用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机的制作方法

本发明涉及一种用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机，属于低功耗电子设备供能技术领域。

背景技术：

随着制造装备技术智能化水平的不断提高，并伴随着其与物联网技术的深度融合，大量的物联网节点在机械制造装备领域得到广泛应用。对物联网节点进行稳定、可靠的持续供电，是保证物联网节点正常工作的前提。当前机械制造领域的物联网节点供能方式主要包括电源直接供电和化学电池供电两种方式。其中，电源直接供电方式存在电磁干扰严重、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。

利用压电元件的正压电效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、不受电磁干扰以及使用寿命长等优势，成为微能源转化与供给技术的研究热点。压缩气体具有的能量是工业生产中大量存在的能量形式，其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，结合压电元件的正压电效应将气体能量转化为电能为无线物联网节点供能，可有效解决传统电源供电带来的布线复杂及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。当前的用于俘获工业环境中的气体能量为无线物联网节点供能的发电机存在能量俘获效率低和输出功率有限的问题，限制了其在无线物联网节点供能领域的应用。

技术实现要素：

为解决传统压电发电机能量转化效率低的问题，本发明公开一种用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机，为物联网节点等低功耗电子器件提供一种可持续工作、能量转化效率高的供能装置。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机，由多孔阵列式增流装置、盘型发电机组件和紧定螺钉三部分组成，其中多孔阵列式增流装置和盘型发电机组件通过紧定螺钉紧固连接。所述的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。所述盘型发电机组件由发电组件安装架，风扇，压电发电组件和固定销组成。

所述的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钉螺纹连接，所述锥形吸气端位于多孔阵列式增流装置的诱导气体吸入端，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。

所述发电组件安装架设置有发电机进气端，发电机进气端位于发电机进气端端部，所述发电组件安装架设置有安装架螺纹孔，紧定螺钉与安装架螺纹孔螺纹连接，所述发电组件安装架设置有压电发电组件安装孔，压电发电组件通过压电发电组件安装孔与发电组件安装架紧固连接，所述发电组件安装架设置有排气孔，排气孔沿周向阵列布置；所述风扇设置有风扇外螺纹，风扇通过风扇外螺纹与压电发电组件螺纹连接，所述风扇设置有固定销安装孔a，固定销与固定销安装孔a配合连接；所述压电发电组件设置有弹性基板、压电元件，压电元件和弹性基板粘接，所述压电发电组件设置有固定销安装孔b，固定销与固定销安装孔b配合连接，所述压电发电组件设置有压电发电组件内螺纹，风扇外螺纹与压电发电组件内螺纹螺纹连接；所述弹性基板设置有直梁a、L型梁和直梁b，所述弹性基板设置有固定凸块，固定凸块与压电发电组件安装孔紧固连接，所述弹性基板设置有弧形铰链Ⅰ、弧形铰链Ⅱ和弧形铰链Ⅲ。

本发明的有益效果是：在不影响工业生产的情况下，利用所发明的多孔阵列式增流装置对小流量高压气体进行流量放大，放大流量后的气体通过锥形气流喷射端喷出，激励出口处盘型发电机组件，使内部压电发电组件产生弯曲形变，利用正压电效应实现电能转化，以达到利用放大气流进行能量收集转化的效果，提高压电发电机的能量转化效率。本发明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流量进行压电能量收集的技术优势，电能产生效率提高3倍以上，在物联网节点等低功耗电子器件供能技术领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1所示为本发明提出的用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机的结构示意图；

图2所示为本发明提出的多孔阵列式增流装置结构示意图；

图3所示为本发明提出的锥形吸气端剖视图；

图4所示为本发明提出的微型射流孔结构剖视图；

图5所示为本发明提出的锥形气流喷射端剖视图；

图6所示为本发明提出的盘型发电机组件结构示意图；

图7所示为本发明提出的发电组件安装架结构示意图；

图8所示为本发明提出的风扇结构示意图；

图9所示为本发明提出的压电发电组件结构示意图；

图10所示为本发明提出的压电发电组件左视图；

图11所示为本发明提出的弹性基板结构示意图；

图12所示为本发明提出的能量管理电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式：结合图1~图12说明本实施方式。本实施方式提供了一种用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机的具体实施方案。所述一种用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机由多孔阵列式增流装置1、盘型发电机组件2和紧定螺钉3三部分组成，其中多孔阵列式增流装置1和盘型发电机组件组件2通过紧定螺钉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，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，紧定螺钉3与增流装置螺纹连接孔1-3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的诱导气体吸入端，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。

所述盘型发电机组件为用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机的电能产生装置。所述盘型发电机组件2由发电组件安装架2-1，风扇2-2，压电发电组件2-3和固定销2-4组成。所述发电组件安装架2-1设置有发电机进气端2-1-1，混合气体经由发电机进气端2-1-1进入盘型发电机组件2作用在风扇2-2上，风扇2-2在混合气体的作用下发生转动带动压电发电组件2-3产生扭转；所述发电组件安装架2-1设置有安装架螺纹孔2-1-2，紧定螺钉3与安装架螺纹孔2-1-2螺纹连接；所述发电组件安装架2-1设置有压电发电组件安装孔2-1-3，压电发电组件2-3通过压电发电组件安装孔2-1-3与发电组件安装架2-1紧固连接；所述发电组件安装架2-1设置有排气孔2-1-4，混合气体经由排气孔2-1-4排出盘型发电机组件2。所述风扇2-2设置有风扇外螺纹2-2-1，风扇2-2通过风扇外螺纹2-2-1与压电发电组件2-3螺纹连接；所述风扇2-2设置有固定销安装孔a 2-2-2，固定销2-4与固定销安装孔a 2-2-2配合连接。所述压电发电组件2-3设置有弹性基板2-3-1、压电元件2-3-2，压电元件2-3-2可选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF，本具体实施方式中采用压电陶瓷片PZT，压电元件2-3-2和弹性基板2-3-1粘接，本具体实施方式采用环氧树脂胶粘接，所述压电发电组件2-3设置有固定销安装孔b 2-3-3，固定销2-4与固定销安装孔b 2-3-3配合连接；所述压电发电组件2-3设置有压电发电组件内螺纹2-3-4，风扇外螺纹2-2-1与压电发电组件内螺纹2-3-4螺纹连接。所述弹性基板2-3-1设置有直梁a 2-3-1-1、L型梁2-3-1-2和直梁b 2-3-1-3。所述弹性基板2-3-1设置有固定凸块2-3-1-4，固定凸块2-3-1-4与压电发电组件安装孔2-1-3紧固连接，所述弹性基板2-3-1设置有弧形铰链Ⅰ2-3-1-5、弧形铰链Ⅱ2-3-1-6和弧形铰链Ⅲ 2-3-1-7，用于降低弹性基板的2-3-1的扭转刚度。

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。

所述直梁a 2-3-1-1具有长度值A，A的取值满足的范围为20~30 mm，本具体实施方式中A的取值为20 mm；所述直梁a 2-3-1-1与L型梁2-3-1-2的相对偏角为θ，θ的取值满足的范围为5~20°，本具体实施方式中θ的取值为10°。所述直梁b 2-3-1-3具有长度值B，B与A的比值为K=B/A，K的取值满足的范围为1~1.5，本具体实施方式中K的取值为1.25。所述弧形铰链Ⅰ2-3-1-5具有圆角半径值R₁，R₁的取值满足的范围为1~3 mm，本具体实施方式中R₁的取值为3 mm；所述弧形铰链Ⅱ2-3-1-6具有圆角半径值R₂，R₂与R₁的比值为M=R₂/R₁，M的取值满足的范围为0.2~1，本具体实施方式中M的取值为0.5。所述弧形铰链Ⅲ2-3-1-7具有圆角半径值R₃，R₃与R₁的比值为N=R₃/R₁，N的取值满足的范围为0.2~1，本具体实施方式中N的取值为0.5。

所述的能量管理电路由二极管（D₆~D₉）和电容C₁组成。当混合气体从锥形气流喷射端1-6流出后，带动风扇2-2转动，使得压电发电组件2-3产生扭转变形，在正压电效应的作用下会产生正负交替周期性变化的电信号，将产生的电信号通过导线连接到全桥整流电路的输入端。当产生正向电信号时，二极管D₆和二极管D₉导通构成闭合回路，电能可存储于电容C₁中；当产生负向电信号时，二极管D₇和二极管D₈导通构成闭合回路，且整流后的电信号流向与二极管D₆、二极管D₉闭合回路电信号流向相同，因此电能仍存储于电容C₁中。经过整流存储后的电能可经由C₁流出到输出端物联网节点进行供电。所述二极管（D₆~D₉）可以是NI5408整流二极管，所述电容C₁的电容量范围为100~1000 μF。

工作原理：利用压电元件的正压电效应可以将气体的冲击能量转化为电能，本发明所设计的用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式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盘型发电机组件组件进行电能的转化。本发明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，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。扭转式发电机的技术优势在于其采用盘型阵列式结构，可以在较小的空间上布置尽可能多的压电元件，通过各个梁的扭转促使压电元件产生形变，更加高效的俘获气体中的压力能。其设计的铰链结构可以降低发电机的扭转刚度，增大压电元件的形变量使其发电量达到最大。

综合以上所述内容，本发明设计的用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机，可将冲击作用的气体的流量放大，并利用增流增速后的混合气体冲击作用于压电元件上，实现电能的转化，提高电能转化效率。本发明设计的用于物联网节点供能的多孔增流型扭转式发电机可将电能转化效率提高3倍以上，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。