CN205583927U - 一种微型压电-电磁复合发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微型压电‑电磁复合发电装置，包括电磁发电单元、压电发电单元、行星齿轮加速机构、外壳及凸起结构。电磁发电单元采用有刷直流电机结构，压电发电单元采用悬臂梁式压电振子结构，二者同时将外界机械能转化为电能。通过合理匹配行星齿轮加速机构各齿轮齿数，实现太阳齿轮转速倍增，从而加快线圈切割磁感线的速度和压电振子受凸起结构激励的频率，进一步提高发电效率。本实用新型采用同一机构实现了两种不同的发电机制，以达到对输出电能叠加放大的效果，又通过与行星齿轮加速机构的巧妙结合，进一步提高了发电效率。

Description

一种微型压电-电磁复合发电装置

技术领域

本实用新型涉及MEMS及微能源技术，主要应用于国防军事、野外探险、地质勘测等电能供给不便的领域，具体的说是一种微型压电-电磁复合发电装置。

背景技术

微型发电技术在国防军事、野外探险、地质勘测等领域具有广阔的应用前景。当前，在野外军事行动、旅游探险等电能供给不便的特定场合，绝大部分小型无线可移动设备均依赖于电池供电。传统的化学电池存在能量有限、需定期更换、易污染环境等缺点，清洁、可靠、廉价的新型能源的开发与利用将是大势所趋。微型发电装置可将太阳能、风能、潮汐能等自然能源转化为电能，满足工业生产及日常生活的需要。

根据发电原理，微型发电装置一般有电磁式、静电式、压电式等几类。其中电磁式具有发电量大、理论成熟、应用广泛等特点；压电式体积小、发电效率高、环境适应能力强。近年来研究人员在压电材料性能、新型发电结构设计及电荷存储等方面开展了大量相关研究。美国德克萨斯大学实用新型了一种微型压电风车，与传统风力发电风车相比，在相同尺寸下可使能量转换效率提高18倍；美国的Roundy S.等和S.W.Arms等研制了利用小型压电发电装置实现传感器节点的自供能，其中Roundy S.提出的压电发电装置在25m/s²加速度、1.6％输出占空比和120Hz固有频率的情况下，在1cm³的模型上产生的电功率为375μW，可满足传感器节点的用电需求，有效避免了电池更换或充电；Nathan S.Shenck研究了一种压电发电鞋，通过走路时脚对鞋底的冲击使压电陶瓷产生电荷输出；美国亚利桑那州立大学的Yabin Liao研究了在悬臂梁不同位置上添加质量块对悬臂梁振动特性及发电效率的影响；美国加州大学伯克利分校的Pisano教授采用振动-压电的能量转换模式，研制了在高温下仍能获得87uW/cm2功率密度的能量采集器；

发明内容

鉴于此，本实用新型的目的是提供一种微型压电-电磁复合发电装置。

本实用新型通过同一机构实现了压电、电磁两种不同的发电机制同时进行发电，以达到对输出电能叠加放大的效果，并在外界机械能的输入端采用行星齿轮加速机构，进一步提高了发电效率。

本实用新型是由压电-电磁复合发电机构、行星齿轮加速机构构成，所述压电-电磁复合发电机构由电磁发电单元、压电发电单元、凸起结构和外壳等组成；电磁发电单元采用有刷直流电机结构，电磁发电单元包括定子和转子两部分，定子由两片半环形磁瓦组成的主磁极、电刷、端盖组成；转子由电枢绕组、电枢铁芯、换向器和转轴构成，电枢绕组缠绕于电枢铁芯上，电枢绕组的首末两端分别连接着两片换向片，换向片与固定的电刷相接触并导出电枢绕组所产生的电能；压电发电单元采用悬臂梁式压电振子，压电振子由压电陶瓷片和金属基板构成，压电陶瓷片贴于金属基板上表面形成复合悬臂梁结构，压电陶瓷片上表面和金属基板下表面引出导线以输出电能；多个压电振子沿径向固定于电枢铁芯表面，与电枢绕组均匀交替排列。

所述行星齿轮加速机构由输入轴、内齿圈、三个行星齿轮组成的行星齿轮组、太阳齿轮和行星架构成；输入轴末端与行星架中心固联，三个完全相同的行星齿轮以行星架中心轴为公共轴均布于行星架表面，三个行星齿轮既与固定在壳体上的同轴内齿圈内啮合，又与位于其公共轴线的太阳齿轮外啮合。

为了在相同的外界激励条件下，使压电振子的应变变大，改善其固有频率和应力分布状况，使压电振子的发电能力得到更充分的利用，所述压电振子为梯形结构，或加质量块结构，或加质量块梯形结构。

本实用新型的工作原理：

电磁发电单元采用有刷直流电机结构，在外界机械能驱动下，缠绕着电枢绕组的转子相对于由磁瓦组成的主磁极转动，切割磁感线产生感应电动势并依次通过换向器、电刷输出电能。压电发电单元采用悬臂梁式压电振子，在转子转动过程中，固定于转子上的压电振子不断受到外壳上凸起结构的激励作用，不断产生拉伸和压缩变形，基于正压电效应将机械能转换成电能输出。为进一步提高能量转换效率，在机械能的输入端设计有行星齿轮加速机构，当外界机械能驱动输入轴时，带动行星架上的三个行星齿轮沿着固定的内齿圈公转并同时自转，继而带动太阳齿轮转动。通过合理匹配各齿轮齿数，实现太阳轮转速倍增，从而加快电枢绕组切割磁感线的速度和压电振子受凸起结构激励的频率，进一步提高发电效率。本实用新型提及的微型压电-电磁复合发电装置既采用同一机构实现了两种不同的发电机制，以达到对输出电能叠加放大的效果，又通过与行星齿轮加速机构的巧妙结合，进一步提高了发电效率。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型采用同一机构实现了压电、电磁两种不同的发电机制，以达到对输出电能叠加放大的效果，有利于提高发电效率和能量密度。

2、本实用新型采用行星齿轮加速机构，加快了电枢绕组切割磁感线的速度和压电振子受到凸起结构激励的频率，有利于进一步提高发电效率。

3、本实用新型压电陶瓷片的受力方向与压电电荷产生的方向相互垂直(压电常数为d₃₁)，与发电装置设计的振动模态相符合，较大的提高了能量转换效率。

附图说明

图1本实用新型整体结构示意图。

图2压电-电磁复合发电机构爆炸图。

图3行星齿轮加速机构爆炸图。

图4压电单晶悬臂梁原理图。

图5电磁发电单元原理图。

图6压电振子示意图。

图7梯形压电振子示意图。

图8加质量块压电振子示意图。

图9加质量块梯形压电振子示意图。

其中，1—压电振子；2—行星齿轮加速机构；3—凸起结构；4—电枢绕组；5—电枢铁芯；6—主磁极；7—壳体；8—换向器；9—转轴；10—电刷；11—端盖；2-1—输入轴；2-2—内齿圈；2-3—行星齿轮；2-4—太阳齿轮；2-5—行星架；1-1—金属基板；1-2—压电陶瓷片；1-3—质量块。

具体实施方式

在本实用新型中，压电振子和线圈的个数是不受限定的，在本实施例中，以六个压电振子和线圈交替分布为例。

如图1至图6所示，本实施例是由压电-电磁复合发电机构、行星齿轮加速机构2构成，所述压电-电磁复合发电机构由电磁发电单元、压电发电单元、凸起结构3和外壳7等组成；电磁发电单元采用有刷直流电机结构，电磁发电单元包括定子和转子两部分，定子由两片半环形磁瓦组成的主磁极6、电刷10、端盖11组成；转子由电枢绕组4、电枢铁芯5、和转轴9构成，电枢绕组4缠绕于电枢铁芯5上，电枢绕组4的首末两端分别连接着两片换向器8，换向器8与固定的电刷10相接触并导出电枢绕组4所产生的电能；压电发电单元采用悬臂梁式压电振子1，压电振子1由压电陶瓷片1-2和金属基板1-1构成，压电陶瓷片1-2贴于金属基板1-1上表面形成复合悬臂梁结构，压电陶瓷片1-2上表面和金属基板1-1下表面引出导线以输出电能；多个压电振子1沿径向固定于电枢铁芯5表面，与电枢绕组4均匀交替排列。

所述行星齿轮加速机构2由输入轴2-1、内齿圈2-2、三个行星齿轮2-3组成的行星齿轮组、太阳齿轮2-4和行星架2-5构成；输入轴2-1末端与行星架2-5中心固联，三个完全相同的行星齿轮2-3以行星架2-5中心轴为公共轴均布于行星架2-5表面，三个行星齿轮2-3既与固定在壳体上的同轴内齿圈2-2内啮合，又与位于其公共轴线的太阳齿轮2-4外啮合。

为了在相同的外界激励条件下，使压电振子1的应变变大，改善其固有频率和应力分布状况，使压电振子1的发电能力得到更充分的利用，所述压电振子1可设计成如图7所示梯形结构，图8所示加质量块1-3结构，图9所示的加质量块1-3梯形结构。

本实施例的工作原理：

电磁发电单元采用有刷直流电机结构，在外界机械能驱动下，缠绕着电枢绕组4的转子相对于由磁瓦组成的主磁极6转动，切割磁感线产生感应电动势并依次通过换向器8、电刷10输出电能。压电发电单元采用压电单晶悬臂梁结构，由压电陶瓷片1-2和金属基板1-1构成。选择压电陶瓷1-2材料时，应使压电材料的性能参数利于压电正效应，即具有较大的机电耦合系数、压电电压常数、机械品质因数及相对介电常数，而压电应变常数较小，因此，此处以PZT-5H压电材料为例说明。选择基板材料时，应使基板材料的性能有利于提高压电振子1的应变，铍青铜不但同等条件下变形较大，而且具有较高的导电性能，耐疲劳、抗腐烛等机械性能均较为优良，因此以铍青铜作为金属基板1-1的实施例；在转子转动过程中，均匀固定于转子上的六个压电振子1不断受到外壳7上相隔180°分布的两个凸起结构3的激励作用而做有阻尼自由振动，使压电陶瓷片1-2不断产生拉伸和压缩变形，基于正压电效应将机械能转换成电能输出。为进一步提高能量转换效率，在机械能的输入端设计有行星齿轮加速机构2，当外界机械能驱动输入轴2-1时，带动行星架上2-5的三个行星齿轮2-3沿着固定的内齿圈2-2公转并同时自转，继而带动太阳齿轮2-4转动。通过合理匹配各齿轮齿数，实现太阳轮2-4转速倍增，从而加快电枢绕组4切割磁感线的速度和压电振子1受凸起结构3激励的频率，进一步提高发电效率。本实用新型提及的微型压电-电磁复合发电装置既采用同一机构实现了两种不同的发电机制，以达到对输出电能叠加放大的效果，又通过与行星齿轮加速机构2的巧妙结合，进一步提高了发电效率。

Claims (2)

1.一种微型压电-电磁复合发电装置，其特征在于：是由压电-电磁复合发电机构、行星齿轮加速机构(2)构成，所述压电-电磁复合发电机构由电磁发电单元、压电发电单元、凸起结构(3)和外壳(7)组成；电磁发电单元采用有刷直流电机结构，电磁发电单元包括定子和转子两部分，定子由两片半环形磁瓦组成的主磁极(6)、电刷(10)、端盖(11)组成；转子由电枢绕组(4)、电枢铁芯(5)、换向器(8)和转轴9构成，电枢绕组(4)缠绕于电枢铁芯(5)上，电枢绕组(4)的首末两端分别连接着两片换向器(8)，换向器(8)与固定的电刷(10)相接触并导出电枢绕组(4)所产生的电能；压电发电单元采用悬臂梁式压电振子(1)，压电振子(1)由压电陶瓷片(1-2)和金属基板(1-1)构成，压电陶瓷片(1-2)贴于金属基板(1-1)上表面形成复合悬臂梁结构，压电陶瓷片(1-2)上表面和金属基板(1-1)下表面引出导线以输出电能；多个压电振子(1)沿径向固定于电枢铁芯(5)表面，与电枢绕组(4)均匀交替排列；

所述行星齿轮加速机构(2)由输入轴(2-1)、内齿圈(2-2)、三个行星齿轮(2-3)组成的行星齿轮组、太阳齿轮(2-4)和行星架(2-5)构成；输入轴(2-1)末端与行星架(2-5)中心固联，三个完全相同的行星齿轮(2-3)以行星架(2-5)中心轴为公共轴均布于行星架(2-5)表面，三个行星齿轮(2-3)既与固定在壳体上的同轴内齿圈(2-2)内啮合，又与位于其公共轴线的太阳齿轮(2-4)外啮合。

2.根据权利要求1所述的一种微型压电-电磁复合发电装置，其特征在于：所述压电振子为梯形结构，或加质量块结构，或加质量块梯形结构。