等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，包括壓電發(fā)電板、彈性杠桿和輔助支撐部件，所述的壓電發(fā)電板包括銅極板和粘貼在銅極板上下兩面上的方形上壓電陶瓷片和下壓電陶瓷片；彈性杠桿包括彈性桿、設(shè)置在彈性桿上側(cè)靠近折彎處的主動壓塊和設(shè)置在彈性桿下側(cè)端部的從動壓塊；輔助支撐部件包括凹弧面底板和長螺栓，凹弧面底板、銅極板和彈性桿依次從下向上設(shè)置，由長螺栓穿過每個零件的聯(lián)接孔后將其聯(lián)接為一體。該壓電發(fā)電組件具有結(jié)構(gòu)簡單、功率容量大、整機制造裝配容易、成本低、壓電轉(zhuǎn)換效率高、壓電陶瓷不易損壞破碎、踩踏時無踩空等不適感、對環(huán)境無污染、使用壽命長等優(yōu)點。
【專利說明】
等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種利用壓電陶瓷材料壓電效應(yīng)的能量回收裝置，具體來說，涉及一種等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件。
【背景技術(shù)】
[0002]利用壓電陶瓷正壓電效應(yīng)進行發(fā)電的裝置因其具有環(huán)保節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單、無電磁干擾、易于實現(xiàn)、成本低等優(yōu)點，成為世界各國研究人員的關(guān)注熱點。國內(nèi)外所研究的利用人體動能進行壓電發(fā)電裝置較多，公開號為CN201956927U的專利文獻公開了一種利用人體頻繁踏走的壓電發(fā)電裝置，該裝置利用人體對彈簧杠桿機構(gòu)踩踏形成彈簧形變的勢能，進而釋放彈簧形變勢能對壓電材料敲擊進行壓電發(fā)電，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，發(fā)電量集中，但是人體踩踏該裝置杠桿結(jié)構(gòu)后腳收起的速度較慢，彈簧形變勢能釋放后對壓電陶瓷材料形成的敲擊力很小，影響了壓電陶瓷片的發(fā)電轉(zhuǎn)換效率，另外，人體踩踏的行程大于2mm，有踩空等不適感。
[0003]專利號為201320203629.7，發(fā)明名稱為一種懸臂壓電發(fā)電組件的專利文獻公開了一種利用懸臂杠桿原理的壓電發(fā)電裝置，該裝置解決了人體踩踏發(fā)電裝置產(chǎn)生的不適感，但是在后期深入的實驗中發(fā)現(xiàn)，在壓電材料的脆性失效變形范圍內(nèi)，壓電發(fā)電板末端施加外力或位移后，同一橫截面內(nèi)壓電發(fā)電板固定端在豎直方向位移最小，自由端位移最大，但是壓電發(fā)電板固定端的壓電陶瓷形變和應(yīng)力最大，越趨向于自由端其壓電陶瓷形變和應(yīng)力越小，自由端的壓電陶瓷形變和應(yīng)力為零。由于壓電發(fā)電板的發(fā)電量和壓電陶瓷的應(yīng)力大小成正比，因此壓電發(fā)電板固定端的發(fā)電量最大，趨向于自由端發(fā)電量逐漸減小，自由端末端發(fā)電量為零，也即是該懸臂壓電發(fā)電組件不能充分的利用人體動能，充分提高壓電發(fā)電板的發(fā)電轉(zhuǎn)化效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型提供了一種新型的等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，目的是為了提高利用人體動能進行壓電發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率，同時避免踩踏壓電發(fā)電裝置時有踩空等不適感和直接踩踏壓電陶瓷片易導(dǎo)致其破裂損壞等問題。
[0005]等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，包括壓電發(fā)電板、彈性杠桿和輔助支撐部件，所述的壓電發(fā)電板包括銅極板和粘貼在銅極板上下兩面上的方形上壓電陶瓷片和下壓電陶瓷片，上壓電陶瓷片和下壓電陶瓷片均沿厚度方向極化且極化方向相反，上壓電陶瓷片、下壓電陶瓷片和銅極板均聯(lián)接到能量轉(zhuǎn)換電路和能量儲存裝置。
[0006]彈性杠桿包括彈性桿、設(shè)置在彈性桿上側(cè)靠近折彎處的主動壓塊和設(shè)置在彈性桿下側(cè)端部的從動壓塊，主動壓塊通過粘接或者焊接設(shè)置在彈性桿上側(cè)靠近折彎處的位置，主動壓塊到折彎處的距離為彈性桿懸臂長度的1/10?1/2，從動壓塊通過粘接或者焊接設(shè)置在彈性桿下側(cè)端部。
[0007]輔助支撐部件包括凹弧面底板和長螺栓，凹弧面底板、銅極板和彈性桿依次從下向上設(shè)置，凹弧面底板、銅極板和彈性桿上均開設(shè)有可供聯(lián)接用的聯(lián)接孔，由長螺栓穿過每個零件的聯(lián)接孔后將其聯(lián)接為一體;在豎直方向上，所述的主動壓塊上表面的高度比長螺栓上表面的高度高0.2?1.8mm。
[0008]凹弧面底板長度方向、寬度方向上均對稱，兩端高起聯(lián)接長方體凸臺，凸臺上表面開設(shè)有用來聯(lián)接用的聯(lián)接孔，凹弧面底板中間為下凹弧面，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的長度多壓電陶瓷片的長度，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的寬度多壓電陶瓷片的寬度，凹弧面垂直于寬度方向的截面形狀為一拋物線，拋物線的P值在187.3-328.5之間；在凹弧面的最高處，以凸臺相對面距離為長，凹弧面寬度為寬，向下切除深2?5mm的凹槽作為壓電陶瓷片的限位槽；以短螺栓聯(lián)接與凹弧面底板長度相同的長方形擋板用以限制壓電陶瓷片的位置;凹弧面底板、支撐板、主動壓塊和從動壓塊均為非導(dǎo)電材料。
[0009]當(dāng)彈性杠桿的折彎端部由輔助支撐部件固定后，彈性杠桿就形成了壓電發(fā)電板杠桿結(jié)構(gòu)，彈性杠桿被輔助支撐部件固定處為支點，主動壓塊到支點段為動力臂，從動壓塊到支點段為阻力臂。
[0010]當(dāng)人踩踏彈性桿上側(cè)的主動壓塊時，根據(jù)杠桿原理，設(shè)置在彈性桿下側(cè)的從動壓塊就會向下移動多于主動壓塊下移的距離，即只需對主動壓塊向下踩踏很小的距離，即可驅(qū)動壓電發(fā)電板自由端向下移動較大的距離來實現(xiàn)人體動能到電能的能量轉(zhuǎn)換，從而提高了壓電發(fā)電板的壓電轉(zhuǎn)換效率。
[0011]從動壓塊驅(qū)動壓電發(fā)電板自由端向下移動，隨著從動壓塊的逐步向下移動，壓電陶瓷片中間受壓下凹，逐漸和凹弧面底板的上凹弧面相貼合，從而保證了壓電發(fā)電板從固定端到自由端每段壓電陶瓷片均產(chǎn)生應(yīng)力和每段壓電陶瓷片產(chǎn)生應(yīng)力的均勻性，每段壓電陶瓷片的應(yīng)力均為常值，且這個應(yīng)力值與凹弧面底板上凹弧面的拋物線參數(shù)有關(guān)，合理設(shè)置凹弧面底板上拋物線參數(shù)，保證壓電陶瓷片在其脆性失效變形范圍內(nèi)，避免了單純壓電發(fā)電板在中間發(fā)電量大、兩端發(fā)電量小等問題，使每段壓電陶瓷片均產(chǎn)生應(yīng)力，充分提高了壓電發(fā)電板壓電陶瓷片的壓電轉(zhuǎn)換效率。
[0012]當(dāng)人體踩踏結(jié)束釋放主動壓塊后，彈性桿恢復(fù)到原來的形狀，從動壓塊和銅極板脫離，當(dāng)人體連續(xù)踩踏和釋放主動壓塊時，該壓電發(fā)電組件可完成連續(xù)的壓電發(fā)電過程。
[0013]由于長螺栓上表面的支撐限位作用，限制主動壓塊和人體僅能向下移動0.2?1.8層，距離較短，無踩空等不適感，且避免了人體和壓電陶瓷的直接接觸，保證壓電陶瓷不被沖擊破裂或損壞。凹弧面底板的存在，保證了壓電陶瓷片應(yīng)力的均勻性和曲率變化的可控性，充分提高了壓電發(fā)電板壓電陶瓷片的發(fā)電效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件具有結(jié)構(gòu)簡單、功率容量大、整機制造裝配容易、成本低、壓電轉(zhuǎn)換效率高、壓電陶瓷不易損壞破碎、踩踏時無踩空等不適感、對環(huán)境無污染、使用壽命長等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本實用新型的前視圖。
[0016]圖3是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4是本實用新型中凹弧面底板I的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0018]圖5是本實用新型中凹弧面底板I的前視圖。
[0019]圖6是本實用新型中彈性桿2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖7是本實用新型中長螺栓3的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖8是本實用新型中主動壓塊4的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖9是本實用新型中從動壓塊5的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖10是本實用新型中上壓電陶瓷片6、銅極板7和下壓電陶瓷片8的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖11是本實用新型中擋板9的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中標(biāo)號說明:1.凹弧面底板，2.彈性桿，3.長螺栓，4.主動壓塊，5.從動壓塊，6.上壓電陶瓷片，7.銅極板，8.下壓電陶瓷片，9.擋板，10.短螺栓，11.能量轉(zhuǎn)換電路和能量儲存裝置。
【具體實施方式】
[0026]結(jié)合圖1和圖2所示，等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件包括壓電發(fā)電板、輔助支撐部件和彈性杠桿，所述的壓電發(fā)電板包括銅極板7和粘貼在銅極板7上下兩面上的方形上壓電陶瓷片6和下壓電陶瓷片8，上壓電陶瓷片6和下壓電陶瓷片8均沿厚度方向極化且極化方向相反，銅極板7材料為鈹青銅，長度為120mm，寬度為46皿/，厚度為0.3皿/，壓電陶瓷片材料均為PZT-5，長度為100/m，寬度為42備，厚度為0.2備。
[0027]彈性杠桿包括彈性桿2、設(shè)置在彈性桿2上側(cè)靠近長螺栓3的主動壓塊4和設(shè)置在彈性桿2下側(cè)端部的從動壓塊5，主動壓塊4和從動壓塊5通過粘接方式和彈性桿2聯(lián)接在一起，主動壓塊4到長螺栓3距離為彈性桿2懸臂長度的1/5，在豎直方向上，主動壓塊4上表面的高度比長螺栓3上表面的高度高I/?/。
[0028]輔助支撐部件包括凹弧面底板I和長螺栓3;凹弧面底板10、銅極板7和彈性桿2依次從下向上設(shè)置，凹弧面底板1、銅極板7和彈性桿2上均開設(shè)有可供聯(lián)接用的聯(lián)接孔，孔直徑為5.3?，由長螺栓3穿過每個零件的聯(lián)接孔后將其聯(lián)接為一體，長螺栓公稱直徑為5_。
[0029]凹弧面底板I長度方向、寬度方向上均對稱，兩端高起聯(lián)接長方體凸臺，凸臺上表面開設(shè)有用來聯(lián)接用的直徑為的聯(lián)接孔，凹弧面底板中間為下凹弧面，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的長度為122mm，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的寬度為50mm，凹弧面垂直于寬度方向的截面形狀為一拋物線，拋物線的P值為252.4，拋物線最高點距凹弧面底板I下表面18.63mm;在凹弧面的最高處，以長122寬50的長方形平面向下切除深2mm的凹槽作為壓電陶瓷片的限位槽；以短螺栓聯(lián)接長142_寬20_厚Imm的長方形擋板用以限制壓電陶瓷片的位置;凹弧面底板1、主動壓塊4和從動壓塊5均為尼龍66塑料材料。
[0030]結(jié)合圖3所示，上壓電陶瓷片6、下壓電陶瓷片8和銅極板7均聯(lián)接到能量轉(zhuǎn)換電路和能量儲存裝置11。
[0031]當(dāng)人踩踏彈性桿2上側(cè)的主動壓塊4時，由于長螺栓3的支撐限位作用，主動壓塊4僅能向下移動1_，又由于主動壓塊4到長螺栓3距離為彈性桿2懸臂長度的1/5，根據(jù)杠桿原理，設(shè)置在彈性桿2端部下側(cè)的從動壓塊5向下移動5皿;，即驅(qū)動壓電發(fā)電板自由端向下移動
的距離。
[0032]從動壓塊5驅(qū)動壓電發(fā)電板自由端向下移動，隨著從動壓塊5的逐步向下移動，壓電陶瓷片中間受壓下凹，逐漸和凹弧面底板的上凹弧面相貼合，保證了壓電發(fā)電板從固定端到自由端每段壓電陶瓷片均產(chǎn)生應(yīng)力和每段壓電陶瓷片應(yīng)力的均勻性，充分提高了壓電發(fā)電板壓電陶瓷片的發(fā)電效率。
[0033]當(dāng)人體踩踏結(jié)束釋放主動壓塊4后，彈性桿2恢復(fù)到原來的形狀，從動壓塊5和銅極板7脫離，當(dāng)人體連續(xù)踩踏和釋放主動壓塊4時，該壓電發(fā)電組件可完成連續(xù)的壓電發(fā)電過程。當(dāng)踩踏頻率為1/fc時，使用示波器對上壓電陶瓷片6和下壓電陶瓷片7的輸出電壓進行測量，其輸出電壓最大值分別為38.5待P34.6 K，較單純的壓電發(fā)電板發(fā)電組件其輸出電壓有車父大提1?，發(fā)電性能良好D
【主權(quán)項】
1.等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，其特征在于:包括壓電發(fā)電板、彈性杠桿和輔助支撐部件，所述的壓電發(fā)電板包括銅極板和粘貼在銅極板上下兩面上的方形上壓電陶瓷片和下壓電陶瓷片，上壓電陶瓷片和下壓電陶瓷片均沿厚度方向極化且極化方向相反，彈性杠桿包括彈性桿、設(shè)置在彈性桿上側(cè)靠近長螺栓的主動壓塊和設(shè)置在彈性桿下側(cè)端部的從動壓塊，主動壓塊通過粘接或者焊接設(shè)置在彈性桿上側(cè)靠近折彎處的位置;從動壓塊通過粘接或者焊接設(shè)置在彈性桿下側(cè)端部;輔助支撐部件包括凹弧面底板和長螺栓，凹弧面底板、銅極板和彈性桿依次從下向上設(shè)置，凹弧面底板、銅極板和彈性桿上均開設(shè)有可供聯(lián)接用的聯(lián)接孔，由長螺栓穿過每個零件的聯(lián)接孔后將其聯(lián)接為一體;上壓電陶瓷片、下壓電陶瓷片和銅極板均聯(lián)接到能量轉(zhuǎn)換電路和能量儲存裝置;凹弧面底板、支撐板、主動壓塊和從動壓塊均為非導(dǎo)電材料;凹弧面底板長度方向、寬度方向上均對稱，兩端高起聯(lián)接長方體凸臺，凸臺上表面開設(shè)有用來聯(lián)接用的聯(lián)接孔，凹弧面底板中間為凹弧面，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的長度多壓電陶瓷片的長度，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的寬度多壓電陶瓷片的寬度，凹弧面垂直于寬度方向的截面形狀為一拋物線，拋物線的P值在187.3?328.5之間；在凹弧面的最高處，以凸臺相對面距離為長，凹弧面寬度為寬，向下切除深2?5mm的凹槽作為壓電陶瓷片的限位槽;凹弧面底板垂直于弧面軸心的兩側(cè)，以短螺栓聯(lián)接與凹弧面底板長度相同的長方形擋板用以限制壓電陶瓷片的位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，其特征在于:主動壓塊到折彎處的距離為彈性桿懸臂長度的1/10?1/2，在豎直方向上，所述的主動壓塊上表面的高度比長螺栓上表面的高度高0.2-1.8/?/。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，其特征在于:所述的凹弧面底板為塑料材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，其特征在于:所述的凹弧面底板為木質(zhì)材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，其特征在于:所述的凹弧面底板為陶瓷材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，其特征在于:所述的凹弧面底板為玻璃材料。7.根據(jù)權(quán)利要求1?6中任一條所述的等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，其特征在于:所述的主動壓塊和從動壓塊為塑料材料。8.根據(jù)權(quán)利要求1?6中任一條所述的等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，其特征在于:所述的主動壓塊和從動壓塊為木質(zhì)材料。9.根據(jù)權(quán)利要求1?6中任一條所述的等應(yīng)力懸臂杠桿中壓式壓電發(fā)電組件，其特征在于:所述的主動壓塊和從動壓塊為陶瓷材料或玻璃材料。
【文檔編號】H02N2/18GK205545007SQ201620351267
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】楊鑫銘, 錢蜜, 伯潔, 汪幫富, 蔣全勝, 張磊, 朱占軍, 吳雷, 徐帖, 張帥
【申請人】蘇州科技學(xué)院