CN205319973U - 悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，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、只能由单激励源激励等问题。本实用新型包括腔体端盖、腔体、发电组件一或发电组件二、活塞一或活塞二；所述能量收集装置通过气动接头和气管与激励源连通。压电元件在压缩空气的冲击、气体压力以及压力波动的作用下产生机械形变，并在低压时进行复位，基于压电效应产生电能。本实用新型具有结构简单、适用于双激励源、能量利用率高、噪声小以及成本低等技术优势，此外，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。本实用新型在气动技术领域具有广阔的应用前景。

Description

悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置

技术领域

本实用新型涉及一种悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，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。而气动执行器作为气动系统实现功能的执行元件，在气动系统中有着不可替代的重要地位，在工业生产中，为了实现特定的功能通常将多个气动执行器组合使用。随着气动技术的发展，气动执行器作为气动系统中重要组成部分，人们对其输出精度及响应速度等参数提出了更高的要求，物联网技术在气动系统中的应用则可以满足人们的需求，因此气动技术与物联网结合成为气动技术智能化发展趋势之一。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，结合气动系统自身特点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》，申请公告号为CN102594202A，申请公告日为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；并只能由单个激励源激励。

发明内容

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、只能由单个激励源激励等问题，本实用新型公开一种适用于工业气动系统环境、并可提高气动系统能量利用率、适用于双激励源（所述激励源可为气动执行器或者气动系统中其它适宜的气动元件），产生的电能可为物联网网络节点供能的悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置。

本实用新型所采用的技术方案是：所述悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置为对称结构，其结构包括腔体端盖、腔体、发电组件一、活塞一、发电组件二、活塞二；所述腔体端盖中心位置设有圆形通孔，其用于实现能量收集装置与激励源的气体流通；所述腔体端盖一端设有外螺纹一，其用于实现能量收集装置与激励源的连接；所述腔体端盖另一端设有外螺纹二；所述腔体为对称结构，其两端内侧设有内螺纹一，其用于与腔体端盖设有的外螺纹二旋合连接，以实现腔体端盖与腔体的固定连接；所述腔体两端内侧设有内螺纹二；所述腔体中间设有阶梯孔，以实现发电组件一或发电组件二的固定以及活塞一或活塞二的安装；所述腔体中间腔壁设有导线孔，以实现发电组件一或发电组件二导线的引出；发电组件一由固定板、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三，用于与腔体两端内侧设有内螺纹二旋合连接，以实现发电组件一的固定；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，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接，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；所述压电元件通过环氧树脂胶粘接在方形基板上下两个平面上。所述活塞一由活塞板一和密封环一组成；所述活塞板一设有环形槽一，其用于密封环一的安装；所述活塞板一两端平面设有n个圆形细柱；所述密封环一安装于活塞板一设有环形槽一，以实现活塞板一与腔体的密封连接。所述发电组件二由螺纹环、金属基板和压电片组成，所述螺纹环外圆周设有外螺纹四，用于与腔体两端内侧设有内螺纹二旋合连接，以实现发电组件二的固定；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，所述环形凹槽可与m个金属基板固定连接，m为大于等于1的正整数；所述金属基板一端安装于螺纹环内圆周中心位置设有环形凹槽，并用环氧树脂胶胶粘连接；所述金属基板上下两个平面分别与压电片通过环氧树脂胶胶粘连接；所述压电片通过环氧树脂胶粘接在金属基板上下两个平面上；所述活塞二由活塞板二和密封环二组成；所述活塞板二设有环形槽二，以实现密封环二的安装；所述活塞板二两端面中心设有圆柱形凸起；所述密封环二安装于活塞板二设有的环形槽二，以实现活塞板二与与腔体的密封连接。

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，而且能量收集装置可由两个激励源同时激励，即能量收集装置有两个发电腔，可将两个进气口分别与两个激励源连通（两个进气口也可以接在同一激励源），与两个发电腔相连的激励源对发电组件产生激励作用，从而产生电能；两发电腔发电过程相同，其发电过程分为三个阶段：冲击过程发电、保压过程发电和复位发电。冲击过程发电即当激励源气压大于能量收集装置内部气压时，气体会进入能量收集装置形成气流，通过气流冲击能量收集装置中的发电组件和活塞，发电组件中压电元件产生形变，活塞压迫另一侧发电组件使其中压电元件产生形变从而产生电能；保压过程发电即当发电腔气压的作用力大于发电组件弹性回复力时，气体作用于活塞压迫发电组件使压电元件变形，当激励源气压与能量收集装置内部气压相等后，由于保压气体具有压力波动特性，压力波动压动活塞从而使发电组件中压电元件产生往复的形变输出电能；复位发电即能量收集装置内压力减小，由于发电组件弹性回复力使压电元件复位，复位过程中压电元件产生负向电压，当负向电压降至为零时即完成一个周期的发电过程。本实用新型具有结构简单、可由双激励源激励、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。本实用新型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能量收集装置结构示意图；

图2所示为本实用新型提出的能量收集装置中腔体端盖的剖视图；

图3所示为本实用新型提出的能量收集装置中腔体的剖视图；

图4所示为本实用新型提出的能量收集装置中发电组件一的剖视图；

图5所示为本实用新型提出的能量收集装置中发电组件一的侧视图；

图6所示为本实用新型提出的能量收集装置中活塞一的剖视图；

图7所示为本实用新型提出的能量收集装置中活塞一的侧视图；

图8所示为本实用新型提出的能量收集装置中发电组件二的剖视图；

图9所示为本实用新型提出的能量收集装置中发电组件二的侧视图；

图10所示为本实用新型提出的能量收集装置中活塞二的剖视图；

图11所示为本实用新型提出的能量收集装置中活塞二的侧视图；

图12所示为一种以气缸为激励源的能量收集装置的装配示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图7、图12说明本实施方式。

本实施方式提供一种气动系统能量收集装置的具体实施方案。本方案中所述激励源为气缸1，能量收集装置2与两个气缸1连通；所述气缸1后端盖中心位置设有螺纹孔，其用于与气动接头一3旋合连接，所述气动接头一3通过气管5与气动接头二4连接，所述气动接头二4与腔体端盖2-1一端所设的外螺纹一2-1-2旋合连接，以实现能量收集装置2与两个气缸1的连通。：所述悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置2为对称结构，其结构包括腔体端盖2-1、腔体2-2、发电组件一2-3、活塞一2-4；所述腔体端盖2-1中心位置设有圆形通孔2-1-1，其用于实现能量收集装置2与气缸的气体流通；所述腔体端盖2-1一端设有外螺纹一2-1-2；其用于与气动接头二4旋合连接；所述腔体端盖2-1另一端设有外螺纹二2-1-3；所述腔体2-2为对称结构，其两端外侧设有内螺纹一2-2-1，其用于与腔体端盖2-1设有的外螺纹二2-1-3旋合连接，以实现腔体端盖2-1与腔体2-2的固定连接；所述腔体2-2两端内侧设有内螺纹二2-2-2；所述腔体2-2中间设有阶梯孔2-2-3，以实现发电组件一2-3的固定以及活塞一2-4的安装；所述腔体2-2中间腔壁设有导线孔2-2-4，以实现发电组件一2-3导线的引出。所述发电组件一2-3由固定板2-3-1、螺钉2-3-2、方形基板2-3-3和压电元件2-3-4组成。所述固定板2-3-1外圆周设有外螺纹三2-3-1-1，用于与腔体2-2两端内侧设有内螺纹二2-2-2旋合连接，以实现发电组件一2-3的固定；所述固定板2-3-1设有n个方形槽2-3-1-2，n为大于等于1的正整数，其用于实现方形基板2-3-3的安装；所述固定板2-3-1中心位置设有n个螺纹孔2-3-1-3，其用于与螺钉2-3-2的旋合连接，以实现方形基板2-3-3的固定；所述固定板2-3-1设有凸台2-3-1-4，用于螺纹孔2-3-1-3的设置；所述固定板2-3-1设有导线圆孔2-3-1-5，其用于压电元件2-3-4导线的布置；所述螺钉2-3-2用于与固定板2-3-1中心位置设有的螺纹孔2-3-1-3旋合连接，以实现方形基板2-3-3的固定；所述方形基板2-3-3安装于固定板2-3-1设有的方形槽2-3-1-2，所述方形基板2-3-3一端设有圆形通孔2-3-3-1，用于方形基板2-3-3的安装固定；所述压电元件2-3-4通过环氧树脂胶粘接在方形基板2-3-3上下两个平面上。所述活塞一2-4由活塞板一2-4-1和密封环一2-4-2组成；所述活塞板一2-4-1设有环形槽一2-4-1-1，其用于密封环一2-4-2的安装；；所述活塞板一2-4-1两端平面设有n个圆形细柱2-4-1-2；所述密封环一2-4-2安装于活塞板一2-4-1设有环形槽一2-4-1-1，以实现活塞板一2-4-1与腔体2-2的密封连接。

本实施方式的具体发电过程：两发电腔发电过程相同，其发电过程可分为三个阶段：冲击过程发电、保压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，一部分通过气管5进入能量收集装置2，另一部分留在气缸1，进入能量收集装置2中的气流直接冲击发电组件一2-3和活塞一2-4，发电组件中压电元件2-3-4发生形变，活塞一2-4压迫另一侧发电组件一2-3产生形变，从而产生电能；保压发电阶段，随着进入能量收集装置2气体的增加，能量收集装置2内气压升高，压迫活塞一2-4从而使发电组件一2-3中压电元件2-3-4变形输出电能，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和能量收集装置2内会产生不稳定的气体波动，不断地对活塞一2-4施加交变的作用力，活塞一2-4使发电组件一2-3中压电元件2-3-4产生反复的形变，从而输出电能；复位发电阶段，是在气缸1处于后端盖气孔排气时，气体通过腔体端盖2-1的圆形通孔2-1-1排出，压电发电装置2内部气压减小，发电组件一2-3进行复位，从而有负电输出，当负向电压减小为零时，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~图11说明本实施方式。

本实施方式提供另一种采用压电悬臂梁结构的发电气缸的具体实施方案。其结构组成和连接方式与具体实施方式一相同，不同之处在于所述所述悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置2其结构包括腔体端盖2-1、腔体2-2、发电组件二2-5、活塞二2-6组成；所述发电组件二2-5由螺纹环2-5-1、金属基板2-5-2和压电片2-5-3组成，所述螺纹环2-5-1外圆周设有外螺纹四2-5-1-1，用于与腔体2-2两端内侧设有内螺纹二2-2-2旋合连接，以实现发电组件二2-5的固定；所述螺纹环2-5-1内圆周侧壁设有环形凹槽2-5-1-2，以实现金属基板2-5-2的安装固定，所述环形凹槽2-5-1-2可与m个金属基板2-5-2固定连接，m为大于等于1的正整数；所述金属基板2-5-2一端安装于螺纹环2-5-1内圆周中心位置设有环形凹槽2-5-1-2，并用环氧树脂胶胶粘连接；所述金属基板2-5-2上下两个平面分别与压电片2-5-3通过环氧树脂胶胶粘连接；所述压电片2-5-3通过环氧树脂胶粘接在金属基板2-5-2上下两个平面上；所述活塞二2-6由活塞板二2-6-1和密封环二2-6-2组成；所述活塞板二2-6-1设有环形槽二2-6-1-1，以实现密封环二2-6-2的安装；所述活塞板二2-6-1两端面中心设有圆柱形凸起2-6-1-2；所述密封环二2-6-2安装于活塞板二2-6-1设有的环形槽二2-6-1-1，以实现活塞板二2-6-1与与腔体2-2的密封连接。

本实施方式的发电原理过程与具体实施方式一的发电过程相同。

Claims (8)

1.悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，其特征在于所述悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置（2）为对称结构，其结构包括腔体端盖（2-1）、腔体（2-2）、发电组件一（2-3）或发电组件二（2-5）、活塞一（2-4）或活塞二（2-6）；所述腔体端盖（2-1）中心位置设有圆形通孔（2-1-1），其用于实现能量收集装置（2）与激励源的气体流通；所述腔体端盖（2-1）一端设有外螺纹一（2-1-2），其用于实现能量收集装置（2）与激励源的连接；所述腔体端盖（2-1）另一端设有外螺纹二（2-1-3）；所述腔体（2-2）为对称结构，其两端外侧设有内螺纹一（2-2-1），其用于与腔体端盖（2-1）设有的外螺纹二（2-1-3）旋合连接，以实现腔体端盖（2-1）与腔体（2-2）的固定连接；所述腔体（2-2）两端内侧设有内螺纹二（2-2-2）；所述腔体（2-2）中间设有阶梯孔（2-2-3），以实现发电组件一（2-3）或发电组件二（2-5）的固定以及活塞一（2-4）或活塞二（2-6）的安装；所述腔体（2-2）中间腔壁设有导线孔（2-2-4），以实现发电组件一（2-3）或发电组件二（2-5）导线的引出。

2.根据权利要求1所述的悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，其特征在于所述发电组件一（2-3）由固定板（2-3-1)、螺钉(2-3-2)、方形基板(2-3-3)和压电元件(2-3-4)组成；所述固定板（2-3-1)外圆周设有外螺纹三(2-3-1-1)，用于与腔体（2-2）两端内侧设有内螺纹二(2-2-2)旋合连接，以实现发电组件一（2-3）的固定；所述固定板（2-3-1)设有n个方形槽（2-3-1-2），n为大于等于1的正整数，其用于实现方形基板(2-3-3)的安装；所述固定板（2-3-1)中心位置设有n个螺纹孔（2-3-1-3），其用于与螺钉(2-3-2)的旋合连接，以实现方形基板(2-3-3)的固定；所述固定板（2-3-1)设有凸台（2-3-1-4），用于螺纹孔（2-3-1-3）的设置；所述固定板（2-3-1)设有导线圆孔（2-3-1-5），其用于压电元件(2-3-4)导线的布置；所述螺钉(2-3-2)用于与固定板（2-3-1)中心位置设有的螺纹孔（2-3-1-3）旋合连接，以实现方形基板(2-3-3)的固定；所述方形基板(2-3-3)安装于固定板（2-3-1)设有的方形槽2-3-1-2，所述方形基板(2-3-3)一端设有圆形通孔（2-3-3-1），用于方形基板(2-3-3)的安装固定；所述压电元件(2-3-4)粘接在方形基板(2-3-3)上下两个平面上。

3.根据权利要求1所述的悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，其特征在于所述活塞一（2-4）由活塞板一（2-4-1）和密封环一（2-4-2）组成；所述活塞板一（2-4-1）设有环形槽一（2-4-1-1），其用于密封环一（2-4-2）的安装；；所述活塞板一（2-4-1）两端平面设有n个圆形细柱（2-4-1-2）；所述密封环一（2-4-2）安装于活塞板一（2-4-1）设有环形槽一（2-4-1-1），以实现活塞板一（2-4-1）与腔体（2-2）的密封连接。

4.根据权利要求1所述的悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，其特征在于所述发电组件二（2-5）由螺纹环（2-5-1）、金属基板（2-5-2）和压电片（2-5-3）组成，所述螺纹环（2-5-1）外圆周设有外螺纹四(2-5-1-1)，用于与腔体（2-2）两端内侧设有内螺纹二(2-2-2)旋合连接，以实现发电组件二（2-5）的固定；所述螺纹环（2-5-1）内圆周侧壁设有环形凹槽（2-5-1-2），以实现金属基板（2-5-2）的安装固定，所述环形凹槽（2-5-1-2）可与m个金属基板（2-5-2）固定连接，m为大于等于1的正整数；所述金属基板（2-5-2）一端安装于螺纹环（2-5-1）内圆周中心位置设有环形凹槽（2-5-1-2），并胶粘连接；所述金属基板（2-5-2）上下两个平面分别与压电片（2-5-3）胶粘连接；所述压电片（2-5-3）粘接在金属基板（2-5-2）上下两个平面上。

5.根据权利要求1所述的悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，其特征在于所述活塞二（2-6）由活塞板二（2-6-1）和密封环二(2-6-2)组成；所述活塞板二(2-6-1)设有环形槽二（2-6-1-1），以实现密封环二（2-6-2）的安装；所述活塞板二（2-6-1）两端面中心设有圆柱形凸起（2-6-1-2）；所述密封环二（2-6-2）安装于活塞板二（2-6-1）设有的环形槽二（2-6-1-1），以实现活塞板二（2-6-1）与与腔体（2-2）的密封连接。

6.根据权利要求1所述的悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，其特征在于所述能量收集装置（2）两端可与两个激励源连通，亦可与同一激励源连通。

7.根据权利要求1所述的悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，其特征在于所述激励源可为气缸或其它适宜的气动元件。

8.根据权利要求1所述的悬臂梁型压电式气动系统双激励能量收集装置，其特征在于所述发电组件一（2-3）与活塞一（2-5）配合使用，所述发电组件二（2-4）与活塞二（2-6）配合使用。