CN206922665U - 一种压电自发电纽扣电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种压电自发电纽扣电池，包括：电池盖板、上垫圈、下垫圈、电池外壳、电池底座、弹簧、压电悬臂梁和振动轴，其中：所述电池盖板、电池外壳、电池底座组成了密封腔；所述上垫圈、压电悬臂梁、下垫圈、弹簧和振动轴组成了压电发电装置。当该压电自发电纽扣电池布置在振动的电子元器件内代替传统电池时，振动轴随弹簧的上下振动冲击并带动压电悬臂梁上下振动，提高了压电能量转化效率。该压电自发电纽扣电池，主要用于微机电系统、无线传感器等领域，具有结构简单、免维护、寿命长、节能环保、易于集成和环境适应性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于压电发电领域，具体涉及一种压电自发电纽扣电池。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)、无线传感器网络技术的发展以及它们在航空航天、海底探测、军事工业、民用机械、交通等领域的应用。传统干电池、纽扣电池和锂电池等存在更换麻烦、使用寿命短、环境适应性差和对环境有污染等缺点，所以不能满足某些微机电系统和无线网络传感器节点的需要。其中一个新的思路是用自供电电池代替传统电池，近年来利用压电发电将环境振动能转化为电能自供电发明较多，但是可替换性好、通用性较强，能量密度大的压电发电电池发明较少。公开号CN203039044U公开的一种自充电电池，在一长方形盒体布置压电悬臂梁，其电池结构空间利用率低，因而发电效率低，其电池外形不利于批量化生产与装配，不利于与现有电池共同使用或代替现有电池。
发明内容
为了解决目前压电自发电电池实用新型较少，一般的微小型压电自供电结构复杂、能量密度低、能量转化能力弱、可替换性差、环境适应性弱等问题，提出了一种压电自发电纽扣电池。该压电自发电纽扣电池由电池盖板、上垫圈、下垫圈、电池外壳、电池底座、弹簧、压电悬臂梁和振动轴组成。当该压电自发电纽扣电池纵向布置于电子元器件中吸收环境振动能时，振动轴机械能转化为弹簧弹性势能，弹性势能又与振动轴机械能转化，随着弹簧的被压缩与拉伸，使得振动轴上下振动，振动轴侧面环形沉槽冲击压电悬臂梁端部并带动压电悬臂梁上下振动，克服了传统压电悬臂梁靠质量块重力无法使压电悬臂梁持续弯曲振动缺点，提高了压电悬臂梁在电池内部有效工作时间，从而提高了压电能 量俘获效率。压电悬臂梁产生的电能通过导线引出接到放置在振动轴顶面沉槽里放置的整流装置和储能元件里，储能元件的两个导线分别接到布置于电池顶盖和电池底座的正负极，形成与普通纽扣电池一样的结构。该压电自发电纽扣电池尺寸微小，结构及安装方便，利于集成化且发电效率显著提高。当替换传统干电池等可实现无线网络节点的自供电，具有免于人工维护、节能环保等优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种压电自发电纽扣电池，包括：电池盖板(1)、上垫圈(2)、下垫圈(3)、电池外壳(4)、电池底座(5)和弹簧(6)，其特征在于还包括压电悬臂梁(7)和振动轴(8)，其中：所述电池盖板(1)顶面正中布置有电极，底面正中布置有第一圆形沉槽(11)，第一圆形沉槽(11)正中布置有圆柱形凸台(12)，圆柱形凸台高度大于第一圆形沉槽(11)深度；所述上垫圈(2)为一圆环型构件，上垫圈(2)上端面与电池盖板(1)环形端面(13)接触且内环直径与电池盖板(1)上第一圆形沉槽(11)直径相同；所述压电悬臂梁(7)由弹性基板(71)、扇形压电陶瓷片(72)和圆环形质量块(73)组成，弹性基板(71)是由若干扇形压电悬臂梁阵列在圆环片内侧构成，弹性基板(71)正中布置有通孔，扇形压电陶瓷片(72)对称粘贴在弹性基板(71)上扇形压电悬臂梁上下表面上，圆环形质量块(73)对称粘贴在弹性基板(71)中心上下表面上，弹性基板(71)圆环片上表面与上垫圈(2)下端面接触，弹性基板(71)环形区尺寸与上垫圈环形尺寸相同；所述下垫圈(3)与上垫圈(2)为相同构件，下垫圈(3)上端面与弹性基板(71)下表面接触，下端面与电池底座(5)接触；所述电池外壳(4)是一个圆柱形壳体，其内圆面与弹性基板(71)外环面重合，与电池盖板(1)和电池底座(5)构成密封腔；所述电池底座(5)为一圆片形构件，下表面正中布置有电极，上表面正中布置有第二圆形沉槽(51)，第二圆形沉槽(51)中底面上安装有弹簧(6)；所述振动轴(8)顶面正中开有第三圆形沉槽(81)，第三圆形沉槽(81)与电池盖板(1)上圆柱形凸台(12) 间隙配合且第三圆形沉槽(81)里放置整流装置和储能电容，振动轴(8)外侧面开有周向中部沉槽(82)，振动轴(8)轴径大于弹性基板(71)正中通孔直径且周向中部沉槽(82)处轴径小于弹性基板(71)正中通孔直径；所述振动轴(8)与电池底座(5)正中第二圆形沉槽(51)间隙配合且底面与弹簧(6)连接。
所述上垫圈(2)、压电悬臂梁(7)和下垫圈(3)依次叠加形成压电叠堆式发电结构。
工作时，压电自发电纽扣电池的电池盖板、上垫圈、压电悬臂梁、下垫圈、电池外壳与电池底座为接触或粘接在一起。当环境振动作用在压电自发电纽扣电池上时，振动轴由于惯性其自身机械能转化为弹簧弹性势能，弹簧轴线方向上发生往复变形，又带动振动轴的上下振动，从而冲击压电悬臂梁并带动压电悬臂梁振动，压电悬臂梁振动产生的能量通过导线引到振动轴顶面的沉槽中，通过整流装置和储能元件实现充电，储能元件正负极通过导线分别连接到电池盖板和电池底座上布置的电极上。当替换现有干电池或自发电电池，装配到微机电系统和无线传感器网络节点等，可实现用电元件自供电需求。
附图说明
图1是本发明一种压电自发电纽扣电池安装关系示意图。
图2是本发明一种压电自发电纽扣电池装配体剖视图。
图3是本发明一种压电自发电纽扣电池电池盖板零件图。
图4式本发明一种压电自发电纽扣电池压电悬臂梁零件图。
具体实施方式
参照图1、图2、图3和图4，本发明一种压电自发电纽扣电池，包括：电池盖板(1)、上垫圈(2)、下垫圈(3)、电池外壳(4)、电池底座(5)和弹簧(6)，其特征在于还包括压电悬臂梁(7)和振动轴(8)，其中：所述电池盖板(1)顶面正中布置有电极，底面正中布置有第一圆形沉槽(11)，第一圆形沉 槽(11)正中布置有圆柱形凸台(12)；所述上垫圈(2)为一圆环型构件，上垫圈(2)上端面与电池盖板(1)环形端面(13)接触且内环直径与电池盖板(1)上第一圆形沉槽(11)直径相同；所述压电悬臂梁(7)由弹性基板(71)、扇形压电陶瓷片(72)和圆环形质量块(73)组成，弹性基板(71)是由若干扇形压电悬臂梁阵列在圆环片内侧构成，弹性基板(71)正中布置有通孔，扇形压电陶瓷片(72)对称粘贴在弹性基板(71)上扇形压电悬臂梁上下表面上，圆环形质量块(73)对称粘贴在弹性基板(71)中心上下表面上，弹性基板(71)圆环片上表面与上垫圈(2)下端面接触，弹性基板(71)环形区尺寸与上垫圈环形尺寸相同；所述下垫圈(3)与上垫圈(2)为相同构件，下垫圈(3)上端面与弹性基板(71)下表面接触；所述电池外壳(4)是一个圆柱形壳体，其内圆面与弹性基板(71)外环面重合，与电池盖板(1)和电池底座(5)构成密封腔；所述电池底座(5)为一圆片形构件，下表面正中布置有电极，上表面正中布置有第二圆形沉槽(51)，第二圆形沉槽(51)中底面上安装有弹簧(6)；所述振动轴(8)顶面正中开有第三圆形沉槽(81)，第三圆形沉槽(81)与电池盖板(1)上圆柱形凸台(12)间隙配合且第三圆形沉槽(81)里放置整流装置和储能电容，振动轴(8)外侧面开有周向中部沉槽(82)，振动轴(8)轴径大于弹性基板(71)正中通孔直径且周向中部沉槽(82)处轴径小于弹性基板(71)正中通孔直径；所述振动轴(8)与电池底座(5)正中第二圆形沉槽(51)间隙配合且底面与弹簧(6)连接。
所述上垫圈(2)、压电悬臂梁(7)和下垫圈(3)依次叠加形成压电叠堆式发电结构。
使用时，单个或多个压电自发电纽扣电池轴线方向相互叠加形成叠堆式结构，布置在需求功率低、环境要求高、免维护的电子元器件结构上。当该电子元器件所处环境存在振动时，压电自发电纽扣电池的振动轴和弹簧组成的单元对环境振动敏感，随着振动轴上下振动，并冲击刚度较大的环形阵列型压电悬 臂梁末端使其一起振动，压电悬臂梁发出的电能由导线引到振动轴圆形槽内放置的整流装置和储能电容中，再通过导线分别接到电池顶盖和电池底座的正负极上，从而实现与普通纽扣电池相似的结构，满足微机电系统和无线传感器网络节点中电子元器件的供电需求。
Claims (2)
1.一种压电自发电纽扣电池，包括：电池盖板(1)、上垫圈(2)、下垫圈(3)、电池外壳(4)、电池底座(5)和弹簧(6)，其特征在于还包括压电悬臂梁(7)和振动轴(8)，其中：所述电池盖板(1)底面正中布置有第一圆形沉槽(11)，第一圆形沉槽(11)正中布置有圆柱形凸台(12)；所述上垫圈(2)为一圆环型构件，上垫圈(2)上端面与电池盖板(1)环形端面(13)接触且内环直径与电池盖板(1)上第一圆形沉槽(11)直径相同；所述压电悬臂梁(7)由弹性基板(71)、扇形压电陶瓷片(72)和圆环形质量块(73)组成，弹性基板(71)是由若干扇形压电悬臂梁阵列在圆环片内侧构成，弹性基板(71)正中布置有通孔，扇形压电陶瓷片(72)对称粘贴在弹性基板(71)上扇形压电悬臂梁上下表面上，圆环形质量块(73)对称粘贴在弹性基板(71)中心上下表面上，弹性基板(71)圆环片上表面与上垫圈(2)下端面接触，弹性基板(71)环形区尺寸与上垫圈环形尺寸相同；所述下垫圈(3)与上垫圈(2)为相同构件，下垫圈(3)上端面与弹性基板(71)下表面接触，下端面与电池底座(5)接触；所述电池外壳(4)是一个圆柱形壳体，其内圆面与弹性基板(71)外环面重合，并与电池盖板(1)和电池底座(5)构成密封腔；所述电池底座(5)为一圆片形构件，上表面正中布置有第二圆形沉槽(51)，第二圆形沉槽(51)中底面上安装有弹簧(6)；所述振动轴(8)顶面正中开有第三圆形沉槽(81)，第三圆形沉槽(81)与电池盖板(1)上圆柱形凸台(12)间隙配合且第三圆形沉槽(81)里放置整流装置和储能电容，振动轴(8)外侧面开有周向中部沉槽(82)，振动轴(8)轴径大于弹性基板(71)正中通孔直径且周向中部沉槽(82)处轴径小于弹性基板(71)正中通孔直径；所述振动轴(8)与电池底座(5)正中第二圆形沉槽(51)间隙配合且底面与弹簧(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种压电自发电纽扣电池，其特征在于：所述上垫圈(2)、压电悬臂梁(7)和下垫圈(3)依次叠加形成压电叠堆式发电结构。
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