CN110474561B - 拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机 - Google Patents

拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种拉压式全行程俘能的摩擦‑压电‑电磁复合发电机，具有在单次激励下实现连续运转和输出的特点，可以高效收集自然界中随机的无规则机械运动能量，拉压式全行程俘能的摩擦‑压电‑电磁复合发电机包括上壳体、下壳体、底座组件、飞轮组件、螺栓、上盖板组件、压板组件；飞轮组件具有一定的蓄能作用，可实现长时间转动，随着飞轮的转动摩擦材料对电极进行连续的扫掠式摩擦，基于接触起电原理和静电感应原理产生电能；同时伴随有电磁发电和压电发电来提高俘获机械运动能量的效率。因此，本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦‑压电‑电磁复合发电机可以高效的将随机的无规则机械运动能量转换成电能。

Description

拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机
技术领域
本发明涉及一种拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机，属于能量收集领域。
背景技术
传统能源的逐渐减少和可再生能源的探索已成为人们主要的关注点。环境中存在着大量的可供收集的机械能，实现机械能的合理收集成为能源高效利用一大问题。
摩擦电纳米发电机具有回收周围机械能的潜力，全世界的研究人员都在对其进行研究。同时压电发电技术和电磁发电技术也被广泛应用于环境振动能量和冲击能量的收集。但是，日常生活中的大部分机械运动都是随机且无规则的，例如桥梁的振动、海浪的波动等。为了高效的收集无规则自然激励的能量，设计一种可以高效收集间歇性激励运动的能量并且尽可能实现连续运转和输出的发电机是及其必要的，故本发明提出一种拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机。
发明内容
为解决当前收集环境机械能的发电机存在的不能收集随机的激励能量及不能高效收集能量的问题，本发明提出一种拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机。
本发明所采用的技术方案是：
所述拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机包括上壳体、下壳体、底座组件、飞轮组件、螺栓、上盖板组件、压板组件；所述上壳体与压板组件两者通过胶粘连接；上壳体与下壳体两者通过间隙配合；下壳体与底座组件两者通过胶粘连接；飞轮组件装配于底座组件上；上盖板组件与底座组件通过螺栓螺纹连接；压板组件安装于上盖板组件上，并且压板组件可以实现上下运动。
所述上壳体包括上壳体外壁、上壳体内端面；所述上壳体外壁与下壳体外壁间隙配合；所述上壳体内端面与上盖板组件胶粘连接；所述下壳体包括下壳体外壁、下壳体内端面；所述下壳体内端面与底座组件胶粘连接。上壳体与压板组件可以沿着下壳体内壁上下运动。
所述底座组件包括底座、轴承、电极I、电磁线圈I；所述底座包括螺纹孔、底座内壁、底座下端面、电磁线圈安装槽I、轴承安装槽I；底座通过底座下端面与下壳体内端面胶粘在下壳体上；所述轴承嵌入到轴承安装槽I、轴承安装槽II中；所述电极I以底座内壁的圆周为方向均布在底座内壁上，数量为n；电极I之间的间距为d；所述电磁线圈I胶粘于电磁线圈安装槽中；底座组件通过螺纹孔、螺栓、上盖板通孔与上盖板组件进行螺纹连接。
所述飞轮组件包括飞轮、摩擦材料、传动齿轮、单向轴承、磁铁；所述飞轮包括摩擦材料安装槽、轴承座、飞轮轴、磁铁安装槽、传动凸台；所述传动齿轮包括传动齿轮凸台；所述单向轴承包括轴承外槽、轴承内槽；飞轮通过飞轮轴与轴承过盈配合安装与底座上；所述摩擦材料以飞轮的圆周为方向均匀胶粘于摩擦材料安装槽中，摩擦材料的数量为m；传动齿轮通过轴承外槽和传动齿轮凸台过盈配合在单向轴承上；单向轴承通过轴承内槽和传动凸台过盈配合在轴承座上，单向轴承只实现单向传动且两个单向轴承反向安装，传动方向相反；所述磁铁胶粘于磁铁安装槽上，与电磁线圈I组成电磁发电单元。
所述上盖板组件包括上盖板、电磁线圈II、电极II、回位弹簧；所述上盖板包括支撑筒内壁、上盖板通孔、电磁线圈安装槽II、轴承安装槽II、上盖板内壁；上盖板通过上盖板通孔和螺栓通过螺纹连接固定在底座上；所述电磁线圈II通过胶粘固定在电磁线圈安装槽II上，与磁铁组成电磁发电单元；所述电极II均匀布置在上盖板内壁上，间隔同为d，电极II与电极I与摩擦材料组成摩擦发电单元；所述回位弹簧嵌入到支撑筒内壁中，用于支撑压板组件；所述轴承安装槽II与轴承安装槽I配合支撑轴承。
所述压板组件包括压板、下压传动齿条、上拉传动齿条、压电片、压板上端面；所述压板包括下压传动齿条安装槽、支撑柱、压电片安装槽、上拉传动齿条安装槽；所述下压传动齿条包括下压传动齿条上端面；所述上拉传动齿条包括上拉传动齿条上端面；压板通过压板上端面胶装于上壳体内端面，并且通过支撑柱、回位弹簧嵌入到上盖板上，压板和上壳体可以做上下运动；下压传动齿条通过下压传动齿条安装槽和下压传动齿条上端面胶粘在压板上；上拉传动齿条通过上拉传动齿条安装槽和上拉传动齿条上端面胶粘于压板；所述压电片阵列排布在压电片安装槽中，数量为s，压板组件下压时，上盖板组件挤压压电片实现压电发电; 下压传动齿条和上拉传动齿条分别与传动齿轮啮合连接，压板下压时下压传动齿条和传动齿轮传动使飞轮组件高速旋转，压板回弹时上拉传动齿条和传动齿轮传动，继续使飞轮组件沿相同方向高速旋转，摩擦发电单元和电磁发电单元可收集机械能的能量。
本发明的有益效果：本发明提供一种拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机，运用了两个单向轴承、两个齿轮齿条传动的结构设计，具有下压和回弹全行程做功的特点，结构紧凑，发电量大，运行时间长。通过下压传动齿条、上拉传动齿条、传动齿轮和单向轴承等将压板组件的拉压运动转化为飞轮的旋转运动，由于飞轮具有蓄能的作用，飞轮将持续运转很长时间，极大的增加了发电单元的工作时间，提高了随机运动能量的收集效率。
附图说明
图1所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的总装配示意图；
图2所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的上壳体示意图；
图3所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的下壳体示意图；
图4所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的底座组件示意图；
图5所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的底座的结构示意图；
图6所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的飞轮组件示意图；
图7所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的飞轮结构示意图；
图8所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的传动齿轮结构示意图；
图9所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的单向轴承结构示意图；
图10所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的上盖板组件示意图；
图11所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机上盖板结构示意图；
图12所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的压板组件示意图；
图13所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的压板结构示意图；
图14所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的下压传动齿条结构示意图；
图15所示为本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的上拉传动齿条结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式：结合图1~图15说明本实施方式，本实施方式提供了一种拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的具体实施方式，所述拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机的具体实施方式表述如下：
所述拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机包括上壳体1、下壳体2、底座组件3、飞轮组件4、螺栓5、上盖板组件6、压板组件7；所述上壳体1与压板组件7两者通过胶粘连接；上壳体1与下壳体2两者通过间隙配合；下壳体2与底座组件3两者通过胶粘连接；飞轮组件4装配于底座组件3上；上盖板组件6与底座组件3通过螺栓5螺纹连接；压板组件7安装于上盖板组件6上，并且压板组件7可以实现上下运动。
所述上壳体1包括上壳体外壁1-1、上壳体内端面1-2；所述上壳体外壁1-1与下壳体外壁2-1间隙配合；所述上壳体内端面1-2与上盖板组件6胶粘连接；所述下壳体2包括下壳体外壁2-1、下壳体内端面2-2；所述下壳体内端面2-2与底座组件3胶粘连接，上壳体1与压板组件7可以沿着下壳体内壁2-1上下运动。
所述底座组件3包括底座3-1、轴承3-2、电极I 3-3、电磁线圈I 3-4；所述底座3-1包括螺纹孔3-1-1、底座内壁3-1-2、底座下端面3-1-3、电磁线圈安装槽I 3-1-4、轴承安装槽I 3-1-5；底座3-1通过底座下端面3-1-3与下壳体内端面2-2胶粘在下壳体2上；所述轴承3-2嵌入到轴承安装槽I 3-1-5、轴承安装槽II 6-1-4中；所述电极I 3-3以底座内壁的圆周为方向均布在底座内壁3-1-2上，数量为n，10<n<40，本实施方式中n=20；电极I之间的间距为d，0.5mm<d<3mm，本实施方式中d=1mm；所述电磁线圈I 3-4胶粘于电磁线圈安装槽3-1-4中；底座组件3通过螺纹孔3-1-1、螺栓5、上盖板通孔6-1-2与上盖板组件6进行螺纹连接。
所述飞轮组件4包括飞轮4-1、摩擦材料4-2、传动齿轮4-3、单向轴承4-4、磁铁4-5；所述飞轮4-1包括摩擦材料安装槽4-1-1、轴承座4-1-2、飞轮轴4-1-3、磁铁安装槽4-1-4、传动凸台4-1-5；所述传动齿轮4-3包括传动齿轮凸台4-3-1；所述单向轴承4-4包括轴承外槽4-4-1、轴承内槽4-4-2；飞轮4-1通过飞轮轴4-1-3与轴承3-2过盈配合安装与底座3-1上；所述摩擦材料4-2以飞轮的圆周为方向均匀胶粘于摩擦材料安装槽4-1-1中，摩擦材料4-2的数量为m，m=n/2；传动齿轮4-3通过轴承外槽4-4-1和传动齿轮凸台4-3-1过盈配合在单向轴承4-4上；单向轴承4-4通过轴承内槽4-4-2和传动凸台4-1-5过盈配合在轴承座4-1-2上，单向轴承4-4只实现单向传动且两个单向轴承4-4反向安装，传动方向相反；所述磁铁4-5胶粘于磁铁安装槽4-1-4上，与电磁线圈I 3-4组成电磁发电单元。
所述上盖板组件6包括上盖板6-1、电磁线圈II 6-2、电极II6-3、回位弹簧6-4；所述上盖板6-1包括支撑筒内壁6-1-1、上盖板通孔6-1-2、电磁线圈安装槽II 6-1-3、轴承安装槽II 6-1-4、上盖板内壁6-1-5；上盖板6-1通过上盖板通孔6-1-2和螺栓5通过螺纹连接固定在底座3-1上；所述电磁线圈II 6-2通过胶粘固定在电磁线圈安装槽II 6-1-3上，与磁铁4-5组成电磁发电单元；所述电极II 6-3均匀布置在上盖板内壁6-1-5上，间隔同样为d，电极II 6-3与电极I 3-3与摩擦材料4-2组成摩擦发电单元；所述回位弹簧6-4嵌入到支撑筒内壁6-1-1中，用于支撑压板组件7；所述轴承安装槽II 6-1-4与轴承安装槽I 3-1-5配合支撑轴承3-2。
所述压板组件7包括压板7-1、下压传动齿条7-2、上拉传动齿条7-3、压电片7-4、压板上端面7-5；所述压板7-1包括下压传动齿条安装槽 7-1-1、支撑柱7-1-2、压电片安装槽7-1-3、上拉传动齿条安装槽7-1-4；所述下压传动齿条 7-2包括下压传动齿条上端面7-2-1；所述上拉传动齿条7-3包括上拉传动齿条上端面7-3-1；压板7-1通过压板上端面7-5胶装于上壳体内端面1-2，并且通过支撑柱7-1-2、回位弹簧6-4嵌入到上盖板6-1上，压板7-1和上壳体1可以做上下运动；下压传动齿条 7-2通过下压传动齿条安装槽7-1-1和下压传动齿条上端面胶粘在压板7-1上；上拉传动齿条7-3通过上拉传动齿条安装槽7-1-4和上拉传动齿条上端面胶粘于压板7-1；所述压电片7-4阵列排布在压电片安装槽7-1-3中，数量为s，3<s<12，此实施方式中s=6；压板组件7下压时，上盖板组件6挤压压电片7-4实现压电发电; 下压传动齿条7-2和上拉传动齿条7-3分别与传动齿轮4-3啮合连接，压板7-1下压时下压传动齿条和传动齿轮4-3传动使飞轮组件4高速旋转，压板7-1回弹时上拉传动齿条7-3和传动齿轮4-3传动，继续使飞轮组件4沿相同方向高速旋转，摩擦发电单元和电磁发电单元可收集机械能的能量。
工作原理：工作时，在外界机械冲击的带动下，上壳体与压板组件向下运动，通过下压传动齿条、传动齿轮和单向轴承带动飞轮组件储能并旋转，同时回位弹簧被压缩储存能量，此过程由于单向轴承的作用，上拉传动齿条与传动齿轮不传力；外力撤去后，回位弹簧推动压板组件向上回到初始位置，此时上拉传动齿条、传动齿轮和单向轴承再次带动飞轮组件沿相同方向继续旋转，此过程由于单向轴承的作用，上拉传动齿条与传动齿轮不传力。因此，在压板组件上下运动时，实现对飞轮组件的全行程做功；压板组件下压导致上盖板组件压迫压电片利用正压电效应产生电能；飞轮组件旋转时带动摩擦材料扫过电极I和电极II，利用摩擦起点原理和静电感应产生电能；旋转的磁铁与电磁线圈I、电磁线圈II利用电磁感应原理产生电能；在一次激励下，由于飞轮存在惯性并长时间旋转，实现连续的电能输出；本发明提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机将随机的无规则的机械运动能量转换成电能。
综合上述内容，本发明提供一种拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机，以解决当前发电机在单次随机运动激励下发电量小、运行时间不够长的问题，本发明所提出的拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机，运用了齿轮齿条、单向轴承和飞轮的结构设计，具有结构紧凑，发电频率高，运行时间长的优点。极大的增加了摩擦、电磁发电单元的工作时间，提高了机械运动能量的收集效率。在随机的无规则冲击运动的能量收集场合具有广泛的应用前景，如汽车驶过减速带、踩踏环境等，并提供了一种新的微能源收集的结构和实现方法。

Claims (4)

1.一种拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机，其特征在于：拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机包括上壳体（1）、下壳体（2）、底座组件（3）、飞轮组件（4）、螺栓（5）、上盖板组件（6）、压板组件（7）；所述上壳体（1）与压板组件（7）两者通过胶粘连接；上壳体（1）与下壳体（2）两者通过间隙配合；下壳体（2）与底座组件（3）两者通过胶粘连接；飞轮组件（4）装配于底座组件（3）上；上盖板组件（6）与底座组件（3）通过螺栓（5）螺纹连接；压板组件（7）安装于上盖板组件（6）上；所述飞轮组件（4）包括飞轮（4-1）、摩擦材料（4-2）、传动齿轮（4-3）、单向轴承（4-4）、磁铁（4-5）；所述飞轮（4-1）包括摩擦材料安装槽（4-1-1）、轴承座（4-1-2）、飞轮轴（4-1-3）、磁铁安装槽（4-1-4）、传动凸台（4-1-5）；所述传动齿轮（4-3）包括传动齿轮凸台（4-3-1）；所述单向轴承（4-4）包括轴承外槽（4-4-1）、轴承内槽（4-4-2）；飞轮（4-1）通过飞轮轴（4-1-3）与轴承（3-2）过盈配合安装于底座（3-1）上；所述摩擦材料（4-2）以飞轮的圆周为方向均匀胶粘于摩擦材料安装槽（4-1-1）中；传动齿轮（4-3）通过轴承外槽（4-4-1）和传动齿轮凸台（4-3-1）过盈配合在单向轴承（4-4）上；单向轴承（4-4）通过轴承内槽（4-4-2）和传动凸台（4-1-5）过盈配合在轴承座（4-1-2）上；所述磁铁（4-5）胶粘于磁铁安装槽（4-1-4）上; 所述压板组件（7）包括压板（7-1）、下压传动齿条（7-2）、上拉传动齿条（7-3）、压电片（7-4）、压板上端面（7-5）；所述压板（7-1）包括下压传动齿条安装槽（7-1-1）、支撑柱（7-1-2）、压电片安装槽（7-1-3）、上拉传动齿条安装槽（7-1-4）；所述下压传动齿条（7-2）包括下压传动齿条上端面（7-2-1）；所述上拉传动齿条（7-3）包括上拉传动齿条上端面（7-3-1）；压板（7-1）通过压板上端面（7-5）胶装于上壳体内端面（1-2），并且通过支撑柱（7-1-2）、回位弹簧（6-4）嵌入到上盖板（6-1）上；下压传动齿条（7-2）通过下压传动齿条安装槽（7-1-1）和下压传动齿条端面胶粘在压板（7-1）上；上拉传动齿条（7-3）通过上拉传动齿条安装槽（7-1-4）和上拉传动齿条端面胶粘于压板（7-1）；所述压电片（7-4）阵列排布在压电片安装槽（7-1-3）中，数量为s，其中，3<s<12；下压传动齿条（7-2）和上拉传动齿条（7-3）分别与传动齿轮（4-3）啮合连接。
2.根据权利要求1所述拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机，其特征在于：所述上壳体（1）包括上壳体外壁（1-1）、上壳体内端面（1-2）；所述上壳体外壁（1-1）与下壳体外壁（2-1）间隙配合；所述上壳体内端面（1-2）与上盖板组件（6）胶粘连接；所述下壳体（2）包括下壳体外壁（2-1）、下壳体内端面（2-2）；所述下壳体内端面（2-2）与底座组件（3）胶粘连接。
3.根据权利要求1所述拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机，其特征在于：所述底座组件（3）包括底座（3-1）、轴承（3-2）、电极I（3-3）、电磁线圈I（3-4）；所述底座（3-1）包括螺纹孔（3-1-1）、底座内壁（3-1-2）、底座下端面（3-1-3）、电磁线圈安装槽I（3-1-4）、轴承安装槽I（3-1-5）；底座（3-1）通过底座下端面（3-1-3）与下壳体内端面（2-2）胶粘在下壳体（2）上；所述轴承（3-2）嵌入到轴承安装槽I（3-1-5）、轴承安装槽II（6-1-4）中；所述电极I（3-3）以底座内壁的圆周为方向均布在底座内壁（3-1-2）上，数量为n，其中，10<n<40，摩擦材料的数量为m，m=n/2，电极I之间的间距为d，其中，0.5mm<d<3mm；所述电磁线圈I（3-4）胶粘于电磁线圈安装槽（3-1-4）中；底座组件（3）通过螺纹孔（3-1-1）、螺栓（5）、上盖板通孔（6-1-2）与上盖板组件（6）进行螺纹连接。
4.根据权利要求1所述拉压式全行程俘能的摩擦-压电-电磁复合发电机，其特征在于：上盖板组件（6）包括上盖板（6-1）、电磁线圈II（6-2）、电极II（6-3）、回位弹簧（6-4）；所述上盖板（6-1）包括支撑筒内壁（6-1-1）、上盖板通孔（6-1-2）、电磁线圈安装槽II（6-1-3）、轴承安装槽II（6-1-4）、上盖板内壁（6-1-5）；上盖板（6-1）通过上盖板通孔（6-1-2）和螺栓（5）进行螺纹连接固定在底座（3-1）上；所述电磁线圈II（6-2）通过胶粘固定在电磁线圈安装槽II（6-1-3）上；所述电极II（6-3）均匀布置在上盖板内壁（6-1-5）上，间隔为d，其中，0.5mm<d<3mm；所述回位弹簧（6-4）嵌入到支撑筒内壁（6-1-1）中；所述轴承安装槽II（6-1-4）与轴承安装槽I（3-1-5）配合支撑轴承（3-2）。
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