CN108462403B - 一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置，具体包括：外壳、端盖、旋转主轴、上轴承组件、转子组件、压电组件、基板、连接孔、下轴承组件。旋转主轴通过上、下轴承安装在外壳与基板中部并可以自由转动；压电组件固定在外壳内壁；旋转组件随主轴转动时，旋转组件和压电组件上的永磁铁相互作用，使压电组件中的竖直基板在双稳态之间转换，使MFC贴片变形产生电能；旋转主轴静止时，在外部振动激励下，水平基板在其双稳态位置间转换，水平基板上的PZT贴片变形产生电能；本发明所述的一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置，即可利用外界能量带动主轴旋转又可在较宽频率范围内谐振产生电能，结构简单、发电效果好。

Description

一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置
技术领域
本发明涉及新型能源和发电技术领域，具体涉及一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置。
背景技术
近年来，随着微电子和微加工技术的发展，大规模无线传感器网络、低功耗电子设备甚至物联网得到快速发展，被广泛应用于环境监测、军事国防、远程控制、抢险救灾以及工农业等诸多领域。这些微电子设备的特点是广泛分布在户外、工作环境恶劣，这使得这些用于监测等功能的无线传感器系统难以获得可靠、持久稳定的电源。
基于压电效应的双稳态压电发电装置能够将环境中的振动能量转换为电能，可以为无线传感器网络节点等低功耗的电子设备几乎无限地供电，有效解决了无线传感器等低功耗电子设备在恶劣环境中电力供给的难题。户外工作环境中最常见、最方便利用的能量为风能。传统的单稳态压电发电装置只能在谐振频率才能稳定输出功率，偏离谐振频率后输出功率明显下降，与之相比，双稳态压电发电装置可在较宽的低频范围内产生大幅运动，即双稳态压电发电装置在宽频、随机激励的环境下，都具有较大的输出功率。因此，本发明采用双稳态压电元件，提出了一种可用于低功耗电子设备供电的旋转激励式双工作模式宽频双稳态压电发电装置。
发明内容
针对以上情况，本发明提出一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置，具有两种工作模式，即可在第一种工作模式下利用外界能量带动主轴旋转发电又可在第二种工作模式下在较宽频率范围内与环境谐振产生电能，结构简单、可在宽频率范围收集能量、发电效果好。
为实现上诉目的设计的一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置，包括外壳、端盖、旋转主轴、上轴承组件、转子组件、压电组件、基板、连接孔、下轴承组件。所述基板通过螺栓连接孔与外壳固定连接，根据实际工作情况连接孔也可用于发电装置的固定之用；旋转主轴通过设置在外壳上部的上轴承组件以及设置在基板中间位置的下轴承组件安装在装置内部，旋转主轴可沿其轴线正反两方向自由旋转；转子组件安装在旋转中轴中部，转子组件与旋转主轴之间为固定连接；压电组件固定安装在外壳内壁，压电组件与转子组件距基板高度相等，彼此间永磁体的中轴线在同一水平面内、可相互激励使压电组件在两个稳定位置之间往复运动，进而产生电能。
所述的转子组件包括转子主体、连接柱、永磁体。转子永磁体磁极方向交替向外设置，即相邻磁极设置方向相反；转子主体中部为通孔，且设有键槽用于与旋转主轴连接。
所述的压电组件包括：陶瓷压电片、永磁体、水平基板、MFC贴片、竖直基板。压电组件永磁体磁极设置方向一致，都为N(或S)极朝向基板中心。水平基板与竖直基板通过加强肋板连接。
本发明的有益效果：本发明提出的双工作模式双稳态压电发电装置即可以在第一种工作模式下利用外界工程机械或直接连接风扇叶片利用自然风带动旋转主轴旋转，进而利用竖直双稳态压电梁发电、在旋转主轴静止时又可以在第二工作模式下与周围环境中的振动源发生谐振，通过水平压电梁进行发电，结构简单，可在较宽频率范围收集能量、发电效果好。
附图说明
附图1是本发明中压电发电装置的总体轴测图；
附图2是旋转组件与压电组件的三维示意图，A为基板连接处的局部放大图；
附图3是旋转主轴旋转时的工作原理示意图；
附图4是旋转主轴静止时的工作原理示意图。
图中：1、外壳，2、端盖，3、旋转主轴，4、上轴承组件，5、转子组件，6、压电组件，7、基板，8、连接孔，9、下轴承组件，5-1、转子主体，5-2、连接柱，5-3、永磁体Ⅰ，6-1、陶瓷压电片，6-2、永磁体Ⅱ，6-3、水平基板，6-4、MFC贴片，6-5、竖直基板。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：
附图1为本发明中压电发电装置的总体轴测图，其特征在于：所述的一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置主要包括：外壳(1)、端盖(2)、旋转主轴(3)、上轴承组件(4)、转子组件(5)、压电组件(6)、基板(7)、连接孔(8)、下轴承组件(9)。所述基板(7)通过螺栓连接孔(8)与外壳(1)固定连接；旋转主轴(3)通过设置在外壳(1)上部的上轴承组件(4)以及设置在基板(7)中间位置的下轴承组件(9)安装在装置内部，旋转主轴(3)可沿其轴线正反两方向自由旋转；转子组件(5)安装在旋转主轴(3)中部，转子组件(5)与旋转主轴(3)之间为固定连接；压电组件(6)固定安装在外壳(1)内壁，压电组件(6)与转子组件(5)距基板(7)高度相等，彼此间永磁体的中轴线在同一水平面内、转子(5)在外界激励下转动时，转子组件与压电组件上的磁铁相互激励使压电组件(6)在双稳态模式下在其两个稳定位置之间不断切换，迫使压电片形变进而产生电能；转子组件(5)静止时，压电组件(6)也可作为普通悬臂梁压电发电装置利用外界环境的振动谐振发电。
附图2为旋转组件与压电组件的三维示意图。所述的转子组件(5)包括转子主体(5-1)、连接柱(5-2)、永磁体Ⅰ(5-3)。转子永磁体磁极方向交替向外设置，即相邻磁极设置方向相反；转子主体(5-1)中部为通孔，且设有键槽用于与旋转主轴(3)连接。永磁体Ⅰ(5-3)通过连接柱(5-2)固定连接在转子主体(5-1)上。
所述的压电组件(6)包括：陶瓷压电片(6-1)、永磁体Ⅱ(6-2)、水平基板(6-3)、MFC贴片(6-4)、竖直基板(6-5)。压电组件永磁体Ⅱ(6-2)磁极设置方向一致，都为N(或S)极朝向基板(7)中心。压电组件永磁体Ⅱ(6-2)磁极设置方向一致，都为N(或S)极朝向基板(7)中心；陶瓷压电片(6-1)固定于水平基板(6-3)上，振动状态与水平基板(6-3)相同，MFC贴片(6-4)固定在竖直基板(6-5)上，与竖直基板(6-5)一同振动，竖直基板(6-5)与永磁体Ⅱ(6-2)间为固定连接，随着永磁体Ⅱ(6-2)位置的变化而在两种稳定状态间切换，水平基板(6-3)与竖直基板(6-5)通过加强肋板连接。
附图3为旋转主轴旋转时的工作原理示意图。如图所示，在初始状态下，旋转组件上的永磁体Ⅰ(5-3)与压电组件中的永磁体Ⅱ(6-2)位置相互对应，由于转子组件永磁体Ⅰ(5-3)的磁极方向为间隔反向设置、压电组件永磁体Ⅱ(6-2)的磁极方向全部同向设置，所以旋转组件在成对平衡磁力的作用下处于临界稳定状态，旋转主轴(3)可以在很小的作用力下开始旋转；旋转组件随主轴开始旋转后，旋转组件与压电组件永磁体之间的相对距离变大，进而处于平衡状态的各个永磁体的受力发生变化，原本所受的吸引力(排斥力)减小，由于旋转组件相邻永磁体Ⅰ(5-3)的磁极方向相反，压电组件中原来受到吸引力(排斥力)的永磁体Ⅱ(6-2)会变为受排斥力(吸引力)，在吸引力(排斥力)的作用下带动竖直压电基板(6-5)由第一稳态(第二稳态)位置向第二稳态(第一稳态)位置运动，使MFC贴片发生变形产生电能。旋转主轴(3)带动旋转组件(5)不断旋转，压电组件(6)中的竖直压电基板(6-5)即可不断在第一稳态、第二稳态间互相转换进而产生电能。旋转动力可利用外界工程机械或直接连接风扇叶片利用自然风带动旋转主轴旋转。
附图4为旋转主轴静止时的工作原理示意图。如附图4所示，当外界工程机械或风力不足以带动风扇叶片旋转时，所述的双工作模式双稳态压电发电装置利用第二工作模式收集能量进行发电；通过连接孔(8)固定在外部机械上的压电发电装置可与外部环境发生谐振，旋转组件与压电组件间的永磁体相互作用，可放大水平压电基板(6-3)的变形，且由于永磁体的存在使水平压电基板(6-3)可以在较宽频率范围内产生大变形，增强了发电效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置，其特征在于：所述的一种双工作模式宽频双稳态压电发电装置主要包括：外壳（1）、端盖（2）、旋转主轴（3）、上轴承组件（4）、转子组件（5）、压电组件（6）、基板（7）、连接孔（8）、下轴承组件（9）；所述基板（7）通过螺栓连接孔（8）与外壳（1）固定连接；旋转主轴（3）通过设置在外壳（1）上部的上轴承组件（4）及设置在基板（7）中间位置的下轴承组件（9）安装在装置内部，旋 转主轴（3）可沿其轴线正反两方向自由旋转；转子组件（5）安装在旋转主轴（3）中部， 转子组件（5）与旋转主轴（3）之间为固定连接；压电组件（6）固定安装在外壳（1）内壁，压电组件（6）与转子组件（5）距基板（7）高度相等，且压电组件（6）与转子组件（5）彼此间的永磁体的中轴线在同一水平面内；在第一种工作模式下，所述转子组 件（5）在外界激励下转动时，因均匀布置的四个压电组件（6）和四个永磁体间的磁极对应关系，使得压电组件（6）在双稳态模式下的两个稳定位置之间不断切换，迫使压电 片形变进而产生电能；在第二种工作模式下，固定在外壳（1）上的压电组件可作为普通 悬臂梁压电发电装置利用外界环境的振动谐振发电，同时转子组件（5）与压电组件（6） 间的永磁体相互作用，可放大水平压电基板的变形，且由于永磁体的存在使水平压电基板在较宽频率范围内产生大变形，增强了发电效果；转子组件（5）包括转子主体（5-1）、连接柱（5-2）、永磁体Ⅰ（5-3）；转子永磁体磁极方向交替 向外设置，即相邻磁极设置方向相反；转子主体（5-1）中部为通孔，且设有键槽用于与 旋转主轴（3）连接，永磁体Ⅰ（5-3）通过连接柱（5-2）固定连接在转子主体（5-1）上；所述的压电组件（6）包括陶瓷压电片（6-1）、永磁体Ⅱ（6-2）、水平基板（6-3）、MFC 贴片（6-4）、 竖直基板（6-5）；压电组件永磁体Ⅱ（6-2）磁极设置方向一致，都为 N（或 S）极朝向基板（7）中心；陶瓷压电片（6-1）固定于水平基板（6-3）上，振动状态与水平基板（6-3） 相同，MFC 贴片（6-4）固定在竖直基板（6-5）上，与竖直基板（6-5）一同振动，竖直基板（6-5）与永磁体Ⅱ（6-2）间为固定连接，随着永磁体Ⅱ（6-2）位置的变化而在两种稳定状态间切换，水平基板（6-3）与竖直基板（6-5）通过加强肋板连接。
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