等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，包括压电发电板、弹性杠杆和辅助支撑部件，所述的压电发电板包括铜极板和粘贴在铜极板上下两面上的方形上压电陶瓷片和下压电陶瓷片；弹性杠杆包括弹性杆、设置在弹性杆上侧靠近折弯处的主动压块和设置在弹性杆下侧端部的从动压块；辅助支撑部件包括凹弧面底板和长螺栓，凹弧面底板、铜极板和弹性杆依次从下向上设置，由长螺栓穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体。该压电发电组件具有结构简单、功率容量大、整机制造装配容易、成本低、压电转换效率高、压电陶瓷不易损坏破碎、踩踏时无踩空等不适感、对环境无污染、使用寿命长等优点。
【专利说明】
等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种利用压电陶瓷材料压电效应的能量回收装置，具体来说，涉及一种等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件。
【背景技术】
[0002]利用压电陶瓷正压电效应进行发电的装置因其具有环保节能、结构简单、无电磁干扰、易于实现、成本低等优点，成为世界各国研究人员的关注热点。国内外所研究的利用人体动能进行压电发电装置较多，公开号为CN201956927U的专利文献公开了一种利用人体频繁踏走的压电发电装置，该装置利用人体对弹簧杠杆机构踩踏形成弹簧形变的势能，进而释放弹簧形变势能对压电材料敲击进行压电发电，该装置结构简单，成本低，发电量集中，但是人体踩踏该装置杠杆结构后脚收起的速度较慢，弹簧形变势能释放后对压电陶瓷材料形成的敲击力很小，影响了压电陶瓷片的发电转换效率，另外，人体踩踏的行程大于2mm，有踩空等不适感。
[0003]专利号为201320203629.7，发明名称为一种悬臂压电发电组件的专利文献公开了一种利用悬臂杠杆原理的压电发电装置，该装置解决了人体踩踏发电装置产生的不适感，但是在后期深入的实验中发现，在压电材料的脆性失效变形范围内，压电发电板末端施加外力或位移后，同一横截面内压电发电板固定端在竖直方向位移最小，自由端位移最大，但是压电发电板固定端的压电陶瓷形变和应力最大，越趋向于自由端其压电陶瓷形变和应力越小，自由端的压电陶瓷形变和应力为零。由于压电发电板的发电量和压电陶瓷的应力大小成正比，因此压电发电板固定端的发电量最大，趋向于自由端发电量逐渐减小，自由端末端发电量为零，也即是该悬臂压电发电组件不能充分的利用人体动能，充分提高压电发电板的发电转化效率。
【发明内容】
[0004]本实用新型提供了一种新型的等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，目的是为了提高利用人体动能进行压电发电的转换效率，同时避免踩踏压电发电装置时有踩空等不适感和直接踩踏压电陶瓷片易导致其破裂损坏等问题。
[0005]等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，包括压电发电板、弹性杠杆和辅助支撑部件，所述的压电发电板包括铜极板和粘贴在铜极板上下两面上的方形上压电陶瓷片和下压电陶瓷片，上压电陶瓷片和下压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反，上压电陶瓷片、下压电陶瓷片和铜极板均联接到能量转换电路和能量储存装置。
[0006]弹性杠杆包括弹性杆、设置在弹性杆上侧靠近折弯处的主动压块和设置在弹性杆下侧端部的从动压块，主动压块通过粘接或者焊接设置在弹性杆上侧靠近折弯处的位置，主动压块到折弯处的距离为弹性杆悬臂长度的1/10?1/2，从动压块通过粘接或者焊接设置在弹性杆下侧端部。
[0007]辅助支撑部件包括凹弧面底板和长螺栓，凹弧面底板、铜极板和弹性杆依次从下向上设置，凹弧面底板、铜极板和弹性杆上均开设有可供联接用的联接孔，由长螺栓穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体;在竖直方向上，所述的主动压块上表面的高度比长螺栓上表面的高度高0.2?1.8mm。
[0008]凹弧面底板长度方向、宽度方向上均对称，两端高起联接长方体凸台，凸台上表面开设有用来联接用的联接孔，凹弧面底板中间为下凹弧面，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的长度多压电陶瓷片的长度，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的宽度多压电陶瓷片的宽度，凹弧面垂直于宽度方向的截面形状为一抛物线，抛物线的P值在187.3-328.5之间；在凹弧面的最高处，以凸台相对面距离为长，凹弧面宽度为宽，向下切除深2?5mm的凹槽作为压电陶瓷片的限位槽；以短螺栓联接与凹弧面底板长度相同的长方形挡板用以限制压电陶瓷片的位置;凹弧面底板、支撑板、主动压块和从动压块均为非导电材料。
[0009]当弹性杠杆的折弯端部由辅助支撑部件固定后，弹性杠杆就形成了压电发电板杠杆结构，弹性杠杆被辅助支撑部件固定处为支点，主动压块到支点段为动力臂，从动压块到支点段为阻力臂。
[0010]当人踩踏弹性杆上侧的主动压块时，根据杠杆原理，设置在弹性杆下侧的从动压块就会向下移动多于主动压块下移的距离，即只需对主动压块向下踩踏很小的距离，即可驱动压电发电板自由端向下移动较大的距离来实现人体动能到电能的能量转换，从而提高了压电发电板的压电转换效率。
[0011]从动压块驱动压电发电板自由端向下移动，随着从动压块的逐步向下移动，压电陶瓷片中间受压下凹，逐渐和凹弧面底板的上凹弧面相贴合，从而保证了压电发电板从固定端到自由端每段压电陶瓷片均产生应力和每段压电陶瓷片产生应力的均匀性，每段压电陶瓷片的应力均为常值，且这个应力值与凹弧面底板上凹弧面的抛物线参数有关，合理设置凹弧面底板上抛物线参数，保证压电陶瓷片在其脆性失效变形范围内，避免了单纯压电发电板在中间发电量大、两端发电量小等问题，使每段压电陶瓷片均产生应力，充分提高了压电发电板压电陶瓷片的压电转换效率。
[0012]当人体踩踏结束释放主动压块后，弹性杆恢复到原来的形状，从动压块和铜极板脱离，当人体连续踩踏和释放主动压块时，该压电发电组件可完成连续的压电发电过程。
[0013]由于长螺栓上表面的支撑限位作用，限制主动压块和人体仅能向下移动0.2?1.8層，距离较短，无踩空等不适感，且避免了人体和压电陶瓷的直接接触，保证压电陶瓷不被冲击破裂或损坏。凹弧面底板的存在，保证了压电陶瓷片应力的均匀性和曲率变化的可控性，充分提高了压电发电板压电陶瓷片的发电效率。与现有技术相比，该等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件具有结构简单、功率容量大、整机制造装配容易、成本低、压电转换效率高、压电陶瓷不易损坏破碎、踩踏时无踩空等不适感、对环境无污染、使用寿命长等优点。
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型的结构示意图。
[0015]图2是本实用新型的前视图。
[0016]图3是本实用新型的系统结构示意图。
[0017]图4是本实用新型中凹弧面底板I的结构不意图。
[0018]图5是本实用新型中凹弧面底板I的前视图。
[0019]图6是本实用新型中弹性杆2的结构示意图。
[0020]图7是本实用新型中长螺栓3的结构示意图。
[0021]图8是本实用新型中主动压块4的结构示意图。
[0022]图9是本实用新型中从动压块5的结构示意图。
[0023]图10是本实用新型中上压电陶瓷片6、铜极板7和下压电陶瓷片8的结构示意图。
[0024]图11是本实用新型中挡板9的结构示意图。
[0025]图中标号说明:1.凹弧面底板，2.弹性杆，3.长螺栓，4.主动压块，5.从动压块，6.上压电陶瓷片，7.铜极板，8.下压电陶瓷片，9.挡板，10.短螺栓，11.能量转换电路和能量储存装置。
【具体实施方式】
[0026]结合图1和图2所示，等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件包括压电发电板、辅助支撑部件和弹性杠杆，所述的压电发电板包括铜极板7和粘贴在铜极板7上下两面上的方形上压电陶瓷片6和下压电陶瓷片8，上压电陶瓷片6和下压电陶瓷片8均沿厚度方向极化且极化方向相反，铜极板7材料为铍青铜，长度为120mm，宽度为46皿/，厚度为0.3皿/，压电陶瓷片材料均为PZT-5，长度为100/m，宽度为42備，厚度为0.2備。
[0027]弹性杠杆包括弹性杆2、设置在弹性杆2上侧靠近长螺栓3的主动压块4和设置在弹性杆2下侧端部的从动压块5，主动压块4和从动压块5通过粘接方式和弹性杆2联接在一起，主动压块4到长螺栓3距离为弹性杆2悬臂长度的1/5，在竖直方向上，主动压块4上表面的高度比长螺栓3上表面的高度高I/?/。
[0028]辅助支撑部件包括凹弧面底板I和长螺栓3;凹弧面底板10、铜极板7和弹性杆2依次从下向上设置，凹弧面底板1、铜极板7和弹性杆2上均开设有可供联接用的联接孔，孔直径为5.3?，由长螺栓3穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体，长螺栓公称直径为5_。
[0029]凹弧面底板I长度方向、宽度方向上均对称，两端高起联接长方体凸台，凸台上表面开设有用来联接用的直径为的联接孔，凹弧面底板中间为下凹弧面，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的长度为122mm，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的宽度为50mm，凹弧面垂直于宽度方向的截面形状为一抛物线，抛物线的P值为252.4，抛物线最高点距凹弧面底板I下表面18.63mm;在凹弧面的最高处，以长122宽50的长方形平面向下切除深2mm的凹槽作为压电陶瓷片的限位槽；以短螺栓联接长142_宽20_厚Imm的长方形挡板用以限制压电陶瓷片的位置;凹弧面底板1、主动压块4和从动压块5均为尼龙66塑料材料。
[0030]结合图3所示，上压电陶瓷片6、下压电陶瓷片8和铜极板7均联接到能量转换电路和能量储存装置11。
[0031]当人踩踏弹性杆2上侧的主动压块4时，由于长螺栓3的支撑限位作用，主动压块4仅能向下移动1_，又由于主动压块4到长螺栓3距离为弹性杆2悬臂长度的1/5，根据杠杆原理，设置在弹性杆2端部下侧的从动压块5向下移动5皿;，即驱动压电发电板自由端向下移动
的距离。
[0032]从动压块5驱动压电发电板自由端向下移动，随着从动压块5的逐步向下移动，压电陶瓷片中间受压下凹，逐渐和凹弧面底板的上凹弧面相贴合，保证了压电发电板从固定端到自由端每段压电陶瓷片均产生应力和每段压电陶瓷片应力的均匀性，充分提高了压电发电板压电陶瓷片的发电效率。
[0033]当人体踩踏结束释放主动压块4后，弹性杆2恢复到原来的形状，从动压块5和铜极板7脱离，当人体连续踩踏和释放主动压块4时，该压电发电组件可完成连续的压电发电过程。当踩踏频率为1/fc时，使用示波器对上压电陶瓷片6和下压电陶瓷片7的输出电压进行测量，其输出电压最大值分别为38.5待P34.6 K，较单纯的压电发电板发电组件其输出电压有车父大提1?，发电性能良好D
【主权项】
1.等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，其特征在于:包括压电发电板、弹性杠杆和辅助支撑部件，所述的压电发电板包括铜极板和粘贴在铜极板上下两面上的方形上压电陶瓷片和下压电陶瓷片，上压电陶瓷片和下压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反，弹性杠杆包括弹性杆、设置在弹性杆上侧靠近长螺栓的主动压块和设置在弹性杆下侧端部的从动压块，主动压块通过粘接或者焊接设置在弹性杆上侧靠近折弯处的位置;从动压块通过粘接或者焊接设置在弹性杆下侧端部;辅助支撑部件包括凹弧面底板和长螺栓，凹弧面底板、铜极板和弹性杆依次从下向上设置，凹弧面底板、铜极板和弹性杆上均开设有可供联接用的联接孔，由长螺栓穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体;上压电陶瓷片、下压电陶瓷片和铜极板均联接到能量转换电路和能量储存装置;凹弧面底板、支撑板、主动压块和从动压块均为非导电材料;凹弧面底板长度方向、宽度方向上均对称，两端高起联接长方体凸台，凸台上表面开设有用来联接用的联接孔，凹弧面底板中间为凹弧面，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的长度多压电陶瓷片的长度，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的宽度多压电陶瓷片的宽度，凹弧面垂直于宽度方向的截面形状为一抛物线，抛物线的P值在187.3?328.5之间；在凹弧面的最高处，以凸台相对面距离为长，凹弧面宽度为宽，向下切除深2?5mm的凹槽作为压电陶瓷片的限位槽;凹弧面底板垂直于弧面轴心的两侧，以短螺栓联接与凹弧面底板长度相同的长方形挡板用以限制压电陶瓷片的位置。2.根据权利要求1所述的等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，其特征在于:主动压块到折弯处的距离为弹性杆悬臂长度的1/10?1/2，在竖直方向上，所述的主动压块上表面的高度比长螺栓上表面的高度高0.2-1.8/?/。3.根据权利要求1所述的等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，其特征在于:所述的凹弧面底板为塑料材料。4.根据权利要求1所述的等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，其特征在于:所述的凹弧面底板为木质材料。5.根据权利要求1所述的等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，其特征在于:所述的凹弧面底板为陶瓷材料。6.根据权利要求1所述的等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，其特征在于:所述的凹弧面底板为玻璃材料。7.根据权利要求1?6中任一条所述的等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，其特征在于:所述的主动压块和从动压块为塑料材料。8.根据权利要求1?6中任一条所述的等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，其特征在于:所述的主动压块和从动压块为木质材料。9.根据权利要求1?6中任一条所述的等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件，其特征在于:所述的主动压块和从动压块为陶瓷材料或玻璃材料。
【文档编号】H02N2/18GK205545007SQ201620351267
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】杨鑫铭, 钱蜜, 伯洁, 汪帮富, 蒋全胜, 张磊, 朱占军, 吴雷, 徐帖, 张帅
【申请人】苏州科技学院