为非限制性示例给出的优选实施方式，并结合附图，阐述本发明的其它优点及特征，其中所述附图为：
-图1再现了上文中专利文献US 7.005.779(ERICKSON)中所述的发电机系统的实施方式，
-图2为根据本发明的发电机组的等轴测图，
-图3为图2所示发电机组的纵向剖视图，
-图4为根据本发明的压电发电机中使用的压电柱的剖视图，
-图5为图4所示的压电柱与电荷提取电路组合时的示意图，
-图6为根据本发明的发电机组各部件的布局动态图，
-图7示出了根据本发明的两个发电机组，这两个机组与一个公共旋转轮相连。
-图8为本发明的目标系统的等轴测图，其详细示出了凸轮与公共旋转轮之间的联动情况，
-图9为本发明的目标系统的正视图，
-图10为图9所示系统的立视图，
-图11示出了用外壳封闭后的图10所示系统，
-图12示出了根据本发明的发电机组的实施改型。
发明的优选实施方式
图2和图3示出了旨在实施本发明的发电机组EG。此发电机组EG与带有凸轮表面SC的旋转凸轮C相连。
凸轮C绕其对称轴Ac转动安装。例如，凸轮C可以是金属盘状，其直径在0.5cm到300cm之间，优选为40cm，其厚度在2mm到100mm之间。
在图2和图3中，凸轮表面SC为波纹状。它由均匀分布在整个凸轮C周围的凹陷和凸起规则排列而成。例如，凹陷和凸起的大小可以在1mm到50mm之间，优选2mm。有利地，凸轮表面SC为正弦形状。凹陷和凸起的分布是完全对称的，从而使两个凸起或两个凹陷位于凸轮C的同一条直径的两端。
图2和图3所示的发电机组EG包括两个子发电机组SEG1、SEG2。
第一子机组SEG1包括压电发电机G1、致动器A1、凸轮表面SC的随动装置MS1和杠杆L1。第二子机组SEG2与第一子机组相似，并且也包括压电发电机G2、致动器A2、凸轮表面SC的随动装置MS2和杠杆L2。
优选地，压电发电机G1、G2中每一个均为两个压电柱的形式，分别为P11、P12和P21、P22，每一个均由轴向堆叠的压电陶瓷和电极交替构成，分别为P11-P12和P21-P22，这两个压电柱是同轴的，并且彼此相对设置。
压电柱P11、P12和P21、P22是相同的。图4表示这些压电柱中的一个，所述压电柱的标号为P。其包括与电极3交替构成的压电陶瓷2堆叠，所述电极3由导体材料制成，例如铜或青铜。电极并联或串联连接。陶瓷2和电极3的数量在2到50之间，甚至可以达到150。这些陶瓷2和电极3具有相同的形状并且优选具有圆形横截面。它们被轴向贯穿。例如，它们的外径在0.5cm到20cm之间，而它们的厚度在1mm到100mm之间。例如，轴向贯穿孔的直径在0.5cm到10cm之间。轴向贯穿孔确保陶瓷2和电极3轴向对齐。
当陶瓷2和电极3堆叠时，轴向贯穿孔形成与压电柱P的轴线同轴的中心孔。该中心孔使连杆4穿过其中，这确保了对中、对齐，并有利于固定陶瓷2和电极3。固定装置5a、5b设置在连杆4的端部4a、4b处。例如，这些固定装置5a、5b为刚性元件的形式，它们固定在连杆4的端部4a、4b，从而夹紧陶瓷2和电极3构成的堆叠。例如元件5a可以是螺纹孔的形式，位于连杆4的螺纹端4a。元件5b也可以是固定在框架上的螺母或攻丝元件，并且连杆4的另一螺纹端4b拧紧到其中。
出于安全原因，陶瓷2和电极3的堆叠有利地经过电绝缘处理。为此，连杆4可以放置在由塑料等电绝缘材料制成的套筒或护套6中。也可以将堆叠放置在同样由电绝缘材料制成的外部套筒或护套7中。
如图5所示，压电柱P与电荷提取电路8相连。该电路8收集压电柱P所产生的电能。它包括：
-带控制装置的高压开关9，有利地为晶闸管，
-电压整流桥10，
-电感器11，其与压电柱P连接，由于压电柱自身构成电容元件，因此构成一个LC型谐振电路，
-并联的电容器或滤波电容器12。
-对该电能进行处理以便在输电网中使用前，存储系统13可以储存此电能。例如，此存储系统13可以由电池或超级电容座构成。由于同时与所述成对压电柱中的每一个相连，电路8可以是每对压电柱，即分别为P11-P12和P21-P22所共用的。因此，可以由直流母线收集每一个存储系统13的脉冲。
电路8的结构能够使压电柱P产生的电能最大化。实际上，通过在所述压电柱破碎时使其第一次恢复，并在其释放时第二次恢复，这种结构能够使压电柱所产生的电能倍增。
当压电柱P受到交流激励时(根据本说明书上文所述的原理)，并且在应力增加阶段，开关9保持断开。由于压电柱作为电容进行工作，压电柱P处于开路并且电荷积聚在所述压电柱的端子处。
当施加到压电柱P上的机械应力达到最大时，开关9暂时闭合，闭合时间对应的是回路LC的半个谐振周期。因此，压电柱P端子上积聚的所有电荷均提取自所述压电柱P。
在应力下降阶段，压电柱P再次充电。当机械应力达到最小时，开关9再次暂时闭合，闭合时间对应的是回路LC的半个谐振周期，以便提取电荷。然后循环继续。
为了产生能电，有必要在压电柱P11、P12、P21、P22上施加机械力。此机械力是通过执行器A1和A2施加的。
在图3和图6所示的优选实施方式中，分别为A1和A2的每个执行器作用于一对压电柱，分别为P11-P12和P21-P22。分别为A1和A2的每个执行器，为颊板的形式，被设置成当其被分别被杠杆L1和L2触发时，能够同时作用于每个压电柱，分别为P11-P12和P21-P22。
具体地，每个颊板由两个推动器构成，分别为A11-A12、A21-A22，它们安装在公共轴或者分别为Aa1、Aa2的绞接装置上，或者两个相邻轴上。这些推动器，分别为A11、A12、A21、A22，靠在分别为P11、P12、P21、P22的压电柱的其中一个端部上，所述支点可以被设计成球窝节连接件的形式。每个铰接装置Aa1、Aa2被设置成使得所述铰接装置上的推力使推动器A11-A12、A21-A22彼此远离并靠在压电柱端部，并与其接触。压电柱的另一端与固定框架相连，压电柱P11、P12、P21、P22破碎，这种破碎导致所述压电柱变形并产生电能。
在附图中，发电机G1、G2中的每一个均包括两个压电柱，分别为P11-P12和P21-P22，它们是同轴的并且相对设置。在该结构中，每个推动器A11、A12、A21、A22作用于其所连接的压电柱，斥力大于施加在铰接装置Aa1、Aa2上的推力。这种力的放大作用(放大因子可以在2到100之间)是由于推动器A11-A12和A21-A22的张角所致，并且类似于可变形平行四边形中力的放大作用。在每对压电柱P11-P12和P21-P22之间使用这类颊板还可以使压电柱P11、P12、P21、P22的高度减半，并使框架上的应力减半。
分别为L1、L2的每个杠杆，被安装成杠杆臂并且分别与执行器A1、A2联动，以触发执行器。在图6中，杠杆L1、L2在轴Aa1、Aa2上施加推力。“安装成杠杆臂”，在本发明中指杠杆L1、L2中的每一个均活动安装，可绕固定点或转动连接装置Lp1、Lp2转动。这些杠杆包括第一端L11、L21，其与连接所述杠杆的执行器A1、A2联动，还包括第二端L21、L22，其与随动装置MS1、MS2相连。为了放大施加作用在轴Aa1、Aa2上的推力，旋转点Lp1、Lp2距离第一端L11、L21比第二端L12、L22更近。每个杠杆L1、L2优选为金属刚性元件的形式，经模铸或加工制造而成，例如其长度可以在10cm到100cm之间。
随动装置MS1、MS2能够触发杠杆L1、L2，并且当凸轮C受力旋转时，使它们绕其旋转点Lp1、Lp2转动。
在图2、图3、图6中，每个随动装置MS1、MS2均带有连杆MT1、MT2，能够对与之相连的杠杆L1、L2施加机械力，并因此触发相应的执行器A1、A2。连杆MT1、MT2中的每一个均活动安装，可绕设置在第一端MT11、MT21上的转动连接装置Mp1、Mp2转动。第二端MT12、MT22靠在杠杆L1、L2的第二端L12、L22上。为了限制摩擦，第二端L12、L22中的每一个均可以设置动滑轮GL12、GL22。
每个连杆MT1、MT2优选为金属刚性元件的形式，经模铸或加工制造而成，例如其长度可以在5cm到50cm之间。
连杆MT1、MT2中的每一个均与滑轮MG1、MG2中的一个相连，所述滑轮转动安装在凸轮表面MC上。这些滑轮MG1、MG2被设置在连杆MT1、MT2两端之间，从而在凸轮C受力旋转时以及凸轮表面SC在所述滑轮上施加机械力时，连杆MT1、MT2作用在杠杆L1、L2上的机械力将会倍增。
实际上，滑轮MG1、MG2在经过凸起时远离凸轮AC的转动轴。滑轮MG1、MG2的这种远离现象使得连杆MT1、MT2绕其第一端MT11、MT12转动。而杠杆L1、L2则在其第二端L12、L22处被触发，这使其绕转动点Lp1、Lp2转动，而这种转动现象则在轴Aa1、Aa2上产生推力Aa1、Aa2。
这类随动装置具有多项优点。实际上，如果H为凸起的高度，连杆MT1、MT2的第二端MT12、MT22则移动Y.H，其中Y≥1，而其数值取决于滑轮MG1、MG2在所述连杆上的位置。杠杆L1、L2第二端L12、L22的摆动幅度等于YxH。通过放大杠杆L1、L2第二端L12、L22的摆动幅度，随动装置MS1、MS2可使作用在轴Aa1、Aa2上的推力倍增，而作用在压电柱P11、P12、P21、P22上的机械力以及因此产生的电能也倍增。
根据希望在压电柱P11、P12、P21、P22上产生的排斥作用，确定凸起的高度。假设杠杆L1、L2第二端L12、L22的摆动幅度被放大，相对于图1所示的结构(其中随动装置为直接固定在杠杆43第二端上的滑轮42)，可以考虑降低凸轮表面SC上凸起的高度。通过如此降低凸起的高度，可以更凸轮C更快速地转动，从而提高执行器A1、A2的触发频率以及因此提高压电柱P11、P12、P21、P22的频率。这些压电柱进而被触发，其产生的电能也是如此，这使得本发明目标系统的效率得以提高。
还可以考虑提高凸轮表面SC上凸起的高度，以便进一步放大杠杆L1、L2第二端L12、L22的摆动幅度，并按比例增加作用在压电柱P11、P12、P21、P22上的机械力。这些压电柱的大小则可以加大以产生更多的电能。
凸轮表面SC上存在的凸起数量B有助于压电发电机的激励频率输出。利用该数量能够放大压电柱P11、P12、P21、P22的激励频率。实际上，凸轮C每转动一周，压电柱P11、P12、P21、P22中的每一个就会被激励B次。仅作为示例，对于直径为40cm的凸轮C，可以设定凸轮表面带有24个凸起，高度为2mm，间距为50mm。优选凸轮C具有一定对数的凸起和压电发电机G1、G2，以便消除滑轮MG1、MG2在所述凸轮上产生的径向力。
在附图所示的实施方式中，第一子机组SEG1和第二子机组SEG2是相对于凸轮C的转轴AC对称设置的。优选地，凸轮表面SC与凸轮C的转轴AC对称，从而使第一子机组SEG1的随动装置MS1与第二子机组SEG2的随动装置MS2产生相似、同步且径向相对的运动。实际上，两个随动装置MS1和MS2作用在凸轮C的同一条直径上。当随动装置MS1经过一个凸轮表面SC的一个凸起(对应一个凹陷)时，另一个随动装置MS2也经过一个凸起(对应一个凹陷)。这种结构能够平衡凸轮C的应力，从而使减弱后者的振动。
图7示出了两个发电机组EGa、EGb。这些发电机组EGa、EGb中的每一个均与参照图2至图6描述的发电机组EG相似，即系统EGa、EGb中的每一个均包括至少一个与执行器Aa、Ab相连的压电发电机Ga、Gb，带有凸轮表面SCa、SCb的旋转凸轮Ca、Cb，随动装置MSa、MSb，杠杆La、Lb。
凸轮Ca和Cb的转动是利用公共转轮R同步实现的。后者活动安装，可绕其轴AR转动。例如其直径在10cm到800cm之间。
例如轮R可以带有设置在其周围的齿轮，所述齿轮与补充齿轮Ea、Eb咬合，所述补充齿轮与凸轮Ca、Cb的相应转轴相连。轮R与齿轮Ea、Eb的尺寸被设计成：当所述轮按转速WR旋转时，可以带动所述凸轮Ca、Cb以另一转速WCa、WcbCb进行旋转，该转速高于所述轮的转速。
实际上，WCa＝WCb＝WR x ZR/ZC，其中：
ZR＝轮R的齿数
ZC＝齿轮Ea、Eb的齿数
其中ZR>ZC
动力源确保带动轮R进行旋转。此动力源可以是风机或水力发动机，其轴线与轴AR重合。该动力源也可以是由海浪驱动旋转的潮汐发电机，或任何其他能够使轮R旋转的动力源(例如热机、电动机、压缩空气电动机……)。
如果动力源为风机、水力发动机或潮汐发电机，则轮R被带动时的转速可以相对较低，例如每分钟几转，但是却能获得较大的力矩，可以达到几百甚至几千kN.m.利用本发明，凸轮Ca、Cb的转速会大幅升高，可能达到每分钟几百转，并且力矩足以控制压电发生器Ga、Ga，使其激励频率相对于轮R的激励频率得到倍增。这种状态有助于产生大量的电能，例如几百千瓦，甚至几兆瓦。
在图8、图9和图10中，本发明的目标系统带有N个发电机组EGi，其中N为大于或等于2的整数。这种结构基于行星齿轮系原理，N个凸轮相当于卫星，而轮R相当于行星。因此只需使单个轮R进行旋转，就可以带动N个凸轮进行旋转，并且因此同时控制多个压电发电机，其作用是使所产生的电能量倍增。在每个凸轮与两个压电发电机(图2至图7的情况)组合的情况下，通过轮R的旋转可以同时控制2×N个压电发电机。
由于采用行星齿轮系结构，可以免去可能需要使用的传动盒，其原本用于提高凸轮的转速。如果采用传动盒，动力源产生的力矩则沿单一路径到达凸轮。这是风机的一个弱点，其造成许多故障。利用本发明的结构，动力源所产生的力矩被多个凸轮-卫星分担，这使得系统更为可靠。
这些发电机组EGi中的每一个均与参照图2至图6描述的发电机组EG相似，即其包括：压电发电机、执行器、带有凸轮表面的旋转凸轮、凸轮表面的随动装置、杠杆。轮R与N个凸轮相连，从而使所述旋转轮在一定的转速下旋转时，可以带动所述N个凸轮以另一转速进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。轮R和N个凸轮之间按照上文中参照图7所述的方式进行联接。
为了使力矩在轮R上分布并且使后者上的应力达到平衡，N个凸轮相对于轮R的转轴AR形成角偏移2p/N。
在图8所示的实施方式中，M个发电机组EGi-EGiM轴向依次重叠，其中M为大于或等于2的整数。这些发电机组EGi1-EGiM中的每一个均与上文中参照图2至图7描述的发电机组EG、EGa、EGb相似，即其中每一个均包括：至少一个与执行器相连的压电发电机、带有凸轮表面的旋转凸轮Ci1-CiM、随动装置、杠杆。
M个凸轮Ci1-CiM平行安装在公共转轴ACi上，所述公共转轴ACi与其相应的转轴重合。凸轮Ci1-CiM可以通过例如销接合保持在轴ACi上。位于轮R上的轴ACi的端部设有齿轮Ei，其与补充齿轮咬合，所述补充齿轮设置在所述轮的周围。因此，轮R旋转时，其周围的齿轮与齿轮Ei咬合，从而带动轴ACi和所有凸轮Ci1-CiM进行旋转。
优选地，凸轮Ci1-CiM具有相同的凸轮表面，但是彼此形成角偏移，此角偏移量为2p/(M.B)，其中：
M＝大于或等于2的整数(例如在2到20之间)，对应的是与轴ACi相连的凸轮Ci1-CiM的数量；
B＝每个所述凸轮表面Ci1-CiM上存在的凸起数量。
凸轮Ci1-CiM的此角偏移量具有多项优点。首先，它可以补偿施加在随动装置上的切向力，特别是在其动滑轮上。此切向力对应的是滑轮在提升凸轮表面凸起时需要克服的作用力。此切向力在轴ACi上产生阻力矩。由于凸轮Ci1-CiM的角偏移，当第一凸轮的滑轮提升凸起并产生阻力矩时，另一个凸轮的滑轮将同时放下凸起。施加在此另一凸轮上并且造成相应滑轮下降的切向力，会在轴ACi上产生动力矩，其抵消上述阻力矩。因此，“上升”滑轮产生的所有切向力均由“下降”滑轮产生的切向力进行补偿。”
另外，当压电柱被执行器触发时，其反作用力主要由两个分量组成：-所谓的“弹性”刚性应力，根据胡克定律，与压电陶瓷和电极堆叠的弹性模量成正例；-所谓的“电性”刚性应力，是由于压电陶瓷的介电性所产生的。这些反作用力会影响施加在随动装置上的切向力，特别是在其动滑轮上。
因此每对压电柱由于其弹性而产生正弦切向力矩。通过使凸轮Ci1-CiM产生相移，并且因此使发电机对产生相移，正弦切向力矩之和所产生的切向力矩在系统的输入端处被抵消，即轮R的轴AR处。
电荷提取(由于开关9在凸轮的凸起顶部和凹陷处闭合)产生库仑型切向转矩，即幅度恒定，并且符号与凸轮Ci1-CiM转速相反的。这些库仑力矩相互叠加并在轮R的轴AR处产生恒定的库仑力矩。系统输入端，即轮R的轴AR因此只受到一个库仑力矩的作用。
如果开关9没有被启动，那么此库仑力矩在摩擦时达到零，但是无法从系统中提取电能。
如果开关9同时被启动，则该库伦力矩在轴AR上达到最大值并且与反作用力矩相反，这会降低可以通过系统得到恢复的电功率。
通过在给定时间仅启动开关9中的一部分，可以调节轴AR上的库仑力矩，以便将反作用力矩调节至能够恢复最佳电功率的值。
如开关9(图5)闭合，当随动装置的滑轮到达凸起顶部或凹陷底部时，“电性”刚性应力变为零。相关压电柱的反作用力，相对于开关仍然保持断开的其它压电柱的反作用力，则失去平衡。这种失衡很可能会影响施加在凸轮Ci1-CiM上的切向力，并在轴ACi上产生阻力矩或库仑力矩。申请人意外地发现，凸轮Ci1-CiM的角偏移能够减小或甚至消除该库仑力矩。
如果随动装置的滑轮处于凸轮凹陷上，并且相连的开关9闭合以提取电荷，所述滑轮与凸轮外壳接触并且压电柱释放。
当此滑轮升至凸起顶部时，压电柱充电并受到应力。其电荷是通过闭合开关9来提取的。压电柱受到的应力下降，而没有被抵消。
当滑轮再次下降至凹陷时，压电柱充电被释放，而不是充电。长度仍然小于初始长度，并且可以看到滑轮与凸轮外壳分离。
当通过闭合开关9而最终提取电荷时，压电柱突然恢复其初始形状，并且在所述滑轮和凸轮外壳之间出现冲击。由于应力传递，该冲击可能会损坏已经分离的压电柱的构成元件，特别是脆性陶瓷2。为了解决这一问题，对压电柱施加预应力，使其不会在例如150bar下分离。
在图12中，这种预应力是由两个弹簧式或柱式压缸V1、V2产生的，例如Belleville弹性垫片。这些压缸V1、V2是在安装随动装置MS1、MS2之前安装的。它们是像子机组SEG1、SEG2一样对称设置的。压缸V1、V2的一端VE11、VE21固定在子机组SEG1、SEG2的框架上，另一端VE12、VE22形成挡块，以所需作用力推动杠杆L1、L2。此作用力可以通过螺母VC1、VC2压缩/拉伸弹簧进行来调节。例如，施加在压电柱上的预应力为150bar。在施加预应力的位置处，所述杠杆移动1.4mm时，杠杆L1、L2上的作用力大约为100daN。施力100daN时弹簧的行程为14mm。通过这一余量能够避免挡块VE12、VE22分离，并且当随动装置MS1、MS2的滑轮开始在凸轮C的凸起上升高时，施加较大的作用力。
通过同样方式的偏移可以得到类似结果，并非是M个凸轮Ci1-CiM，而是发电机组EGi1-EGiM中每一个的凸轮表面随动装置。
由多个凸轮组成的旋转轮R所构成的机组可以被定义为驱动环。在图10中，两个驱动环CO1、CO2彼此连接。
每个环的轮R可以与公共轴AR相连，从而通过后者的旋转来带动所述轮进行旋转。所产生的电能量因此而倍增。在这种结构中，公共轴AR是通过外部动力源带动进行旋转的。
在一种实施改型中，设置了唯一一个旋转轮R。两个驱动环CO1、CO2交错排列。轴驱动每个环的凸轮，这些轴产生偏移，以便与公共旋转轮R接合，这使得与所述轮相连的凸轮-卫星的数量倍增。
在图11中，四个驱动环CO1、CO2、CO3、CO4是并排的。机组受到保护并通过外罩绝缘。每对驱动环CO1-CO2和CO3-CO4均与旋转轮R相连。这两个旋转轮与公共轴AR相连，从而通过后者的旋转来带动所述轮进行旋转。
在上述实施方式中，本发明中各个元件和/或装置和/或步骤的设置，不应该被理解为在所有实施例中都要求这样设置。在任何情况下，均可以理解成，可以对元件和/或装置和/或步骤进行各种改进。特别是：
-发电机组的数量和/或其设计和/或尺寸，可以因所需系统的产能效率而异；
-凸轮表面SC可以为正弦形状，但是在凸起顶部和凹陷底部处为平坦部，通过该形状可以优化对于压电柱P端子处积聚的电荷的提取，
-发电机组件EG可以带有一个子机组SEG1或SEG2，其与凸轮C相连，
-或者发电机组EG可以带有两个以上的子机组，它们绕凸轮C均匀分布(例如X个偏移2p/X的子机组，其中X为大于2的整数，尤其在2到20之间)；可以考虑采用一种结构，其能够对作用力进行分配，使作用力不会同时施加在所有随动装置上：在给定时间，某些随动装置在凸起上移动，同时其它随动装置在凹陷内移动；为此，凸轮优选地带有aX+1个凸起，该参数为整数，优选等于2，选择可以使凸起的数量大于随动装置的数量；利用此数量的凸起，随动装置施加在凸轮上的切向力得到补偿，以减小所产生的切向合力；然后可以考虑采用不同数量的凸起：例如可以考虑采用数量等于随动装置数量倍数的凸起，其中在这种特殊情况下，所产生的切向力等于随动装置切向力的合力；
-发电机组EG可以带有奇数个子机组，它们绕凸轮C均匀分布，
-发电机组EG、Ega、EGb、EG1可以位于旋转轮R的轮缘以外(图7至图10)，或在轮缘以内，
-压电发电机G1、G2中的每一个均包括唯一一个压电柱，或者多个压电柱，例如其数量可以在3到40个之间；
-陶瓷2和电极3的横截面可以是正方形、矩形、椭圆形等；另外这些元件2、3的设置也可以与其轴向贯穿孔一致，以确保对齐；
-压电柱P11、P12、P21、P22中的每一个均可以受到其执行器的应力；
-执行器A1、A2无需由颊板构成，但是可以是其它形式，特别是弹簧的形式，类似于图1所示的弹簧46；
-杠杆L1、L2的第一端L11、L21可以直接作用于压电柱，并起到执行器的作用；
-滑轮GL12、GL22可以构成从动装置，在这种情况下，该滑轮直接安装在凸轮表面SC上；这些结构对应的是图1所示的结构；
-凸轮表面SC的凸点以及随动装置MS1、MS2可以用磁体代替，以便在无需接触的情况下触发杠杆L1、L2。
-通过外部动力源可以直接确保凸轮C进行旋转，同时可以避免使用旋转轮R；这种结构对应的是图1所示的结构；
-可以通过链条或皮带确保旋转轮R和凸轮Ca、Cb之间的配合。
Claims (13)
1.一种用于产生电能的系统，其带有至少一个第一发电机组(EGa)，包括：
至少一个第一压电发电机(Ga)，能够在施加到所述第一发电机的机械力作用下产生电能，
第一执行器(Aa)，能够在所述第一执行器(Aa)被触发时对第一发电机(Ga)施加机械力，
带有凸轮表面(SCa)的第一旋转凸轮(Ca)，
所述凸轮表面(SCa)的第一随动装置(MSa)，
与所述第一随动装置(MSa)相连的第一杠杆(La)，所述第一杠杆被安装成杠杆臂并且与所述第一执行器(Aa)联动，从而在所述第一凸轮(Ca)受力旋转并且所述凸轮表面(SCa)在所述第一随动装置(MSa)上施加机械力时，触发所述第一执行器(Aa)，
其特征在于，所述系统带有至少一个第二发电机组(EGb)，包括：
至少一个第二压电发电机(Gb)，能够在施加到所述第二发电机的机械力作用下产生电能，
第二执行器(Ab)，能够在所述第二执行器被触发时对所述第二发电机(EGb)施加机械力，
带有凸轮表面(SCb)的第二旋转凸轮(Cb)，
所述凸轮表面(SCb)的第二随动装置(MSb)，
与所述第二随动装置(MSb)相连的第二杠杆(Lb)，所述第二杠杆被安装成杠杆臂并且与所述第二执行器(Ab)联动，从而在所述第二凸轮(Cb)受力旋转并且所述凸轮表面(SCb)在第二随动装置(MSb)上施加机械力时，触发所述第二执行器(Ab)，
其特征还在于，旋转轮(R)在动力源的驱动下旋转，所述旋转轮与所述第一凸轮(Ca)和第二凸轮(Cb)联接，从而使所述旋转轮在一定的转速(WR)下旋转时，可以带动所述凸轮以另一转速(WCa、WCb)进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。
2.根据权利要求1所述的系统，包括整数N≥2个发电机组(EGi)，每个发电机组包括：
至少一个压电发电机，能够在施加到所述发电机的机械力作用下产生电能，
执行器，能够在所述执行器被触发时对发电机施加机械力，
带有凸轮表面的旋转凸轮，
凸轮表面的随动装置，
与随动装置相连的杠杆，所述杠杆被安装成杠杆臂并且与所述执行器联动，从而在凸轮受力旋转并且凸轮表面在所述随动装置上施加机械力时，触发执行器，
其中旋转轮(R)与N个凸轮相连，从而使所述旋转轮在一定的转速下旋转时，可以带动所述N个凸轮以另一转速进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。
3.根据权利要求2所述的系统，其中N个凸轮相对于所述旋转轮(R)的转轴(AR)形成角偏移，该角偏移量为2p/N。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的系统，其中：
每个所述发电机组(EG)与带有凸轮表面(SC)的旋转凸轮(C)相连，每个所述发电机组包括：
第一子机组(SEG1)，包括压电发电机(G1)、致动器(A1)、凸轮表面(SC)的随动装置(MS1)和杠杆(L1)，
第二子机组(SEG 2)，包括压电发电机(G2)、致动器(A2)、凸轮表面(SC)的随动装置(MS2)和杠杆(L2)，
所述第一子机组(SEG1)和第二子机组(SEG2)是相对于所述凸轮(C)的转轴(AC)对称安装的。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述凸轮表面(SC)与所述凸轮(C)的转轴(AC)对称，从而使所述第一子机组(SEG1)的凸轮随动装置(MS1)与所述第二子机组(SEG2)的凸轮随动装置(MS2)产生相似且同步的运动。
6.根据上述权利要求中任意一项所述的系统，其中，压电发电机(G1、G2)中每一个均为两个压电柱(P11-P12、P21-P22)的形式，每一个均由轴向堆叠的压电陶瓷(2)和电极(3)交替构成，所述两个压电柱(P11-P12、P21-P22)是同轴的，并且彼此相对设置。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述执行器(A1、A2)为颊板的形式，被设置成当其被分别被所述杠杆(L1、L2)触发时，能够同时作用于每个压电柱(P11-P12、P21-P22)。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的系统，包括整数M≥2个发电机组(EGi1-EGiM)，每个发电机组包括：
至少一个压电发电机，能够在施加到所述发电机的机械力作用下产生电能，
执行器，能够在所述执行器被触发时对发电机施加机械力，
带有凸轮表面的旋转凸轮(Ci1-CiM)，
凸轮表面的随动装置，
与随动装置相连的杠杆，所述杠杆被安装成杠杆臂并且与所述执行器联动，从而在凸轮受力旋转并且凸轮表面在所述随动装置上施加机械力时，触发执行器，
并且其中所述M个凸轮(Ci1-CiM)平行安装在公共转轴(ACi)上，所述旋转轮与所述公共转轴ACi相连，从而使得所述公共转轴旋转时带动所述M个凸轮进行旋转。
9.根据权利要求8所述装置，其中：
所述M个凸轮(Ci1-CiM)具有相同的凸轮表面，所述凸轮表面由凹陷和凸起规则排列而成，
所述M个凸轮(Ci1-CiM)在公共转轴(ACi)上形成角偏移，该角偏移量为2p/(M.B)，其中B对应的是每个所述凸轮的凸轮表面上的凸起数量。
10.根据权利要求8所述装置，其中：
所述M个凸轮(Ci1-CiM)具有相同的凸轮表面，所述凸轮表面由凹陷和凸起规则排列而成，
所述每个发电机组(EGi1-EGiM)的凸轮表面的随动装置在公共转轴(ACi)上形成角偏移，该角偏移量为2p/(M.B)，其中B对应的是每个所述凸轮的凸轮表面上的凸起数量。
11.根据上述权利要求中任意一项所述的系统，其中所述随动装置(MS1、MS2)包括：
连杆(MT1、MT2)，能够对与之相连的杠杆(L1、L2)施加机械力，并因此触发相应的执行器(A1、A2)，
与所述连杆(MT1、MT2)相连的滑轮(MG1、Mg2)，转动安装在所述凸轮表面(SC)上，所述滑轮被设置成可以在凸轮(C)受力旋转并且所述凸轮表面在所述滑轮上施加机械力时，使所述连杆施加在杠杆(L1、L2)上的机械力倍增。
12.一种装置，用于在压电发电机(Ga、Gb)上施加机械力以产生大量电能，所述装置带有：
执行器(Aa、Ab)，能够在所述执行器被触发时对所述发电机(Ga、Gb)施加机械力，
带有凸轮表面(SCa、SCb)的旋转凸轮(Ca、Cb)，
所述凸轮表面(SCa、SCb)的随动装置(MSa、MSb)，
与所述随动装置(MSa、MSb)相连的杠杆(La、Lb)，所述杠杆被安装成杠杆臂并且与所述执行器(Aa、Ab)联动，从而在所述凸轮(Ca、Cb)受力旋转并且所述凸轮表面(SCa、SCb)在所述随动装置(MSa、MSb)上施加机械力时，触发执行器，
其特征在于，所述旋转轮(R)能够在动力源的驱动下旋转，所述旋转轮与凸轮(Ca、Cb)联接，从而使所述旋转轮在一定的转速下旋转时，可以带动所述凸轮以另一转速进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。
13.一种在压电发电机(Ga、Gb)上施加机械力以产生电能的方法，所述方法包括以下步骤：
安装执行器(Aa、Ab)，其能够在所述执行器被触发时对发电机(Ga、Gb)施加机械力，
安装带有凸轮表面(SCa、SCb)的旋转凸轮(Ca、Cb)，
安装所述凸轮表面(SCa、SCb)的随动装置(MSa、MSb)，
将杠杆(La、Lb)安装成杠杆臂，
将所述杠杆(La、Lb)连接到所述随动装置(MSa、MSb)上，并使所述杠杆与所述执行器(Aa、Ab)联动，使得所述杠杆能够触发所述执行器，从而通过此触发作用，使所述执行器对所述发电机(Ga、Gb)施加机械力，
带动所述凸轮(Ca、Cb)进行旋转，从而使凸轮表面(SCa、SCb)对所述随动装置(MSa、MSb)施加机械力并且使所述杠杆(La、Lb)触发执行器((Aa、Ab)，
其特征在于，所述方法包括一个步骤，该步骤在于将所述凸轮(Ca、Cb)与旋转轮(R)相连，从而使所述旋转轮在一定的转速下旋转时，可以带动所述凸轮以另一转速进行旋转，该转速高于所述旋转轮的转速。
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