CN213402851U - 一种利用冲击振动的微型发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用冲击振动的微型发电装置，属于电机领域。支撑主体包括U型结构的底座与居中设置在底座上的立柱，套筒同轴套装在立柱上且套筒的一端头通过弹簧与底座相连；套筒上沿轴线方向等间距、左右对称布设有多个悬臂梁，沿立柱轴向，底座的两个侧面板上等间距布设有多个基板，侧面板上的基板与套筒左右侧的悬臂梁一一对应并形成交替布置的状态；各基板上设有压电陶瓷片，与各基板对应设置的各悬臂梁上等间距分布有多个铁尖；能量收集电路包括电路板和导线，压电陶瓷片的上、下表面通过导线与电路板相连。该装置使用范围广，占有空间小且安全可靠。

Description

一种利用冲击振动的微型发电装置

技术领域

本实用新型属于电机领域，具体涉及一种利用冲击振动的微型发电装置。

背景技术

近年来，清洁能源研究成了一个热点问题。核能、风能、太阳能、水能等清洁能源目前都得到了较好的开发利用，机械能却还没有得到人们的重视，而振动作为一种常见机械能的表现形式，在日常生活中无处不在，尤其是在机器生产时，振动往往会带来较大的能量损耗。

随着电子信息技术的迅速发展，无线传感器技术在现今计算机技术、无线通信技术等高新技术发挥着越来越重要的作用。无线传感器技术主要包括传感器技术、信息处理技术，网络通信技术等。无线传感器技术在我们工业发展中起着至关重要的作用，在一些风险型工业领域更是起着无可替代的作用。然而无线传感器的供能仍是一个主要问题。

现今的传感器大多数仍采用较为传统且不方便的电池供能方式，这种方式存在寿命短，常更换的缺点。振动受环境条件局限较小。如果利用振动为传感器提供能量，则可以较大的规避掉更换电池的风险及延长寿命。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种利用冲击振动的微型发电装置，以收集环境中50～100Hz范围内的冲击型振动能量。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种利用冲击振动的微型发电装置，包括支撑主体、运动机构、悬臂梁、基板以及能量收集电路；其中支撑主体包括底座与立柱，底座呈U型结构，立柱居中设置在底座的底面板上；运动机构包括套筒以及弹簧，套筒同轴套装在立柱外且套筒的内壁面与立柱的外周面间隔一定距离，套筒的一端头通过弹簧与底座的底面板相连接。

套筒上沿轴线方向等间距布设有多个悬臂梁，多个悬臂梁以对称分布在套筒左右两侧的形式设置；沿立柱轴向，底座的两个侧面板上等间距布设有多个基板，侧面板上的基板与套筒左右侧的悬臂梁一一对应并形成交替布置的状态；各基板上设有压电陶瓷片，与各基板对应设置的各悬臂梁上均等间距分布有多个朝向压电陶瓷片的铁尖；能量收集电路包括电路板和导线，压电陶瓷片的上、下表面通过导线与电路板相连。

进一步，压电陶瓷片上设有与铁尖相配合的铝块。

进一步，底座上设有置物腔，底座的两个侧面板上均开有与置物腔相通的束线孔；电路板设置在置物腔中，导线穿入束线孔中。

进一步，置物腔设置在底座的底面板后方。

进一步，基板通过连接件可拆卸安装在底座的侧面板上。

进一步，还包括封装体，封装体为与底座相配合的U型结构，该封装体与底座配合后形成箱体结构。

本实用新型的有益效果在于：

1.使用范围广：振动能量在我们生活中是无处不在的，比如工作中的机械振动，铁路和公路在有交通工具经过时引起的振动，桥梁的振动等，且这些振动往往和振动物体的健康状态有很大的关联，凭借振动的情况可以推断其健康情况。

2.占有空间小：本产品的体积很小，通常用于给传感器等耗电量较小的电器供电，因为体积小所以对原有环境的破坏很小，一些狭窄的难以更换电池或引电线的地方也可以使用，用于桥梁房屋等建筑健康检测时对原建筑的破环性也比较小。

3.安全可靠：采用弹簧来实现能量的吸收和释放的同时，也能对外界的冲击振动进行缓冲，从而减小了基板受冲击力过大可能被破坏的风险。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为封装完毕的装置整体示意图；

图2为装置主要机构的结构示意图；

图3为弹簧、套筒和悬臂梁的相对位置示意图；

图4为支撑主体与基座的装配状态示意图；

图5为单个悬臂梁上铁尖的分布示意图；

图6为单个基板上压电陶瓷片和铝块的分布示意图。

附图标记：

支撑主体1、运动机构2、悬臂梁3、基板4、压电陶瓷片5、铁尖6、铝块7、封装体8；

支撑主体中：底座101、立柱102、底面板1011、侧面板1012、置物腔1013、束线孔1014；

运动机构中：套筒201、弹簧202；

封装体中：前面板801、后面板802、上顶面803。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图6，为一种利用冲击振动的微型发电装置，包括支撑主体1、运动机构2、悬臂梁3、基板4以及能量收集电路；其中支撑主体1包括底座101与立柱102，底座101呈U型结构，立柱102居中设置在底座的底面板1011上；运动机构2包括套筒201以及弹簧202，套筒201同轴套装在立柱102外且套筒201的内壁面与立柱102的外周面间隔一定距离，套筒201的一端头通过弹簧202与底座的底面板1011相连接。

套筒201上沿轴线方向等间距布设有多个悬臂梁3，多个悬臂梁3以对称分布在套筒201左右两侧的形式设置；沿立柱102轴向，底座101的两个侧面板1012上等间距布设有多个基板4，侧面板1012上的基板4与套筒201左右侧的悬臂梁3一一对应并形成交替布置的状态；各基板4上设有压电陶瓷片5，与各基板4对应设置的各悬臂梁3上均等间距分布有多个朝向压电陶瓷片5的铁尖6；能量收集电路包括电路板和导线，压电陶瓷片5的上、下表面通过导线与电路板相连。

该装置中，U型结构的底座101作为安装基础，立柱102、基板4、运动机构2以及能量收集电路均装于其上，而立柱102则用于与运动机构2的套筒连接。此处立柱102的下部与底座的底面板1011固连，上部分的外表面则与运动机构2中的套筒201同轴间隙配合；套筒201的中心有一段中空，可以实现套筒201和立柱102在轴线方向的相对运动，套筒201的上顶面密封，可以实现限位和封装作用。套筒201的上端面用于接受外界的冲击振动，并向下传递。弹簧202上端固连在套筒201的下端面，弹簧202下端与底座101固连。立柱102可以引导套筒201的运动方向，避免套筒201在水平方向发生运动。套筒201用于接受冲击振动并进行传递，弹簧202用于存储部分能量，并使套筒201复位。当套筒201上部接收到冲击振动时，套筒201会以很大的加速度向下(朝向弹簧202安装端)运动，此时，固连在套筒201上的悬臂梁3会一同向下运动，悬臂梁3上的铁尖6会撞击(通过基板4)固连在底座101侧面板1012上的压电陶瓷片5，并产生电荷。弹簧202能存储部分能量并延时释放，使套筒201能振荡运动，并且起到限制套筒位移和撞击强度的作用，进而起到一定的保护作用。

能量收集电路包括电路板和导线，导线连接在压电陶瓷片5的上下表面(即正负极面)，并连接到电路板上，将采集到的电流通过电路板进行整流滤波稳压，最后可得到稳定的脉冲直流电，通过此直流电可为一些微型传感器进行供电。

本实施例中，设置在套筒201上的悬臂梁3共有八个，套筒201左右两侧各设有四个，每个悬臂梁3的一端与套筒201固连，另一端自由，左侧与右侧对称布置；每个悬臂梁3上等间距设有四个铁尖6，共三十二个；对应的，底座101的两个侧面板1012上共设有八个基板4，每侧各设有四个且两侧对称布置，各基板4的一端通过焊接/连接件连接的方式与底座101的侧面板1012固连，另一端自由，形成“悬臂”的安装形式。每块支基板4上贴有一块压电陶瓷片5，每块压电陶瓷片5与悬臂梁3上的铁尖6在竖直方向(轴线方向)上一一对应且交叉分布；从而匹配成八组“悬臂梁3与基板4”。当套筒201接收到外界环境的冲击振动时，会带动悬臂梁3向下运动，从而使其上铁尖6撞击在下方的压电陶瓷片5，压电陶瓷片5通过压电效应产生电荷。

优选的，压电陶瓷片5上设有与铁尖6相配合的铝块7。即各压电陶瓷片5上等间距分布4块铝块7。当悬臂梁3上的铁尖6撞击压电陶瓷片5上的铝块7时，铝块7将撞击的应力传递给压电陶瓷片5，这样可避免压电陶瓷片损坏。

本实施例中，底座101的底面板后方设有置物腔1013，底座的两个侧面板1012上均开有与置物腔1013相通的束线孔1014；电路板设置在置物腔1013中，导线穿入束线孔1014中。具体的，导线连接在压电陶瓷片5的上下表面，并通过(位于底座两侧面内部的)束线孔1014连接到底座下方的电路板上，电路板又设置在置物腔1013中，不仅有利于线路的收纳固定，还便于整个装置的封装处理。

本实施例中，基板4的一端通过连接件以悬臂形式可拆卸安装在底座101的侧面板上，连接件可以是螺栓、螺钉。

本实施例中，还包括封装体8，封装体8为与底座101相配合的U型结构，该封装体8与底座101配合后形成箱体结构。具体的，该封装体8是由前面板801、后面板802以及上顶面803组合成的U型构件，其中，上顶面803上设有穿出套筒201的通孔，上顶面803对应封堵在底座101的底面板相对侧，而前面板801与后面板802则对应封堵在底座101的底面板两相临侧。封装体8与底座101间通过设置螺纹孔、旋入螺钉进行连接。

本发明的工作原理为：

环境中的冲击振动(如汽车驶过的冲击)通过套筒201部分接受，套筒201会带动固连在套筒201上的悬臂梁3和铁尖6以一个加速度向下运动，此时弹簧202被逐渐压缩，下降极短距离后每个悬臂梁3上的铁尖6会与对应的压电陶瓷片5上的铝块7发生撞击，撞击会使压电陶瓷片5产生应力应变，利用压电陶瓷的压电效应可以在压电陶瓷片5的上下两个端面上产生正负电荷，将产生的电荷通过整流滤波稳压电路处理后就可得到可以利用的脉冲直流电储存。当弹簧202被压缩到极限位置后，弹簧202会反弹，带动套筒201，悬臂梁3向上运动，经过一段时间后，套筒201、悬臂梁3会稳定在初始位置处，整个装置的一次工作过程就完成。

本发明的工作过程为：

初始状态时，所述运动机构中的弹簧与套筒及悬臂梁处于平衡状态，悬臂梁上的铁尖与压电陶瓷片上的铝块具有一定的间隔距离，并未接触；底座和外部的封装体都处于静止状态，套筒的上端超出封装体的上顶面803一定长度，并且套筒与封装体间是可以实现相对运动的，并不存在固连。

工作时，当套筒接收到外界产生的冲击振动，机器的高速振动冲击，套筒会在竖直方向上发生向下的瞬时加速运动，套筒的竖直位移也将带动与套筒固连的左右对称分布的八个悬臂梁的竖直加速运动，在每个悬臂梁的上下表面都等间距的分布有四个铁尖，这些铁尖向下运动对位于基板上的压电陶瓷片上分布的铝块产生撞击，铝块将冲击振动产生的应力应变传递给压电陶瓷片，基板上表面的压电陶瓷片利用本身的压电效应会在其上下表面产生极性相反的正负电荷，在上下表面焊接的导线会将产生的正负电荷通过电流的形式输送到进行电路处理的电路板上，电路板对输入的电流进行整流，滤波，稳压处理后会将产生的脉冲直流电存储到电池中，并为负载供电。

最终产品的内部全部都是封装完成的，整个内部系统与外部的联系只有用于传递外界冲击振动的套筒，这样就能很好的将内部的机构与外界隔绝，充分的保护内部机构不受损坏，延长产品的使用寿命。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种利用冲击振动的微型发电装置，其特征在于：包括支撑主体、运动机构、悬臂梁、基板以及能量收集电路；其中支撑主体包括底座与立柱，底座呈U型结构，立柱居中设置在底座的底面板上；运动机构包括套筒以及弹簧，套筒同轴套装在立柱外且套筒的内壁面与立柱的外周面间隔一定距离，套筒的一端头通过弹簧与底座的底面板相连接；

套筒上沿轴线方向等间距布设有多个悬臂梁，多个悬臂梁以对称分布在套筒左右两侧的形式设置；沿立柱轴向，底座的两个侧面板上等间距布设有多个基板，侧面板上的基板与套筒左右侧的悬臂梁一一对应并形成交替布置的状态；各基板上设有压电陶瓷片，与各基板对应设置的各悬臂梁上均等间距分布有多个朝向压电陶瓷片的铁尖；能量收集电路包括电路板和导线，压电陶瓷片的上、下表面通过导线与电路板相连。

2.根据权利要求1所述的利用冲击振动的微型发电装置，其特征在于：压电陶瓷片上设有与铁尖相配合的铝块。

3.根据权利要求1所述的利用冲击振动的微型发电装置，其特征在于：底座上设有置物腔，底座的两个侧面板上均开有与置物腔相通的束线孔；电路板设置在置物腔中，导线穿入束线孔中。

4.根据权利要求3所述的利用冲击振动的微型发电装置，其特征在于：置物腔设置在底座的底面板后方。

5.根据权利要求1所述的利用冲击振动的微型发电装置，其特征在于：基板通过连接件可拆卸安装在底座的侧面板上。

6.根据权利要求1～5任一所述的利用冲击振动的微型发电装置，其特征在于：还包括封装体，封装体为与底座相配合的U型结构，该封装体与底座配合后形成箱体结构。

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