CN206402081U - 一种多孔增流转动栅格式压电‑电磁复合发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多孔增流转动栅格式压电‑电磁复合发电机，为解决已有压电发电机在高压气体直接冲击压电发电机俘获电能时存在俘能功率小、效率低、输出电流小等技术问题。本实用新型由多孔阵列式增流装置、转动栅格式发电机组件和紧定螺栓组成。所述环形孔增流装置可对高压小流量气体的流量进行放大，转动栅格式压电‑电磁复合发电机可将气体的动能转化为电能。本实用新型在不影响工业生产的情况下，俘获工业环境中气体的能量，并将其转化为电能，为工业环境低功耗用电器供能。本实用新型具有能量转换效率高、清洁无污染以及使用寿命长等优势，在低功耗电子器件供能技术领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机，属于低功耗电子设备供能技术领域。
背景技术
随着制造装备技术的智能化水平不断提高及其与物联网技术的深度融合，大量的物联网节点等低功耗器件在机械制造装备领域得到广泛应用。目前，对物联网节点进行稳定、可靠的持续供电，是保证物联网节点等低功耗器件正常工作的前提。当前机械制造领域的物联网节点等低功耗器件供能方式主要有电源直接供电和化学电池供电两种方式。其中，电源直接供电方式导致系统布线复杂等问题，而化学电池供电方式则存在电池使用寿命有限、需定期更换以及环境污染等不足。因此，需研究一种用于物联网节点等低功耗器件供能的新型能源供给技术以解决传统供能技术所带来的诸多弊端。
利用压电材料的正压电效应和线圈与磁铁间的电磁感应俘获环境微能源转化为电能的环境能源收集技术，由于具有能量转换效率高、清洁无污染、使用寿命长等优势，成为微能源转化与供给技术的研究热点。气体动能是工业生产中大量存在的能量形式，其同样具备安全清洁可再生等优势。因此，合理利用工业生产环境中的气体能量，结合压电材料的正压电效应和线圈与磁铁间的电磁感应将气体能量转化为电能为物联网节点等低功耗器件供能，可有效解决传统电源供电带来的布线复杂及化学电池供电带来的需定期更换、污染环境等问题，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。传统的压电发电机普遍利用工业环境中的高压气体直接冲击压电发电机来俘获电能，使得传统气体冲击式压电发电机存在俘能功率小、效率低、输出电流小的问题，限制了压电发电机在低功耗电子设备供能技术领域的发展与应用。
发明内容
为解决已有压电发电机在高压气体直接冲击压电发电机俘获电能时存在俘能功率小、效率低、输出电流小等技术问题，本实用新型公开一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机，为低功耗器件提供一种功率大、效率高、输出电流大的供能装置。
本实用新型所采用的技术方案是：
所述一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机，其特征在于该多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机由多孔阵列式增流装置、转动栅格式发电机组件和紧定螺栓Ⅰ组成，其中多孔阵列式增流装置和转动栅格式发电机组件通过紧定螺栓Ⅰ紧固连接；所述多孔阵列式增流装置设置有进气孔、环形高压容气腔、增流装置螺纹连接孔、锥形吸气端、微型射流孔和锥形气流喷射端；所述转动栅格式发电机组件包括风扇支撑架、压电发电组件安装架、压电发电组件、转轴、磁铁组件、线圈、轴承Ⅰ、紧定螺栓Ⅱ、轴承Ⅱ和风扇，风扇支撑架和多孔阵列式增流装置通过紧定螺栓Ⅱ进行螺纹连接。
所述多孔阵列式增流装置中进气孔位于环形高压容气腔的圆柱表面上，所述增流装置螺纹连接孔与紧定螺栓Ⅰ螺纹连接，所述锥形吸气端位于多孔阵列式增流装置的端面，所述微型射流孔位于环形高压容气腔的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔紧贴多孔阵列式增流装置的排气端壁面，所述锥形气流喷射端位于多孔阵列式增流装置的排气端。
所述转动栅格式发电机组件中风扇支撑架与转轴通过螺纹连接，所述风扇支撑架设置有进气口，进气口位于风扇支撑架端面，所述风扇支撑架设置有轴承安装孔Ⅰ用于轴承Ⅱ的轴向定位，所述风扇支撑架设置有风扇支撑架连接孔，紧定螺栓Ⅱ与风扇支撑架连接孔螺纹配合，所述的风扇支撑架设置有增流装置连接孔与紧定螺栓Ⅰ螺纹配合；所述的压电发电组件安装架设置有压电发电组件安装架连接孔，用于固定安装压电发电组件安装架，所述的压电发电组件安装架设置有弹性基板固定槽与压电发电组件紧固连接，所述的压电发电组件安装架设置有压电发电端出气口，压电发电端出气口位于压电发电组件安装架侧面；所述压电发电组件由弹性基板和压电元件组成，所述弹性基板与压电元件粘接；所述转轴设置定位轴肩Ⅰ，用于轴承Ⅱ的轴向定位，所述转轴设置有定位轴肩Ⅱ，用于轴承Ⅰ的轴向定位，所述转轴设置有转轴螺纹孔与所述磁铁组件上的紧固螺钉配合连接；所述磁铁组件设置有磁铁和磁铁固定架，磁铁粘接磁铁固定架，所述磁铁由n块不同极性的扇形磁铁沿圆周间隔分布组成，n为大于1的正整数，所述磁铁组件设置有紧固螺钉与转轴螺纹孔配合连接；所述线圈粘接在压电发电组件安装架底部，所述线圈由m个扇形线圈组成，m为大于等于1的正整数；所述轴承Ⅰ安装在压电发电组件安装架上，所述轴承Ⅰ与转轴配合连接；所述轴承Ⅱ安装在风扇支撑架上，所述轴承Ⅱ与转轴配合连接；所述风扇通过螺纹配合固定在转轴上。
本实用新型的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的多孔阵列式增流装置对小流量高压气体流量放大，所放大的流量通过锥形气流喷射端喷出，激励转动栅格式发电机组件，使内部压电发电组件产生弯曲形变，同时使风扇带动磁铁旋转，线圈在变化的磁场中产生感应电流，提高发电装置的俘能效率，以达到利用放大气流进行能量收集与电能的转化效果。本实用新型具有利用高压小流量气体进行气体流量放大的效果，并兼具充分利用放大的气体流量进行压电能量收集和电磁能量收集的技术优势，在低功耗电子设备供能技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1所示为本实用新型提出的一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机的结构示意图；
图2所示为本实用新型提出的多孔阵列式增流装置剖视图；
图3所示为本实用新型提出的锥形吸气端剖视图；
图4所示为本实用新型提出的微型射流孔结构剖视图；
图5所示为本实用新型提出的锥形气流喷射端剖视图；
图6所示为本实用新型提出的转动栅格式发电机组件结构示意图；
图7所示为本实用新型提出的风扇支撑架主视图；
图8所示为本实用新型提出的风扇支撑架剖视图；
图9所示为本实用新型提出的压电发电组件安装架剖视图；
图10所示为本实用新型提出的压电发电组件结构示意图；
图11所示为本实用新型提出的转轴结构示意图；
图12所示为本实用新型提出的磁铁组件结构剖视图；
图13所示为本实用新型提出的磁铁分布示意图；
图14所示为本实用新型提出的线圈结构示意图。
具体实施方式
结合图1~图14说明本实施方式。本实施方式提供了一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机的具体实施方案。所述一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机由多孔阵列式增流装置1、转动栅格式发电机组件2和紧定螺栓Ⅰ3组成，其中多孔阵列式增流装置1与转动栅格式发电机组件2通过紧定螺栓Ⅰ3紧固连接。
所述的多孔阵列式增流装置1设置有进气孔1-1、环形高压容气腔1-2、增流装置螺纹连接孔1-3、锥形吸气端1-4、微型射流孔1-5、锥形气流喷射端1-6，所述的进气孔1-1位于环形高压容气腔1-2的圆柱表面上，压缩气体通过进气孔1-1进入环形高压容气腔1-2；所述多孔阵列式增流装置1设置有增流装置螺纹连接孔1-3，所述增流装置螺纹连接孔1-3与紧定螺栓Ⅰ3螺纹连接；所述多孔阵列式增流装置1设置有锥形吸气端1-4，所述锥形吸气端1-4位于多孔阵列式增流装置1的左端，诱导气体由锥形吸气端1-4进入多孔阵列式增流装置1；所述多孔阵列式增流装置1设置有微型射流孔1-5，所述微型射流孔1-5位于环形高压容气腔1-2的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔1-5紧贴多孔阵列式增流装置1的排气端壁面，压缩气体经由微型射流孔1-5喷出环形高压容气腔1-2；所述多孔阵列式增流装置1设置有锥形气流喷射端1-6，混合气体经由锥形气流喷射端1-6喷出多孔阵列式增流装置1。
所述转动栅格式发电机组件2包括风扇支撑架2-1、压电发电组件安装架2-2、压电发电组件2-3、转轴2-4、磁铁组件2-5、线圈2-6、轴承Ⅰ2-7、紧定螺栓Ⅱ2-8、轴承Ⅱ2-9和风扇2-10。所述转动栅格式发电机组件2中风扇支撑架2-1用于支撑风扇，所述风扇支撑架2-1设置有进气口2-1-1，进气口2-1-1贯穿风扇支撑架2-1，混合气体经由进气口2-1-1进入转动栅格式发电机组件2，作用在压电元件2-3-2上，使压电元件2-3-2产生形变，实现混合气体的能量俘获。所述风扇支撑架2-1设置有轴承安装孔Ⅰ2-1-2用于轴承Ⅱ2-9的轴向定位，所述风扇支撑架2-1设置有风扇支撑架连接孔2-1-3，风扇支撑架连接孔2-1-3与紧定螺栓Ⅱ2-8螺纹配合，用于固定压电发电组件安装架2-2，所述的风扇支撑架2-1设置有增流装置连接孔2-1-4与紧定螺栓Ⅰ3螺纹配合，用于连接多孔阵列式増流装置1。所述的压电发电组件安装架2-2设置有压电发电组件安装架连接孔2-2-1，用于固定风扇支撑架2-1，所述的压电发电组件安装架2-2设置有弹性基板固定槽2-2-2与压电发电组件2-3配合连接，实现弹性基板固定槽2-2-2的固定，所述的压电发电组件安装架2-2设置有压电发电端出气口2-2-4，压电发电端出气口2-2-4位于压电发电组件安装架2-2侧面，混合气体经由压电发电端出气口2-2-4排出转动栅格式发电机组件2。所述压电发电组件2-3由弹性基板2-3-1和压电元件2-3-2组成，所述弹性基板2-3-1与压电元件2-3-2粘接，本具体实施方式中采用环氧树脂胶粘接固定。所述转轴2-4设置定位轴肩Ⅰ2-4-1，用于轴承Ⅱ2-9的轴向定位，所述转轴2-4设置有定位轴肩Ⅱ2-4-2，用于轴承Ⅰ2-7的轴向定位，所述转轴2-4设置有转轴螺纹孔2-4-3，所述转轴螺纹孔2-4-3通过与紧固螺钉2-5-3配合，用于固定磁铁组件2-5；所述磁铁组件2-5设置有扇形磁铁2-5-1，所述扇形磁铁2-5-1粘接在磁铁固定架2-5-2上，所述磁铁2-5-1由n块沿圆周间隔分布的扇形磁铁组成，n为大于1的正整数，磁铁2-5-1与转轴2-4同步转动在线圈2-6中产生变化的磁场，所述磁铁组件2-5设置有紧固螺钉2-5-3，所述紧固螺钉2-5-3与转轴螺纹孔2-4-3配合连接，实现磁铁组件2-5与转轴2-4的紧固连接。所述线圈2-6粘接在压电发电组件安装架2-2底部，本具体实施方式中采用环氧树脂胶粘接固定，所述线圈2-6由m个扇形线圈组成，m为大于等于1的正整数，线圈2-6切割磁感线产生电流；所述轴承Ⅰ2-7安装在压电发电组件安装架2-2上，所述轴承Ⅰ2-7与转轴2-4配合连接；所述轴承Ⅱ2-9安装在风扇支撑架2-1上所述轴承Ⅱ2-9与转轴2-4配合连接；所述风扇2-10通过螺纹配合固定在转轴2-4上，用于带动转轴2-4转动。
所述的多孔阵列式增流装置1，其特征在于进气孔1-1的直径D3与锥形吸气端1-4的最大直径D1之间的比值为O=D3/D1，O的取值满足的范围为0.2~0.6，本具体实施方式中O的取值为0.3；进气孔1-1直径D3与锥形气流喷射端1-6的最小直径D2之间的比值为G=D3/D2，G的取值满足的范围为0.2~0.4，本具体实施方式中G的取值为0.2；进气孔1-1中心与锥形吸气端1-4的直线距离L1和进气孔1-1中心与锥形气流喷射端1-6直线距离L2之间的比值为F=L1/L2，F的取值满足的范围为0.5~1，本具体实施方式中F的取值为0.6；多孔阵列式增流装置1中的锥形吸气端1-4的最大直径为D1，垂直于D1方向的圆锥夹角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°，本具体实施方式中θ的取值为30°；锥形气流喷射端1-6的最小直径为D2，垂直于D2方向的锥形夹角为α，α的取值满足的范围为0~20°，本具体实施方式中α的取值为15°；微型射流孔1-5的直径d与进气孔1-1直径D3的比值为J=d/D3，J的取值满足的范围为0.05~0.1，本具体实施方式中J的取值为0.08。
所述的转动栅格式发电机组件2中的压电元件2-3-2选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF，所述压电元件2-3-2可以是美国精量电子(深圳)有限公司的压电材料产品。
工作原理：压电材料的正压电效应和线圈与磁铁间的电磁感应可以将气体的冲击能量转化为电能，本实用新型所设计的一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机可在小流量高压气体的作用下诱导外界空气进行定向流动，基于气体间粘性作用力的影响，可将诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从锥形气流喷射端流出并激励与多孔阵列式增流装置相连接的转动栅格式发电机组件进行电能的转化。本实用新型的技术优势在于多孔阵列式增流装置具有多个微型射流孔，微型射流孔可将高压气体以极快的速度喷出，快速流动的气体会造成装置内的局部低压，因外界气压大于装置内部气压，为平衡气压差会有大量的空气被吸进多孔阵列式增流装置，以此达到增流效果。转动栅格式发电机组件的技术优势在于高速气体吹动风扇带动转轴旋转，带动固定在转轴末端的磁铁一同旋转，致使位于压电发电组件安装架底部的线圈中产生变化的磁场进行气体能量向电能的转化，多孔阵列式增流装置可有效的提高风扇转动速度，提高电磁发电效率。同时由于弹性基板栅格之间留有微小空隙，在高速气体通过空隙时会引发振动，粘接弹性基板上的压电元件在振动的影响下再一次进行气体能量向电能的转化，提高电能转化效率。
综合以上所述内容，本实用新型设计一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机，可将气体流量放大，并对放大流量的气体进行压电-电磁能量收集，可显著提高压电发电机的功率。对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。
Claims (2)
1.一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机，其特征在于该多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机由多孔阵列式增流装置（1）、转动栅格式发电机组件（2）和紧定螺栓Ⅰ（3）组成，其中多孔阵列式增流装置（1）和转动栅格式发电机组件（2）通过紧定螺栓Ⅰ（3）紧固连接；所述的多孔阵列式增流装置（1）设置有进气孔（1-1）、环形高压容气腔（1-2）、增流装置螺纹连接孔（1-3）、锥形吸气端（1-4）、微型射流孔（1-5）和锥形气流喷射端（1-6）；所述转动栅格式发电机组件（2）包括风扇支撑架（2-1）、压电发电组件安装架（2-2）、压电发电组件（2-3）、转轴（2-4）、磁铁组件（2-5）、线圈（2-6）、轴承Ⅰ（2-7）、紧定螺栓Ⅱ（2-8）、轴承Ⅱ（2-9）和风扇（2-10）；所述的多孔阵列式增流装置（1）中进气孔（1-1）位于环形高压容气腔（1-2）的圆柱表面上，所述增流装置螺纹连接孔（1-3）与紧定螺栓Ⅰ（3）螺纹连接，所述锥形吸气端（1-4）位于多孔阵列式增流装置（1）的端面，所述微型射流孔（1-5）位于环形高压容气腔（1-2）的压缩气体喷射端面，所述微型射流孔（1-5）紧贴多孔阵列式增流装置（1）的排气端壁面，所述锥形气流喷射端（1-6）位于多孔阵列式增流装置（1）的排气端；所述转动栅格式发电机组件（2）设置有风扇支撑架（2-1），所述风扇支撑架（2-1）设置有进气口（2-1-1），进气口（2-1-1）贯穿风扇支撑架（2-1），所述风扇支撑架（2-1）设置有轴承安装孔Ⅰ（2-1-2），所述风扇支撑架（2-1）设置有风扇支撑架连接孔（2-1-3），紧定螺栓Ⅱ（2-8）与风扇支撑架连接孔（2-1-3）螺纹配合，所述的风扇支撑架（2-1）设置有增流装置连接孔（2-1-4）与紧定螺栓Ⅰ（3）螺纹配合；所述的压电发电组件安装架（2-2）设置有压电发电组件安装架连接孔（2-2-1），所述的压电发电组件安装架（2-2）设置有弹性基板固定槽（2-2-2）与压电发电组件（2-3）实现配合连接，所述的压电发电组件安装架（2-2）设置有轴承安装孔Ⅱ（2-2-3），所述的压电发电组件安装架（2-2）设置有压电发电端出气口（2-2-4），压电发电端出气口（2-2-4）位于压电发电组件安装架（2-2）侧面；所述压电发电组件（2-3）由弹性基板（2-3-1）和压电元件（2-3-2）组成，所述弹性基板（2-3-1）与压电元件（2-3-2）粘接；所述转轴（2-4）设置定位轴肩Ⅰ（2-4-1），所述转轴（2-4）设置有定位轴肩Ⅱ（2-4-2），所述转轴（2-4）设置有转轴螺纹孔（2-4-3）；所述磁铁组件（2-5）设置有磁铁（2-5-1），所述磁铁（2-5-1）粘接在磁铁固定架（2-5-2）上，所述磁铁（2-5-1）由n块不同极性的扇形磁铁沿圆周间隔分布组成，n为大于1的正整数，所述磁铁组件（2-5）设置有紧固螺钉（2-5-3）与转轴螺纹孔（2-4-3）配合连接；所述线圈（2-6）粘接在压电发电组件安装架（2-2）底部，所述线圈（2-6）由m个扇形线圈组成，m为大于等于1的正整数；所述轴承Ⅰ（2-7）安装在压电发电组件安装架（2-2）上，所述轴承Ⅰ（2-7）与转轴（2-4）配合连接；所述轴承Ⅱ（2-9）安装在风扇支撑架（2-1）上，所述轴承Ⅱ（2-9）与转轴（2-4）配合连接；所述风扇（2-10）通过螺纹配合固定在转轴（2-4）上。
2.根据权利要求1所述的一种多孔增流转动栅格式压电-电磁复合发电机，其特征在于所述压电发电组件（2-3）中的压电元件（2-3-2）选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170811 Termination date: 20180115 |
|
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