CN111628674A - 一种升频式压电-电磁俘能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种升频式压电‑电磁俘能装置，属于发电技术领域。本发明通过升频式压电‑电磁俘能方式能够将机械振动能转化为电能储存，实现对微电子装置供电，具有无污染，能量密度大，可靠性高等特点。本发明后脚跟下压时和抬起时均有能量回收，下压过程中第一压电片和发电机输出能量，抬起过程中第二压电片输出能量。本发明采用棘轮结构对压电片进行上变频，提高压电片的激振频率，提高压电俘能的输出功率。本发明通过齿轮升速模块对下压时齿轮的转速提升，提升电磁俘能模块的发电效率。本发明所采用的单向轴承，能够最大程度减小踩压过程中和回复过程中的阻力，两个棘轮和二级齿轮的孔内单向轴承在非工作方向运动时最大程度减小对轴的摩擦。
Description
技术领域
本发明涉及一种升频式压电-电磁俘能装置，属于发电技术领域。
背景技术
目前，常用的电子电器的供电元件一般为化学电池，化学电池储能有限，需要定期更换，人力物力成本较高。随着一些低功耗传感器以及微小型电子器件的发展，利用这些传感设备所在的振动环境俘能来供电已经成为较为合理可靠地解决方案，通过设计合理可靠的俘能结构，将振动环境中将机械能转化为电能，存储或者整流后作为微小型电子器件的电源。对于电磁式俘能器提高磁通量变化率是提升功率的有效方式，对于压电式俘能器，提升其激振频率是一种有效的方式。在一些常规的振动环境下，振动频率较低，难以达到压电片的共振频率，其输出功率也较低。常规的压电式上变频结构一般采用悬臂梁结构，包括具有低频振动的驱动梁和高频振动的压电梁，这种结构使用驱动梁对压电梁的碰撞来提升激振频率，在一定程度上可以降低俘能器所适应的激振环境，但整体结构所能适应的激振频率仍然很大，在强度较弱的振动环境中，采集能效不高，且现有技术方案在实施过程中效率低、磨损大，装配难度高等技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种升频式压电-电磁俘能装置，通过所述俘能装置能够将机械振动能转化为电能储存，并能够实现对微电子装置供电。本发明具有绿色无污染、能量密度大、可靠性高、环境适应性强、操作控制方便、维护成本低等优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种升频式压电-电磁俘能装置，包括外壳、弧齿条、一级齿轮、二级齿轮、升速齿轮组、发电机、正向转动棘轮、反向转动棘轮、回复弹簧、压电片紧固螺钉、隔板、压电片一、压电片二、双向轴承一、双向轴承二、双向轴承三、双向轴承四、金属轴一、金属轴二、单向轴承一、单向轴承二、单向轴承三。
外壳后侧的圆弧部分靠近鞋跟部处开有用于放置弧齿限位板的槽，内壁分别分布有两对四个孔，孔内分别布置双向轴承一、双向轴承二、双向轴承三、双向轴承四，即后侧的两个孔内置双向轴承一和双向轴承二，轴承一和轴承二内径和金属轴一配合；前侧的两个孔内置双向轴承三和双向轴承四，轴承三和轴承四内径和金属轴二配合。外壳内两侧布置有与压电片紧固螺钉的配合孔，侧面的方孔为发电机放置处。弧齿条的圆心处配合金属轴二。金属轴一上从左到右布置单向轴承一、单向轴承二、一级齿轮和单向轴承三。金属轴二固定弧齿条和回复弹簧。单向轴承一配合正向转动棘轮，单向轴承二配合二级齿轮，单向轴承三配合反向转动棘轮。压电片一、压电片二分别通过压电片紧固螺钉固定在外壳内壁上，压电片一另一端紧贴在正向转动棘轮齿表面上，压电片二另一端紧贴在反向转动棘轮的齿表面上。二级齿轮与升速齿轮组啮合，升速齿轮组与发电机的轴连接，弧齿条旁边安装有回复弹簧，且上面粘有隔板。
所述升频式压电-电磁俘能装置包括压电俘能部分和电磁俘能部分。
所述的压电俘能部分包括外壳、弧齿条、一级齿轮、正向转动棘轮、反向转动棘轮、回复弹簧、压电片紧固螺钉、隔板、压电片一、压电片二、双向轴承一、双向轴承二、双向轴承三、双向轴承四、金属轴一、金属轴二、单向轴承一和单向轴承三。
所述的电磁俘能部分包括外壳、弧齿条、一级齿轮、二级齿轮、升速齿轮组、发电机、回复弹簧、压电片紧固螺钉、隔板、双向轴承一、双向轴承二、双向轴承三、双向轴承四、金属轴一、金属轴二、单向轴承二。
所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用外壳、弧齿条、一级齿轮、双向轴承一、双向轴承二、双向轴承三、双向轴承四、金属轴一、金属轴二、回复弹簧、隔板。
作为优选，所述的一级齿轮和二级齿轮同轴，半径的比例根据总体尺寸空间和传动比需求来设计。
作为优选，所述的升速齿轮组直接固定在发电机上，内部各级齿轮之间的传动比根据总体结构齿轮以及阻力大小选取现有齿轮组或重新设计齿轮组。
本发明公开的一种升频式压电-电磁俘能装置水平放置工作效果最优，所述升频式压电- 电磁俘能装置包括压电俘能部分和电磁俘能部分，压电片一、压电片二和发电机单独进行能量收集，再经过整流电路处理为可存储或可为传感设备使用的电信号，压电片一、压电片二输出电信号为大电压小电流，需要降低电压提高电流，然后再将电能储存到电池或及对外供能。
作为优选，所述升频式压电-电磁俘能装置应用于生物行走或跑步时将机械振动能转化为电能储存，并能够实现对微电子装置供电，工作方法为：在行走时，生物的重心会在脚尖与脚跟之间切换，因此会对鞋子的前掌与后脚跟周期性施加和释放压力，在后脚跟施加压力的鞋垫部位放置所述升频式压电-电磁俘能装置，利用后脚跟周期性对鞋垫施加和释放压力实现动力输入，其中释放压力过程中利用回复弹簧输入动力，具体工作方法为：在水平放置情况下，步行或跑步时，脚根部踩压隔板和弧齿条的过程中，弧齿条和一级齿轮啮合并驱动一级齿轮正向旋转，同时带动金属轴一正向旋转，金属轴一通过单向轴承二带动二级齿轮和通过单向轴承一带动正向转动棘轮转动，二级齿轮与升速齿轮组啮合并进而提高发电机轴的转速，同时正向转动棘轮转动过程中的每个齿与压电片一不断碰撞，提高对压电片的激振频率。此外，由于单向轴承一和单向轴承二转动方向相同，且与单向轴承三转动方向相反，所以在下压过程中，正向转动棘轮转动而反向转动棘轮不运动，即下压过程中压电片一和发电机进行能量收集。
当脚底和隔板及弧齿条分离时，回复弹簧存储的弹性势能驱动弧齿条转动，同时一级齿轮和金属轴一反向转动，此时只有单向轴承三带动反向转动棘轮运动，并在转动过程中每个齿与压电片二不断碰撞，提高对压电片的激振频率。
对于压电片一、压电片二和发电机所获得的能量，通过整流电路进一步存储到电池中，为微电子装置供电。
作为优选，所述生物优选为人体。
作为优选，施加压力的鞋垫部位放置所述升频式压电-电磁俘能装置，所述压力的鞋垫部位不仅限于生物体鞋垫部位，本发明对其他能够产生生物行走或跑步压力形式应用环境均适用。
有益效果：
1、与常规电池相比，本发明公开的一种升频式压电-电磁俘能装置，通过升频式压电-电磁俘能方式能够将机械振动能转化为电能储存，并能够实现对微电子装置供电，因此，具有无污染，能量密度大，可靠性高等特点。
2、本发明公开的一种升频式压电-电磁俘能装置，步行过程中后脚跟下压时和抬起时均有能量回收，下压过程中，压电片一和发电机输出能量，抬起过程中，压电片二输出能量。
3、本发明公开的一种升频式压电-电磁俘能装置，采用棘轮结构对压电片进行上变频，能够显著提高压电片的激振频率，大幅提高压电俘能的输出功率，同时能够根据需要升频的倍数来设计棘轮的尺寸。
4、本发明公开的一种升频式压电-电磁俘能装置，通过齿轮升速模块对下压时齿轮的转速进行提升，大幅提升电磁俘能模块的发电效率。
5、本发明公开的一种升频式压电-电磁俘能装置，所设计的齿轮和弧齿条啮合的方案适用于鞋跟部位，仅仅需要几毫米的踩踏就能够使得压电俘能模块和电磁俘能模块工作，整理长宽高尺寸控制在70mm*40mm*30mm左右，随着技术进步能够进一步调整装置尺寸。
6、本发明公开的一种升频式压电-电磁俘能装置，所采用的单向轴承，能够最大程度减小踩压过程中和回复过程中的阻力，两个棘轮和二级齿轮的孔内单向轴承在非工作方向运动时最大程度减小对轴的摩擦。
附图说明
图1为本发明公开的一种升频式压电-电磁俘能装置整体结构示意图；
图2为本发明压电俘能模块工作示意图；
1—外壳、2—弧齿条、3—一级齿轮、4—二级齿轮、5—升速齿轮组、6—发电机、7—正向转动棘轮、8—反向转动棘轮、9—回复弹簧、10—压电片紧固螺钉、11—隔板、12—压电片一、13—压电片二、14—双向轴承一、15—双向轴承二、16—双向轴承三、17—双向轴承四、18—金属轴一、19—金属轴二、20—单向轴承一、21—单向轴承二、22—单向轴承三。
图3为两个压电片工作状态时棘轮的转动方向示意图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达到预期目的所采取的技术手段及功效，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效做如下详细说明。
如图1、2所示，本实施例公开的一种升频式压电-电磁俘能装置，由外壳1、弧齿条2、一级齿轮3、二级齿轮4、升速齿轮组5、发电机6、正向转动棘轮7、反向转动棘轮8、回复弹簧9、压电片紧固螺钉10、隔板11、压电片一12、压电片二13、双向轴承一14、双向轴承二15、双向轴承三16、双向轴承四17、金属轴一18、金属轴二19、单向轴承一20、单向轴承二21、单向轴承三22组成。
本实施例尺寸适用于安放在鞋跟部位或者其他振动方向为竖直方向的振动环境中，或其他生物体移动中施加压力的部位，在激振频率低于3Hz以下的超低频振动环境中有良好的应用价值。
外壳1后侧的圆弧部分设置有放置弧齿限位板的卡槽，内壁分别分布有两对四个孔，孔内分别布置双向轴承一14、双向轴承二15、双向轴承三16、双向轴承四17，即后侧的两个孔内置双向轴承一14和双向轴承二15，后侧的两个孔内径和金属轴一18配合；前侧的两个孔内置双向轴承三16和双向轴承四17，前侧的两个孔内径和金属轴二19配合。外壳1前侧布置有与压电片紧固螺钉10的配合孔，侧面的方孔为发电机6放置处。弧齿条2的圆心处为配合金属轴二19穿过的孔。金属轴一18上从左到右布置单向轴承一20、单向轴承二21、一级齿轮3和单向轴承三22。金属轴二19固定弧齿条2和回复弹簧9。单向轴承一20配合正向转动棘轮7，单向轴承二21配合二级齿轮4，单向轴承三22配合反向转动棘轮8。正向转动棘轮7、反向转动棘轮8的棘轮齿表面有一定的预紧力。压电片一12、压电片二13分别通过压电片紧固螺钉21固定在外壳1内壁上，压电片一12另一端紧贴在正向转动棘轮7齿表面上，压电片二13另一端紧贴在反向转动棘轮8的齿表面上。二级齿轮4与升速齿轮组5啮合，升速齿轮组5与发电机6的轴连接，弧齿条2旁边安装有回复弹簧9，且上面粘有隔板 11。
所述升频式压电-电磁俘能装置包括压电俘能部分和电磁俘能部分。
所述的压电俘能部分包括外壳1、弧齿条2、一级齿轮3、正向转动棘轮7、反向转动棘轮8、回复弹簧9、压电片紧固螺钉10、隔板11、压电片一12、压电片二13、双向轴承一14、双向轴承二15、双向轴承三16、双向轴承四17、金属轴一18、金属轴二19、单向轴承一20和单向轴承三22。
所述的电磁俘能部分包括外壳1、弧齿条2、一级齿轮3、二级齿轮4、升速齿轮组5、发电机6、回复弹簧9、压电片紧固螺钉10、隔板11、双向轴承一14、双向轴承二15、双向轴承三16、双向轴承四17、金属轴一18、金属轴二19、单向轴承二21。
本实施例公开的一种升频式压电-电磁俘能装置水平放置工作效果最优，所述升频式压电 -电磁俘能装置包括压电俘能部分和电磁俘能部分，压电片一12、压电片二13和发电机6单独进行能量收集，再经过整流电路处理为可存储或可为传感设备使用的电信号，压电片一12、压电片二13输出电信号为大电压小电流，需要降低电压提高电流，然后再将电能储存到电池或及对外供能。
所述升频式压电-电磁俘能装置应用于人体行走或跑步时将机械振动能转化为电能储存，并能够实现对微电子装置供电，工作方法为：在行走时，人体的重心会在脚尖与脚跟之间切换，因此会对鞋子的前掌与后脚跟周期性施加和释放压力，在后脚跟施加压力的鞋垫部位放置所述升频式压电-电磁俘能装置，利用后脚跟周期性对鞋垫施加和释放压力实现动力输入，其中释放压力过程中利用回复弹簧输入动力，具体工作方法为：在水平放置情况下，步行或跑步时，脚根部踩压隔板11和弧齿条2的过程中，弧齿条2和一级齿轮3啮合并驱动一级齿轮3正向旋转，同时带动金属轴一18正向旋转，金属轴一18通过单向轴承二21带动二级齿轮4和通过单向轴承一20带动正向转动棘轮7转动，二级齿轮4与升速齿轮组5啮合并进而提高发电机轴的转速，同时正向转动棘轮7转动过程中的每个齿与压电片一12不断碰撞，提高对压电片的激振频率。此外，由于单向轴承一20和单向轴承二21转动方向相同，且与单向轴承三22转动方向相反，所以在下压过程中，正向转动棘轮7转动而反向转动棘轮8不运动，即下压过程中压电片一12和发电机6进行能量收集。
当脚底和隔板11及弧齿条2分离时，回复弹簧9存储的弹性势能驱动弧齿条2转动，同时一级齿轮3和金属轴一18反向转动，此时只有单向轴承三22带动反向转动棘轮8运动，并在转动过程中每个齿与压电片二13不断碰撞，提高对压电片的激振频率。
对于压电片一12、压电片二13和发电机6所获得的能量，通过整流电路进一步存储到电池中，为微电子传感器供电。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种升频式压电-电磁俘能装置，其特征在于：包括外壳(1)、弧齿条(2)、一级齿轮(3)、二级齿轮(4)、升速齿轮组(5)、发电机(6)、正向转动棘轮(7)、反向转动棘轮(8)、回复弹簧(9)、压电片紧固螺钉(10)、隔板(11)、压电片一(12)、压电片二(13)、双向轴承一(14)、双向轴承二(15)、双向轴承三(16)、双向轴承四(17)、金属轴一(18)、金属轴二(19)、单向轴承一(20)、单向轴承二(21)、单向轴承三(22)；
外壳(1)后侧的圆弧部分靠近鞋跟部处开有用于放置弧齿限位板的槽，内壁分别分布有两对四个孔，孔内分别布置双向轴承一(14)、双向轴承二(15)、双向轴承三(16)、双向轴承四(17)，即后侧的两个孔内置双向轴承一(14)和双向轴承二(15)，后侧的两个孔内径和金属轴一(18)配合；前侧的两个孔内置双向轴承三(16)和双向轴承四(17)，前侧的两个孔内径和金属轴二(19)配合；外壳(1)前侧布置有与压电片紧固螺钉(10)的配合孔，侧面的方孔为发电机(6)放置处；弧齿条(2)的圆心处为配合金属轴二(19)穿过的孔；金属轴一(18)上从左到右布置单向轴承一(20)、单向轴承二(21)、一级齿轮(3)和单向轴承三(22)；金属轴二(19)固定弧齿条(2)和回复弹簧(9)；单向轴承一(20)配合正向转动棘轮(7)，单向轴承二(21)配合二级齿轮(4)，单向轴承三(22)配合反向转动棘轮(8)；压电片一(12)、压电片二(13)分别通过压电片紧固螺钉(10)固定在外壳(1)内壁上，压电片一(12)另一端紧贴在正向转动棘轮(7)齿表面上，压电片二(13)另一端紧贴在反向转动棘轮(8)的齿表面上；二级齿轮(4)与升速齿轮组(5)啮合，升速齿轮组(5)与发电机(6)的轴连接，弧齿条(2)旁边安装有回复弹簧(9)，且上面粘有隔板(11)；
所述升频式压电-电磁俘能装置包括压电俘能部分和电磁俘能部分；
所述的压电俘能部分包括外壳(1)、弧齿条(2)、一级齿轮(3)、正向转动棘轮(7)、反向转动棘轮(8)、回复弹簧(9)、压电片紧固螺钉(10)、隔板(11)、压电片一(12)、压电片二(13)、双向轴承一(14)、双向轴承二(15)、双向轴承三(16)、双向轴承四(17)、金属轴一(18)、金属轴二(19)、单向轴承一(20)和单向轴承三(22)；
所述的电磁俘能部分包括外壳(1)、弧齿条(2)、一级齿轮(3)、二级齿轮(4)、升速齿轮组(5)、发电机(6)、回复弹簧(9)、压电片紧固螺钉(10)、隔板(11)、双向轴承一(14)、双向轴承二(15)、双向轴承三(16)、双向轴承四(17)、金属轴一(18)、金属轴二(19)、单向轴承二(21)；
所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用外壳(1)、弧齿条(2)、一级齿轮(3)、双向轴承一(14)、双向轴承二(15)、双向轴承三(16)、双向轴承四(17)、金属轴一(18)、金属轴二(19)、回复弹簧(9)、隔板(11)。
2.如权利要求1所述的一种升频式压电-电磁俘能装置，其特征在于：所述的一级齿轮(3)和二级齿轮(4)同轴，半径的比例根据总体尺寸空间和传动比需求来设计。
3.如权利要求2所述的一种升频式压电-电磁俘能装置，其特征在于：所述的升速齿轮组(5)直接固定在发电机(6)上，内部各级齿轮之间的传动比根据总体结构齿轮以及阻力大小选取现有齿轮组或重新设计齿轮组。
4.如权利要求3所述的一种升频式压电-电磁俘能装置，其特征在于：水平放置工作效果最优，所述升频式压电-电磁俘能装置包括压电俘能部分和电磁俘能部分，压电片一(12)、压电片二(13)和发电机(6)单独进行能量收集，再经过整流电路处理为可存储或可为传感设备使用的电信号，压电片一(12)、压电片二(13)输出电信号为大电压小电流，需要降低电压提高电流，然后再将电能储存到电池或及对外供能。
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种升频式压电-电磁俘能装置，其特征在于：所述升频式压电-电磁俘能装置应用于生物行走或跑步时将机械振动能转化为电能储存，并能够实现对微电子装置供电，工作方法为，
在行走时，生物的重心会在脚尖与脚跟之间切换，因此会对鞋子的前掌与后脚跟周期性施加和释放压力，在后脚跟施加压力的鞋垫部位放置所述升频式压电-电磁俘能装置，利用后脚跟周期性对鞋垫施加和释放压力实现动力输入，其中释放压力过程中利用回复弹簧输入动力，具体工作方法为：在水平放置情况下，步行或跑步时，脚根部踩压隔板(11)和弧齿条(2)的过程中，弧齿条(2)和一级齿轮(3)啮合并驱动一级齿轮(3)正向旋转，同时带动金属轴一(18)正向旋转，金属轴一(18)通过单向轴承二(21)带动二级齿轮(4)和通过单向轴承一(20)带动正向转动棘轮(7)转动，二级齿轮(4)与升速齿轮组(5)啮合并进而提高发电机轴的转速，同时正向转动棘轮(7)转动过程中的每个齿与压电片一(12)不断碰撞，提高压电片的激振频率；此外，由于单向轴承一(20)和单向轴承二(21)转动方向相同，且与单向轴承三(22)转动方向相反，所以在下压过程中，正向转动棘轮(7)转动而反向转动棘轮(8)不运动，即下压过程中压电片一(12)和发电机(6)进行能量收集；
当脚底和隔板(11)及弧齿条(2)分离时，回复弹簧(9)存储的弹性势能驱动弧齿条(2)转动，同时一级齿轮(3)和金属轴一(18)反向转动，此时只有单向轴承三(22)带动反向转动棘轮(8)运动，并在转动过程中每个齿与压电片二(13)不断碰撞，提高对压电片的激振频率；
对于压电片一(12)、压电片二(13)和发电机(6)所获得的能量，通过整流电路进一步存储到电池中，为微电子装置供电。
6.如权利要求5所述的一种升频式压电-电磁俘能装置，其特征在于：所述生物优选为人体。
7.如权利要求5所述的一种升频式压电-电磁俘能装置，其特征在于：施加压力的鞋垫部位放置所述升频式压电-电磁俘能装置，所述压力的鞋垫部位不仅限于生物体鞋垫部位，本发明对其他能够产生生物行走或跑步压力形式应用环境均适用。
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