CN203968013U - 等形变悬臂杠杆式压电发电组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种等形变悬臂杠杆式压电发电组件，包括压电发电板、弹性杠杆和辅助支撑部件，所述的压电发电板包括铜极板和粘贴在铜极板上下两面上的方形A压电陶瓷片和B压电陶瓷片；弹性杠杆包括T型弹性杆、设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的主动压块和设置在T型弹性杆下侧端部的从动压块；辅助支撑部件包括圆弧面底板、支撑板、上压板和联接件，圆弧面底板、铜极板、支撑板、T型弹性杆和上压板依次从下向上设置，由联接件穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体。该压电发电组件具有结构简单、功率容量大、整机制造装配容易、成本低、压电转换效率高、压电陶瓷不易损坏破碎、踩踏时无踩空等不适感、对环境无污染、使用寿命长等优点。

Description

等形变悬臂杠杆式压电发电组件

技术领域

本实用新型涉及一种利用压电陶瓷材料压电效应的能量回收装置，具体来说，涉及一种等形变悬臂杠杆式压电发电组件。

背景技术

利用压电陶瓷正压电效应进行发电的装置因其具有环保节能、结构简单、无电磁干扰、易于实现、成本低等优点，成为世界各国研究人员的关注热点。国内外所研究的利用人体动能进行压电发电装置较多，公开号为CN201956927U的专利文献公开了一种利用人体频繁踏走的压电发电装置，该装置利用人体对弹簧杠杆机构踩踏形成弹簧形变的势能，进而释放弹簧形变势能对压电材料敲击进行压电发电，该装置结构简单，成本低，发电量集中，但是人体踩踏该装置杠杆结构后脚收起的速度较慢，弹簧形变势能释放后对压电陶瓷材料形成的敲击力很小，影响了压电陶瓷片的发电转换效率，另外，人体踩踏的行程大于2mm，有踩空等不适感。

专利号为201320203629.7，发明名称为一种悬臂压电发电组件的专利文献公开了一种利用悬臂杠杆原理的压电发电装置，该装置解决了人体踩踏发电装置产生的不适感，但是在后期深入的实验中发现，在压电材料的脆性失效变形范围内，压电悬臂梁末端施加外力或位移后，同一横截面内压电悬臂梁固定端在竖直方向位移最小，自由端位移最大，但是压电悬臂梁固定端的压电陶瓷形变最大，越趋向于自由端其压电陶瓷形变越小，自由端的压电陶瓷形变为零。由于压电悬臂梁的发电量和压电陶瓷的形变大小成正比，因此压电悬臂梁固定端的发电量最大，趋向于自由端发电量逐渐减小，自由端末端发电量为零,也即是该悬臂压电发电组件不能充分的利用人体动能，充分提高压电悬臂梁的发电转化效率。

发明内容

本实用新型提供了一种新型的等形变悬臂杠杆式压电发电组件，目的是为了提高利用人体动能进行压电发电的转换效率，同时避免踩踏压电发电装置时有踩空等不适感和直接踩踏压电陶瓷片易导致其破裂损坏等问题。

等形变悬臂杠杆式压电发电组件，包括压电发电板、弹性杠杆和辅助支撑部件，所述的压电发电板包括铜极板和粘贴在铜极板上下两面上的方形A压电陶瓷片和B压电陶瓷片，A压电陶瓷片和B压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反，A压电陶瓷片、B压电陶瓷片和铜极板均连接到能量转换电路和能量储存装置。

弹性杠杆包括T型弹性杆、设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的主动压块和设置在T型弹性杆下侧端部的从动压块，主动压块通过粘接或者焊接设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的位置，主动压块到上压板的距离为T型弹性杆悬臂长度的1/10~1/2，从动压块通过粘接或者焊接在T型弹性杆下侧端部。

辅助支撑部件包括圆弧面底板、支撑板、上压板和联接件，圆弧面底板、铜极板、支撑板、T型弹性杆和上压板依次从下向上设置，圆弧面底板、铜极板、支撑板、T型弹性杆和上压板上均开设有可供联接用的联接孔，由联接件穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体；在竖直方向上，所述的主动压块上表面的高度比上压板上表面的高度高0.2~1.8mm。

圆弧面底板一端开设有用来联接用的联接孔，另一端上表面为圆弧面，圆弧面最上端与上表面相切，圆弧面的圆心在上切点的正下方，圆弧面的上端部与压电陶瓷片的端部平齐，圆弧面底板的宽度≥压电陶瓷片的宽度，圆弧面底板的圆弧面在底面上投影的长度≥压电陶瓷片的长度，圆弧面的半径值在50mm~340mm之间；圆弧面底板、支撑板、上压板、主动压块和从动压块均为如塑料、木材、陶瓷或玻璃的非导电材料。

当弹性杠杆的T型端部由辅助支撑部件固定后，弹性杠杆就形成了压电悬臂梁杠杆结构，弹性杠杆被辅助支撑部件固定处为支点，主动压块到支点段为动力臂，从动压块到支点段为阻力臂。

当人踩踏T型弹性杆上侧的主动压块时，根据杠杆原理，设置在T型弹性杆下侧的从动压块就会向下移动多于主动压块下移的距离，即只需对主动压块向下踩踏很小的距离，即可驱动压电发电板自由端向下移动较大的距离来实现人体动能到电能的能量转换，从而提高了压电发电板的压电转换效率。

从动压块驱动压电悬臂梁自由端向下移动，随着从动压块的逐步向下移动，压电悬臂梁从固定端到自由端逐渐和圆弧面底板的上圆弧面相贴合，从而保证了压电悬臂梁从固定端到自由端每段压电陶瓷片均发生形变和每段压电陶瓷片形变的均匀性,每段压电陶瓷片的形变均为常值，且这个形变值与圆弧面底板上圆弧面的圆弧半径有关，合理设置圆弧面底板上圆弧面的圆弧半径，保证压电陶瓷片在其脆性失效变形范围内，避免了单纯压电悬臂梁在固定端发电量大、自由端发电量小等问题，使每段压电陶瓷片均发生形变，充分提高了压电悬臂梁压电陶瓷片的压电转换效率。

当人体踩踏结束释放主动压块后，T型弹性杆恢复到原来的形状，从动压块和铜极板脱离，当人体连续踩踏和释放主动压块时，该压电发电组件可完成连续的压电发电过程。

由于上压板的支撑限位作用，限制主动压块和人体仅能向下移动0.2~1.8mm，距离较短，无踩空等不适感，且避免了人体和压电陶瓷的直接接触，保证压电陶瓷不被冲击破裂或损坏。圆弧面底板的存在，保证了压电陶瓷片形变的均匀性和曲率变化的可控性，充分提高了压电悬臂梁压电陶瓷片的发电效率。与现有技术相比，该等形变悬臂杠杆式压电发电组件具有结构简单、功率容量大、整机制造装配容易、成本低、压电转换效率高、压电陶瓷不易损坏破碎、踩踏时无踩空等不适感、对环境无污染、使用寿命长等优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的前视图。

图3是本实用新型的系统结构示意图。

图4是本实用新型中上压板8的结构示意图。

图5是本实用新型中T型弹性杆5的结构示意图。

图6是本实用新型中支撑板9的结构示意图。

图7是本实用新型中铜极板2的结构示意图。

图8是本实用新型中圆弧面底板10的结构示意图。

图9是本实用新型中圆弧面底板10的前视图。

图10是本实用新型中主动压块6的结构示意图。

图11是本实用新型中从动压块4的结构示意图。

图中标号说明：1.A压电陶瓷片，2.铜极板，3. B压电陶瓷片，4.从动压块，5.T型弹性杆，6.主动压块，7.联接件，8.上压板， 9.支撑板，10.圆弧面底板，11. 能量转换电路和能量储存装置。

具体实施方式

结合图1和图2所示，等形变悬臂杠杆式压电发电组件包括压电发电板、辅助支撑部件和弹性杠杆，所述的压电发电板包括铜极板2和粘贴在铜极板2上下两面上的方形A压电陶瓷片1和B压电陶瓷片3，A压电陶瓷片1和B压电陶瓷片3均沿厚度方向极化且极化方向相反，铜极板2材料为铍青铜，长度为70mm，宽度为50mm，厚度为0.3mm，压电陶瓷片材料均为PZT-5，长度为50mm，宽度为50mm，厚度为0.2mm。

弹性杠杆包括T型弹性杆5、设置在T型弹性杆5上侧靠近上压板8的主动压块6和设置在T型弹性杆5下侧端部的从动压块4，主动压块6和从动压块4通过粘接方式和T型弹性杆5联接在一起，主动压块6到上压板8距离为T型弹性杆5悬臂长度的1/5，在竖直方向上，主动压块6上表面的高度比上压板8上表面的高度高1mm。

辅助支撑部件包括圆弧面底板10、支撑板9、上压板8和联接螺钉7；圆弧面底板10、铜极板2、支撑板9、T型弹性杆5和上压板8依次从下向上设置，圆弧面底板10、铜极板2、支撑板9、T型弹性杆5和上压板8上均开设有可供联接用的联接孔，孔直径为4.3mm，由联接螺钉7穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体，螺钉公称直径为4mm。

圆弧面底板10一端开设有用来联接用的直径为4.3mm的联接孔，另一端上表面为圆弧面，圆弧面最上端与上表面相切，圆弧面的圆心在上切点的正下方，圆弧面的上端部与压电陶瓷片的端部平齐，圆弧面底板的宽度为70mm，圆弧面底板的圆弧面在底面上投影的长度为90mm，圆弧面的半径为240mm；圆弧面底板10、支撑板9、上压板8、主动压块6和从动压块4均为尼龙66塑料材料。

结合图3所示，A压电陶瓷片1、B压电陶瓷片3和铜极板2均连接到能量转换电路和能量储存装置11。

结合图4-11所示，为上压板8、T型弹性杆5、支撑板9、铜极板2、圆弧面底板10、圆弧面底板10侧视图、主动压块6和从动压块4的结构示意图，充分体现了各个零件的结构，以便充分理解各个零件之间的联接关系。

当人踩踏T型弹性杆5上侧的主动压块6时，由于上压板8的支撑限位作用，主动压块6仅能向下移动1mm，又由于主动压块6到上压板8距离为T型弹性杆5悬臂长度的1/5，根据杠杆原理，设置在T型弹性杆5端部下侧的从动压块4向下移动5mm，即驱动压电发电板自由端向下移动5mm的距离。

从动压块驱动压电悬臂梁自由端向下移动，随着从动压块的逐步向下移动，压电悬臂梁从固定端到自由端逐渐和圆弧面底板的上圆弧面相贴合，保证了压电悬臂梁从固定端到自由端每段压电陶瓷片均发生形变和每段压电陶瓷片形变的均匀性,压电悬臂梁弯曲变形其内径半径值=圆弧面底板的圆弧面半径=240mm，压电悬臂梁外径半径值=圆弧面底板的圆弧面半径+铜极板厚度+压电陶瓷片厚度值x2=240mm+0.3mm+0.2mmx2=240.7mm，充分提高了压电悬臂梁压电陶瓷片的发电效率。

当人体踩踏结束释放主动压块6后，T型弹性杆5恢复到原来的形状，从动压块4和铜极板2脱离，当人体连续踩踏和释放主动压块6时，该压电发电组件可完成连续的压电发电过程。当踩踏频率为1Hz时，使用示波器对A压电陶瓷片1和B压电陶瓷片3的输出电压进行测量，其输出电压最大值分别为32.4V和30.2V，较单纯的压电悬臂梁发电组件其输出电压有较大提高，发电性能良好。

Claims (9)

1.等形变悬臂杠杆式压电发电组件，包括压电发电板、弹性杠杆和辅助支撑部件，所述的压电发电板包括铜极板和粘贴在铜极板上下两面上的方形A压电陶瓷片和B压电陶瓷片，A压电陶瓷片和B压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反，其特征在于：弹性杠杆包括T型弹性杆、设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的主动压块和设置在T型弹性杆下侧端部的从动压块，主动压块通过粘接或者焊接设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的位置，主动压块到上压板的距离为T型弹性杆悬臂长度的1/10~1/2，从动压块通过粘接或者焊接设置在T型弹性杆下侧端部；辅助支撑部件包括圆弧面底板、支撑板、上压板和联接件，圆弧面底板、铜极板、支撑板、T型弹性杆和上压板依次从下向上设置，圆弧面底板、铜极板、支撑板、T型弹性杆和上压板上均开设有可供联接用的联接孔，由联接件穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体；在竖直方向上，所述的主动压块上表面的高度比上压板上表面的高度高0.2~1.8mm；圆弧面底板一端开设有用来联接用的联接孔，另一端上表面为圆弧面，圆弧面最上端与上表面相切，圆弧面的圆心在上切点的正下方，圆弧面的上端部与压电陶瓷片的端部平齐，圆弧面底板的宽度≥压电陶瓷片的宽度，圆弧面底板的圆弧面在底面上投影的长度≥压电陶瓷片的长度，圆弧面的半径值在50mm~340mm之间；圆弧面底板、支撑板、上压板、主动压块和从动压块均为非导电材料；A压电陶瓷片、B压电陶瓷片和铜极板均连接到能量转换电路和能量储存装置。

2.根据权利要求1所述的等形变悬臂杠杆式压电发电组件，其特征在于：所述的圆弧面底板为塑料材料。

3.根据权利要求1所述的等形变悬臂杠杆式压电发电组件，其特征在于：所述的圆弧面底板为木质材料。

4.根据权利要求1所述的等形变悬臂杠杆式压电发电组件，其特征在于：所述的圆弧面底板为陶瓷材料。

5.根据权利要求1所述的等形变悬臂杠杆式压电发电组件，其特征在于：所述的圆弧面底板为玻璃材料。

6.根据权利要求1~5中任一条所述的等形变悬臂杠杆式压电发电组件，其特征在于：所述的上压板、支撑板、主动压块和从动压块为塑料材料。

7.根据权利要求1~5中任一条所述的等形变悬臂杠杆式压电发电组件，其特征在于：所述的上压板、支撑板、主动压块和从动压块为木质材料。

8.根据权利要求1~5中任一条所述的等形变悬臂杠杆式压电发电组件，其特征在于：所述的上压板、支撑板、主动压块和从动压块为陶瓷材料。

9.根据权利要求1~5中任一条所述的等形变悬臂杠杆式压电发电组件，其特征在于：所述的上压板、支撑板、主动压块和从动压块为玻璃材料。