CN205249086U

CN205249086U - 一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸

Info

Publication number: CN205249086U
Application number: CN201520962073.9U
Authority: CN
Inventors: 程廷海; 王英廷; 王拓; 秦峰; 包钢; 宋兆阳; 张邦成
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2025-11-30

Abstract

本实用新型公开了一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸，以解决当前气动压电发电装置结构复杂、能量利用率低、噪声大等问题。本实用新型包括气缸本体和压电发电装置两部分，所述发电装置通过螺纹副与气缸后端连接。所述压电发电装置由腔体端盖、发电腔体、边缘固定式发电组件或中间固定式发电组件组成，发电组件在压缩空气的冲击以及不稳定的气体压力的作用下产生机械形变，基于压电效应产生电能，并在金属基板回复力作用下复位，基于压电效应再次产生电能。本实用新型具有结构简单、能量利用率高、噪声小以及成本低等技术优势，可通过整流储能电路将产生的电能进行收集整理，为物联网节点进行供能。本实用新型在气动技术领域具有广阔的应用前景。

Description

一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸

技术领域

本实用新型涉及一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸，属于气动技术领域。

背景技术

气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量和信号传递的工程技术，是实现自动化生产与工业控制的重要手段之一，以其成本低、污染小、易调控等优点在加工、制造、汽车生产等领域中应用广泛。随着气动技术的不断发展，人们对气动系统智能化的要求也越来越高，物联网技术在气动系统中的应用则是实现气动技术智能化的主要方式之一。目前，气动系统中物联网节点通常由传感器和无线通信模块组成，其供电方式一般采用外接电路和电池供电，外接电路供电会使气动系统供电线路复杂，增加系统维护的成本和困难程度；而电池供电则存在电池体积大、使用寿命短，需频繁更换等问题，难以满足传感器和无线通信模块持续工作的要求；同时，电池含有重金属，废旧电池处理不当会造严重的环境污染。

由于气动系统本身能量大，俘获气动系统能量为物联网节点供能具有良好的发展前景。现有中国实用新型专利《气动发电装置》，授权公告号为CN201898457U，授权公告日为2011.07.13，公开一种气动发电装置，包括充气装置、密封容器、控制装置及压电晶体，充气装置与密封容器连通并向密封容器充气，控制装置与密封容器连接，控制装置靠近压电晶体安装，控制装置将密封容器中的压缩空气形成气流，并将气流的作用力传递到压电晶体，使压电晶体将机械能转换成电能，供与压电晶体电连接的用电器使用。中国发明专利《一种基于射流微振荡器激励的压电发电装置》，申请公布号为CN102594202A，申请公布日为2012.07.18，公开一种基于射流微振荡器激励的压电发电装置，该装置包括壳体、双稳射流元件、第一振荡腔、第二振荡腔和输出电路；第一振荡腔和第二振荡腔对称布置在双稳射流元件的左右两侧；在第一振荡腔和第二振荡腔上分别设有膜片，在膜片上设有压电片，双稳射流元件进气口与气动设备的排气口连通。由于双稳射流元件的附壁效应，气体反复循环在两侧振荡腔中形成振荡气体，振荡腔中振荡气流带动腔室上的膜片振动，膜片的振动驱动其上的压电片振动变形产生电荷。上述已有技术存在发电装置结构复杂、占用空间大以及难以实现集成化与微型化等问题；同时由于上述技术方案中所公开的发电装置是采用开放环境下进行气流冲击俘能，存在能量利用率低、噪声大等问题。

实用新型内容

为了解决上述气动压电发电装置结构复杂、能量利用率低、噪声大等问题，本实用新型公开一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸。

本实用新型所采用的技术方案是：所述一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸由气缸和压电发电装置组成；所述气缸为普通气缸，所述一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸由气缸和压电发电装置组成，所述气缸后端盖中心位置设有内螺纹一，所述压电发电装置包括腔体端盖、发电腔体、边缘固定式发电组件或中间固定式发电组件，所述腔体端盖一侧端部设置有外螺纹一，其用于与气缸后端盖中心位置的内螺纹一旋合连接，以实现气缸与压电发电装置的紧固连接，所述腔体端盖的外螺纹一中心位置设有通孔，其用于实现气缸与压电发电装置之间的气体流通，所述腔体端盖另一侧端部设有外螺纹二，其用于与发电腔体的内螺纹二旋合连接，以实现腔体端盖与发电腔体紧固连接；所述发电腔体开口端设有内螺纹二，其用于与腔体端盖的外螺纹二旋合连接，所述发电腔体内部中心位置设有内部容腔，发电腔体的内部容腔侧壁设有内螺纹三，发电腔体内部底端设有导线孔。

所述边缘固定式发电组件由螺纹环、金属基板和压电片组成，所述螺纹环外圆周设有外螺纹三，用于与发电腔体的内部容腔侧壁设有的内螺纹三旋合连接，所述螺纹环内圆周侧壁设有环形凹槽，以实现金属基板的安装固定，所述金属基板一端与螺纹环内圆周侧壁设有环形凹槽胶粘连接，所述金属基板上下两个平面分别与压电片胶粘连接，所述压电片粘接在金属基板上下两个平面上，所述边缘固定式发电组件可为m个，m为大于等于1的正整数，用于与发电腔体配合，以实现发电过程。

所述中间固定式发电组件由固定板、螺钉、方形基板和压电元件组成。所述固定板外圆周设有外螺纹四，用于与发电腔体的内部容腔侧壁设有的内螺纹三旋合连接，所述固定板设有n个方形槽，n为大于等于1的正整数，其用于实现方形基板的安装，所述固定板中心位置设有n个螺纹孔，n为大于等于1的正整数，其用于与螺钉的旋合连接，以实现方形基板的固定，所述固定板设有凸台，用于螺纹孔的设置，所述固定板设有导线圆孔，其用于压电元件导线的布置，所述螺钉用于与固定板中心位置设有的螺纹孔旋合连，以实现方形基板的固定，所述方形基板安装于固定板设有的方形槽，所述方形基板一端设有圆形通孔，用于方形基板的安装固定，所述压电元件粘接在方形基板上下两个平面上,所述中间固定式发电组件可为p个，p为大于等于1的正整数，用于与发电腔体配合，以实现发电过程。

本实用新型的有益效果是：本实用新型可俘获气流冲击的动能和压缩气体的压力能，发电过程分为三个阶段：冲击过程发电、气体压力波动过程发电和复位发电。冲击发电阶段，气缸由后端盖气孔流入的气体，一部分通过腔体端盖一侧端部的通孔进入压电发电装置，另一部分留在气缸，进入发电装置中的气流直接冲击金属基板使压电片产生形变，从而产生电能；气体压力波动发电阶段，随着进入气缸气体量的增加，压缩空气推动活塞使气缸正常运动，活塞运动时气缸和压电发电装置内会产生不稳定的气体波动，不断地对发电组件施加交变的作用力，使其产生反复的形变，使压电片持续输出电能；复位发电过程，金属基板在形变后由于其自身回复力的作用进行复位，复位过程中金属基板会产生一个振幅逐渐减弱的往复振动，压电片随着金属基板振动过程持续输出电能，直至振动停止，本实用新型完成了一个周期的发电过程。本实用新型具有结构简单、能量利用率高、噪声小以及成本低等技术优势，同时通过整流储能电路可将产生的电能进行收集整理，为物联网节点进行供能。该发明在气动技术领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1所示为本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸结构示意图；

图2所示为本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸中气缸的结构示意图；

图3所示为本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸中压电发电装置的剖视图；

图4所示为本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸中腔体端盖的剖视图；

图5所示为本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸中发电腔体的剖视图；

图6所示为本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸中边缘固定式发电组件的剖视图；

图7所示为本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸中边缘固定式发电组件的侧视图；

图8所示为本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸中中间固定式发电组件的剖视图；

图9所示为本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸中中间固定式发电组件的侧视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图7说明本实施方式。

本实施方式提供一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸的具体实施方案。所述一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸由气缸1和压电发电装置2组成。

所述气缸1可为双作用气缸(SMC公司MBB50-100气缸)；所述气缸1后端盖中心位置设有内螺纹一1-1；所述压电发电装置2包括腔体端盖2-1、发电腔体2-2、边缘固定式发电组件2-3。

所述腔体端盖2-1一侧端部设置有外螺纹一2-1-2，其用于与气缸1后端盖中心位置的内螺纹一1-1旋合连接，以实现气缸1与压电发电装置2的紧固连接；所述腔体端盖2-1的外螺纹一2-1-2中心位置设有通孔2-1-1，其用于实现气缸1与压电发电装置2之间的气体流通；所述腔体端盖2-1另一侧端部设有外螺纹二2-1-3，其用于与发电腔体2-2的内螺纹二2-2-1旋合连接，以实现腔体端盖2-1与发电腔体2-2紧固连接。

所述发电腔体2-2开口端设有内螺纹二2-2-1，其用于与腔体端盖2-1的外螺纹二2-1-3旋合连接；所述发电腔体2-2内部中心位置设有内部容腔2-2-2，用于边缘固定式发电组件2-3的安装布置；发电腔体2-2的内部容腔2-2-2侧壁设有内螺纹三2-2-3，其用于与边缘固定式发电组件2-3上外螺纹三2-3-1-1旋合连接，实现边缘固定式发电组件2-3的固定；发电腔体2-2内部底端设有导线孔2-2-4，其用于实现边缘固定式发电组件2-3导线的引出。

所述边缘固定式发电组件2-3由螺纹环2-3-1、金属基板2-3-2和压电片2-3-3组成，所述螺纹环2-3-1外圆周设有外螺纹三2-3-1-1，用于与发电腔体2-2的内部容腔2-2-2侧壁设有内螺纹三2-2-3旋合连接；所述螺纹环2-3-1内圆周侧壁设有环形凹槽2-3-1-2，以实现金属基板2-3-2的安装固定；所述金属基板2-3-2一端安装于螺纹环2-3-1内圆周中心位置设有环形凹槽2-3-1-2，并用环氧树脂胶胶粘连接；所述金属基板2-3-2上下两个平面分别与压电片2-3-3通过环氧树脂胶胶粘连接；所述压电片2-3-3通过环氧树脂胶粘接在金属基板2-3-2上下两个平面上；所述边缘固定式发电组件2-3可为m个，m为大于等于1的正整数，用于与发电腔体2-2配合，以实现发电过程。

本实施方式的具体发电原理：利用气动压缩空气产生气流作用于发电组件2-3中金属基板2-3-2而使其产生弯曲形变，从而激发压电片2-3-3产生电能。压缩空气可推动活塞使气缸1正常工作，在气缸1的运动过程中，由于气缸1内部容积产生变化，从而导致压缩气体产生波动，这种波动特性可以使非稳态的压缩空气不断地对发电组件2-3施加交变的作用力，使其产生反复的形变，此过程有效的增加了波形带宽从而增大了发电组件2-3的发电量。金属基板2-3-2在其回复力的作用下进行复位，复位过程中金属基板2-3-2会产生一个振幅逐渐减弱的往复振动，此过程中压电片2-3-3可持续输出电能。本实用新型提出的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸的发电过程可分为三个阶段：冲击过程发电、气体压力波动过程发电和复位过程发电。具体发电过程如下：冲击发电阶段，气缸1由后端盖气孔流入的气体，一部分通过腔体端盖2-1一侧端部的通孔2-1-1进入压电发电装置2，另一部分留在气缸1，进入发电装置2中的气流直接冲击金属基板2-3-2使压电片2-3-3产生形变，从而产生电能；气体压力波动发电阶段，随着进入气缸1气体量的增加，压缩空气推动活塞使气缸1正常运动，活塞运动时气缸1和压电发电装置2内会产生不稳定的气体波动，不断地对发电组件2-3施加交变的作用力，使其产生反复的形变，使压电片2-3-3持续输出电能；复位发电阶段，金属基板2-3-2在形变后由于其自身回复力的作用进行复位，复位过程中金属基板2-3-2会产生一个振幅逐渐减弱的往复振动，压电片2-3-3随着金属基板2-3-2振动过程可持续输出电能，直至振动停止，本实用新型完成了一个周期的发电过程。重复上述工作过程，可实现本实用新型的连续发电。

具体实施方式二：结合图8和图9说明本实施方式。

本实施方式提供一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸的另一种具体实施方案。其结构组成和连接方式与具体实施方式一相同，不同之处在于所述压电发电装置2包括腔体端盖2-1、发电腔体2-2、中间固定式发电组件2-4，所述中间固定式发电组件2-4由固定板2-4-1、螺钉2-4-2、方形基板2-4-3和压电元件2-4-4组成。所述固定板2-4-1外圆周设有外螺纹四2-4-1-1，用于与发电腔体2-2的内部容腔2-2-2侧壁设有内螺纹三2-2-3旋合连接；所述固定板2-4-1设有n个方形槽2-4-1-2，n为大于等于1的正整数，其用于实现方形基板2-4-3的安装；所述固定板2-4-1中心位置设有n个螺纹孔2-4-1-3，n为大于等于1的正整数，其用于与螺钉2-4-2的旋合连接，以实现方形基板2-4-3的固定；所述固定板2-4-1设有凸台2-4-1-4，用于螺纹孔2-4-1-3的设置；所述固定板2-4-1设有导线圆孔2-4-1-5，其用于压电元件2-4-4导线的布置；所述螺钉2-4-2用于与固定板2-4-1中心位置设有的螺纹孔2-4-1-3旋合连接，以实现方形基板2-4-3的固定；所述方形基板2-4-3安装于固定板2-4-1设有的方形槽2-4-1-2，所述方形基板2-4-3一端设有圆形通孔2-4-3-1，用于方形基板2-4-3的安装固定；所述压电元件2-4-4通过环氧树脂胶粘接在方形基板2-4-3上下两个平面上；所述中间固定式发电组件2-4可为p个，p为大于等于1的正整数，用于与发电腔体2-2配合，以实现发电过程。

本实施方式的发电原理与具体实施方式一的发电原理相同。

Claims

1.一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸，其特征在于：所述一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸由气缸（1）和压电发电装置（2）组成；所述气缸（1）后端盖中心位置设有内螺纹一（1-1），所述压电发电装置（2）包括腔体端盖（2-1）、发电腔体（2-2）、边缘固定式发电组件（2-3）或中间固定式发电组件（2-4），所述腔体端盖（2-1）一侧端部设置有外螺纹一（2-1-2），其用于与气缸（1）后端盖中心位置的内螺纹一（1-1）旋合连接，以实现气缸（1）与压电发电装置（2）的紧固连接，所述腔体端盖（2-1）的外螺纹一（2-1-2）中心位置设有通孔（2-1-1），其用于实现气缸（1）与压电发电装置（2）之间的气体流通，所述腔体端盖（2-1）另一侧端部设有外螺纹二（2-1-3），其用于与发电腔体（2-2）的内螺纹二（2-2-1）旋合连接，以实现腔体端盖（2-1）与发电腔体（2-2）紧固连接，所述发电腔体（2-2）开口端设有内螺纹二（2-2-1），其用于与腔体端盖（2-1）的外螺纹二（2-1-3）旋合连接，所述发电腔体（2-2）内部中心位置设有内部容腔（2-2-2），发电腔体（2-2）的内部容腔（2-2-2）侧壁设有内螺纹三（2-2-3），发电腔体（2-2）内部底端设有导线孔（2-2-4）。

2.根据权利要求1所述的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸，其特征在于：所述边缘固定式发电组件（2-3）由螺纹环（2-3-1）、金属基板（2-3-2）和压电片（2-3-3）组成，所述螺纹环（2-3-1）外圆周设有外螺纹三（2-3-1-1），用于与发电腔体（2-2）的内部容腔（2-2-2）侧壁设有内螺纹三（2-2-3）旋合连接，所述螺纹环（2-3-1）内圆周侧壁设有环形凹槽（2-3-1-2），以实现金属基板（2-3-2）的安装固定，所述金属基板（2-3-2）一端与螺纹环（2-3-1）内圆周侧壁设有的环形凹槽（2-3-1-2）胶粘连接，所述金属基板（2-3-2）上下两个平面分别与压电片（2-3-3）胶粘连接，所述压电片（2-3-3）粘接在金属基板（2-3-2）上下两个平面上,所述边缘固定式发电组件（2-3）可为m个，m为大于等于1的正整数，用于与发电腔体（2-2）配合，以实现发电过程。

3.根据权利要求1所述的一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸，其特征在于：所述中间固定式发电组件（2-4）由固定板（2-4-1）、螺钉（2-4-2）、方形基板（2-4-3）和压电元件（2-4-4）组成；所述固定板（2-4-1）外圆周设有外螺纹四（2-4-1-1），用于与发电腔体（2-2）的内部容腔（2-2-2）侧壁设有内螺纹三（2-2-3）旋合连接，所述固定板（2-4-1）设有n个方形槽（2-4-1-2），n为大于等于1的正整数，其用于实现方形基板（2-4-3）的安装，所述固定板（2-4-1）中心位置设有n个螺纹孔（2-4-1-3），n为大于等于1的正整数，其用于与螺钉（2-4-2）的旋合连接，以实现方形基板（2-4-3）的固定，所述固定板（2-4-1）设有凸台（2-4-1-4），用于螺纹孔（2-4-1-3）的设置，所述固定板（2-4-1）设有导线圆孔（2-4-1-5），其用于压电元件（2-4-4）导线的布置，所述螺钉（2-4-2）用于与固定板（2-4-1）中心位置设有的螺纹孔（2-4-1-3）旋合连接，以实现方形基板（2-4-3）的固定，所述方形基板（2-4-3）安装于固定板（2-4-1）设有的方形槽（2-4-1-2），所述方形基板（2-4-3）一端设有圆形通孔（2-4-3-1），用于方形基板（2-4-3）的安装固定，所述压电元件（2-4-4）粘接在方形基板（2-4-3）上下两个平面上,所述中间固定式发电组件(2-4)可为p个，p为大于等于1的正整数，用于与发电腔体(2-2)配合，以实现发电过程。