CN105281602B - 外置活塞拨动式压电发电气缸 - Google Patents

外置活塞拨动式压电发电气缸 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种外置活塞拨动式压电发电气缸，以解决当前气动压电发电装置结构复杂、能量利用率低、噪声大等问题。本发明包括气缸本体和压电发电装置两部分，所述发电装置通过螺纹副与气缸后端连接。所述压电发电装置包括腔体端盖、前腔体组件、拨动轴组件和后腔体组件；拨动轴在压缩空气的冲击、气体压力、压力波动以及复位弹簧的作用下使金属基板以及压电片产生形变，由于金属基板自身回复力带动压电片进行复位，基于压电效应产生电能。本发明具有结构简单、能量利用率高、噪声小以及成本低等技术优势，此外，通过整流储能电路可将产生的电能进行收集整理，为物联网节点进行供能。本发明在气动技术领域具有广阔的应用前景。

Description

外置活塞拨动式压电发电气缸
技术领域
本发明涉及一种外置活塞拨动式压电发电气缸，属于气动技术领域。
背景技术
气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量和信号传递的工程技术，是实现自动化生产与工业控制的重要手段之一，以其成本低、污染小、易调控等优点在加工、制造、汽车生产等领域中应用广泛。随着气动技术的不断发展，人们对气动***智能化的要求也越来越高，物联网技术在气动***中的应用则是实现气动技术智能化的主要方式之一。目前，气动***中物联网节点通常由传感器和无线通信模块组成，其供电方式一般采用外接电路和电池供电，外接电路供电会使气动***供电线路复杂，增加***维护的成本和困难程度；而电池供电则存在电池体积大、使用寿命短，需频繁更换等问题，难以满足传感器和无线通信模块持续工作的要求；同时，电池含有重金属，废旧电池处理不当会造严重的环境污染。
由于气动***本身能量大，俘获气动***能量为物联网节点供能具有良好的发展前景。现有中国实用新型专利《气动发电装置》，授权公告号为CN 201898457 U，授权公告日为2011.07.13，公开一种气动发电装置，包括充气装置、密封容器、控制装置及压电晶体，充气装置与密封容器连通并向密封容器充气，控制装置与密封容器连接，控制装置靠近压电晶体安装，控制装置将密封容器中的压缩空气形成气流，并将气流的作用力传递到压电晶体，使压电晶体将机械能转换成电能，供与压电晶体电连接的用电器使用。中国发明专利《一种基于射流微振荡器激励的压电发电装置》，申请公布号为CN 102594202 A，申请公布日为2012.07.18，公开一种基于射流微振荡器激励的压电发电装置，该装置包括壳体、双稳射流元件、第一振荡腔、第二振荡腔和输出电路；第一振荡腔和第二振荡腔对称布置在双稳射流元件的左右两侧；在第一振荡腔和第二振荡腔上分别设有膜片，在膜片上设有压电片，双稳射流元件进气口与气动设备的排气口连通。由于双稳射流元件的附壁效应，气体反复循环在两侧振荡腔中形成振荡气体，振荡腔中振荡气流带动腔室上的膜片振动，膜片的振动驱动其上的压电片振动变形产生电荷。上述已有技术存在发电装置结构复杂、占用空间大以及难以实现集成化与微型化等问题；同时由于上述技术方案中所公开的发电装置是采用开放环境下进行气流冲击俘能，存在能量利用率低、噪声大等问题。
发明内容
为了解决上述气动压电发电装置结构复杂、能量利用率低、噪声大等问题，本发明公开一种外置活塞拨动式压电发电气缸。
本发明所采用的技术方案是：所述外置活塞拨动式压电发电气缸由气缸和压电发电装置组成；所述气缸后端盖中心位置设有内螺纹通孔；所述压电发电装置包括腔体端盖、前腔体组件、拨动轴组件和后腔体组件；所述腔体端盖一侧端部设置有外螺纹一，其用于与气缸后端盖中心位置的内螺纹通孔旋合连接，以实现气缸与压电发电装置的紧固连接，所述腔体端盖的外螺纹一中心位置设有通孔一，其用于实现气缸与压电发电装置之间的气体的流通，所述腔体端盖另一侧端部设有外螺纹二，其用于与前腔体组件中前腔体上内螺纹一旋合连接，以实现腔体端盖与前腔体组件紧固连接，所述前腔体组件由前腔体和螺钉组成，所述前腔体开口端设有内螺纹一，其用于与腔体端盖的外螺纹二旋合连接，所述前腔体内部中心位置设有内部容腔，用于拨动轴组件的安装布置，所述前腔体后端部设有环形槽，用于拨动轴组件中复位弹簧的安装，所述前腔体后端部中心位置设有通孔二，用于拨动轴组件中拨动轴的安装，所述前腔体后端部圆周上设有螺纹孔，用于与螺钉旋合连接，以实现前腔体组件与后腔体组件的固定连接，所述拨动轴组件由拨动轴和复位弹簧组成，所述拨动轴前端设有环形凹槽，用于密封环的安装，以实现拨动轴组件与前腔体组件的密封连接，所述拨动轴后端外圆周设有凸起，用于拨动后腔体组件中发电组件上金属基板，所述拨动轴中部设有圆柱面，用于与前腔体设有的通孔二配合安装，所述复位弹簧一端安装与前腔体后端部设有的环形槽，另一端与拨动轴接触，所述后腔体组件由后腔体和发电组件组成，所述后腔体前端设有圆形通孔，用于实现前腔体组件与后腔体组件之间的固定，所述后腔体设有内腔，用于实现发电组件和拨动轴的安装，所述后腔体后端设有导线孔，用于压电片导线的引出，所述后腔体四周均匀设有n个方形槽，n为大于等于1的正整数，用于发电组件的安装固定，所述发电组件由固定板、金属基板、压电片组成，所述固定板安装于后腔体设有的方形槽中并胶粘固定，所述固定板在后腔体内部的一端与m个金属基板胶粘连接，m为大于等于1的正整数，所述金属基板一端与固定板胶粘连接，所述压电片分别与金属基板上下两个平面贴合并胶粘连接。
本发明的有益效果是：本发明可俘获气流冲击的动能和压缩气体的压力能，发电过程分为三个阶段：冲击过程发电、增压过程发电和复位发电。冲击发电阶段，气缸由后端盖气孔流入的气体，一部分通过腔体结构一侧端部的通孔进入压电发电装置，进入发电装置中的气流直接冲击拨动，使其挤压金属基板，金属基板带动压电片产生形变，从而产生电能；增压发电阶段，随着进入气缸气体量的增加，活塞运动时气缸和压电发电装置内气压会不断波动并持续上升直至稳态，在此过程中压缩空气对拨动轴不断施加作用力，使拨动轴向后移动，拨动轴不断拨动金属基板，从而带动以及压电片产生形变，由于压电片的正压电效应产生电能输出；复位发电，是在拨动轴拨动金属基板，金属基板由于自身回复力带动压电片进行复位，此过程中压电片可输出电能。本发明具有结构简单、能量利用率高、噪声小以及成本低等技术优势，同时通过整流储能电路可将产生的电能进行收集整理，为物联网节点进行供能。该发明在气动技术领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸结构示意图；
图2 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸中气缸的结构示意图；
图3 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸中压电发电装置的剖视图；
图4 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸中腔体端盖的剖视图；
图5 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸中前腔体组件的剖视图；
图6 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸中拨动轴组件的剖视图；
图7 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸中后腔体组件的剖视图；
图8 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸中后腔体组件的侧视图；
图9 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸中发电组件的结构示意图；
图10 所示为本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸中发电组件的侧视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图10说明本实施方式。
本实施方式提供一种外置活塞拨动式压电发电气缸的具体实施方案。所述外置活塞拨动式压电发电气缸由气缸1和压电发电装置2组成。
所述气缸1可为双作用气缸(SMC公司MBB50-100双作用气缸)；所述气缸1后端盖中心位置设有内螺纹通孔1-1；所述压电发电装置2包括腔体端盖2-1、前腔体组件2-2、拨动轴组件2-3和后腔体组件2-4。
所述腔体端盖2-1一侧端部设置有外螺纹一2-1-2，其用于与气缸1后端盖中心位置的内螺纹通孔1-1旋合连接，以实现气缸1与压电发电装置2的紧固连接；所述腔体端盖2-1的外螺纹一2-1-2中心位置设有通孔一2-1-1，其用于实现气缸1与压电发电装置2之间的气体的流通；所述腔体端盖2-1另一侧端部设有外螺纹二2-1-3，其用于与前腔体组件2-2中前腔体2-2-1上内螺纹一2-2-1-1旋合连接，以实现腔体端盖2-1与前腔体组件2-2紧固连接。
所述前腔体组件2-2由前腔体2-2-1和螺钉2-2-2组成；所述前腔体2-2-1开口端设有内螺纹一2-2-1-1，其用于与腔体端盖2-1的外螺纹二2-1-3旋合连接；所述前腔体2-2-1内部中心位置设有内部容腔2-2-1-2，用于拨动轴组件2-3的安装布置；所述前腔体2-2-1后端部设有环形槽2-2-1-3；用于拨动轴组件2-3中复位弹簧2-3-2的安装；所述前腔体2-2-1后端部中心位置设有通孔二2-2-1-4，用于拨动轴组件2-3中拨动轴2-3-1的安装；所述前腔体2-2-1后端部圆周上设有螺纹孔2-2-1-5，用于与螺钉2-2-2旋合连接，以实现前腔体组件2-2与后腔体组件2-4的固定连接。
所述拨动轴组件2-3由拨动轴2-3-1和复位弹簧2-3-2组成；所述拨动轴2-3-1前端设有环形凹槽2-3-1-1，用于密封环2-3-1-2的安装，以实现拨动轴组件2-3与前腔体组件2-2的密封连接；所述拨动轴2-3-1后端外圆周设有凸起2-3-1-3，用于拨动后腔体组件2-4中发电组件2-4-2上金属基板2-4-2-2；所述拨动轴2-3-1中部设有圆柱面2-3-1-4，用于与前腔体2-2-1设有的通孔二2-2-1-4配合安装；所述复位弹簧2-3-2一端安装与前腔体2-2-1后端部设有的环形槽2-2-1-3，另一端与拨动轴2-3-1接触。
所述后腔体组件2-4由后腔体2-4-1和发电组件2-4-2组成；所述后腔体2-4-1前端设有圆形通孔2-4-1-1，用于实现前腔体组件2-2与后腔体组件2-4之间的固定；所述后腔体2-4-1设有内腔2-4-1-2，用于实现发电组件2-4-2和拨动轴2-3-1的安装；所述后腔体2-4-1后端设有导线孔2-4-1-3，用于压电片2-4-2-3导线的引出；所述后腔体2-4-1四周均匀设有n个方形槽2-4-1-4，n为大于等于1的正整数，用于发电组件2-4-2的安装固定；所述发电组件2-4-2由固定板2-4-2-1、金属基板2-4-2-2、压电片2-4-2-3组成；所述固定板2-4-2-1安装于后腔体2-4-1设有的方形槽2-4-1-4中，并胶粘固定；所述固定板2-4-2-1在后腔体2-4-1内部的一端与m个金属基板2-4-2-2胶粘连接，m为大于等于1的正整数；所述金属基板2-4-2-2一端与固定板2-4-2-1胶粘连接；所述压电片2-4-2-3分别与金属基板2-4-2-2上下两个平面贴合并胶粘连接。
本实施方式的具体发电原理：利用气动压缩空气产生的轴向载荷作用于拨动轴2-3-1上表面，拨动轴2-3-1挤压金属基板2-4-2-2，使其带动压电片2-4-2-3产生弯曲形变，从而激发压电片2-4-2-3产生电能。压缩空气可推动活塞使气缸1正常工作，在气缸1的运动过程中，由于气缸1内部容积产生变化，从而导致压缩气体产生波动，这种波动特性可以使非稳态的压缩空气不断地对拨动轴2-3-1施加交变的作用力，使其挤压金属基板2-4-2-2产生反复的形变，此过程有效的增加了波形带宽从而增大了压电片2-4-2-3的发电量。本发明提出的外置活塞拨动式压电发电气缸的发电过程可分为三个阶段：冲击过程发电、增压过程发电和复位过程发电。具体发电过程如下：冲击发电阶段，气缸1由后端盖气孔流入的气体，一部分通过腔体结构2-1一侧端部的通孔2-1-1进入压电发电装置2，进入发电装置2中的气流直接冲击拨动轴2-3-1，使其挤压金属基板2-4-2-2，金属基板2-4-2-2带动压电片2-4-2-3产生形变，从而产生电能；增压发电阶段，随着进入气缸气体量的增加，活塞运动时气缸1和压电发电装置2内气压会不断波动并持续上升直至稳态，在此过程中压缩空气对拨动轴2-3-1不断施加作用力，使拨动轴2-3-1向后移动，拨动轴2-3-1不断拨动金属基板2-4-2-2，从而带动以及压电片2-4-2-3产生形变，由于压电片2-4-2-3的正压电效应产生电能输出；复位发电，是在拨动轴2-3-1拨动金属基板2-4-2-2后，金属基板2-4-2-2由于自身回复力带动压电片2-4-2-3进行复位，此过程中压电片2-4-2-3可输出电能。当气缸1处于后端盖气孔排气时，气体通过腔体结构2-1一侧端部的通孔2-1-1排出，压电发电装置2内部气压减小，拨动轴2-3-1在复位弹簧2-3-2作用下进行复位，会再次拨动金属基板2-4-2-2，金属基板2-4-2-2会再次产生变形并复位，在两个过程中仍有电能输出，重复上述工作过程，可实现本发明的连续发电。

Claims (1)

1.外置活塞拨动式压电发电气缸，其特征在于：所述外置活塞拨动式压电发电气缸由气缸（1）和压电发电装置（2）组成；所述气缸（1）后端盖中心位置设有内螺纹通孔（1-1）；所述压电发电装置（2）包括腔体端盖（2-1）、前腔体组件（2-2）、拨动轴组件（2-3）和后腔体组件（2-4）；所述腔体端盖（2-1）一侧端部设置有外螺纹一（2-1-2），其用于与气缸（1）后端盖中心位置的内螺纹通孔（1-1）旋合连接，以实现气缸（1）与压电发电装置（2）的紧固连接，所述腔体端盖（2-1）的外螺纹一（2-1-2）中心位置设有通孔一（2-1-1），其用于实现气缸（1）与压电发电装置（2）之间的气体的流通，所述腔体端盖（2-1）另一侧端部设有外螺纹二（2-1-3），其用于与前腔体组件（2-2）中前腔体(2-2-1)上内螺纹一(2-2-1-1)旋合连接，以实现腔体端盖（2-1）与前腔体组件（2-2）紧固连接，所述前腔体组件（2-2）由前腔体(2-2-1)和螺钉(2-2-2)组成，所述前腔体(2-2-1)开口端设有内螺纹一(2-2-1-1)，其用于与腔体端盖（2-1）的外螺纹二（2-1-3）旋合连接，所述前腔体(2-2-1)内部中心位置设有内部容腔(2-2-1-2)，用于拨动轴组件（2-3）的安装布置，所述前腔体(2-2-1)后端部设有环形槽(2-2-1-3)，用于拨动轴组件（2-3）中复位弹簧(2-3-2)的安装，所述前腔体(2-2-1)后端部中心位置设有通孔二(2-2-1-4)，用于拨动轴组件（2-3）中拨动轴(2-3-1)的安装，所述前腔体(2-2-1)后端部圆周上设有螺纹孔(2-2-1-5)，用于与螺钉(2-2-2)旋合连接，以实现前腔体组件（2-2）与后腔体组件（2-4）的固定连接，所述拨动轴组件（2-3）由拨动轴(2-3-1)和复位弹簧(2-3-2)组成，所述拨动轴(2-3-1)前端设有环形凹槽(2-3-1-1)，用于密封环（2-3-1-2）的安装，以实现拨动轴组件（2-3）与前腔体组件（2-2）的密封连接，所述拨动轴(2-3-1)后端外圆周设有凸起（2-3-1-3），用于拨动后腔体组件（2-4）中发电组件（2-4-2）上的金属基板（2-4-2-2），所述拨动轴(2-3-1)中部设有圆柱面（2-3-1-4），用于与前腔体(2-2-1)设有的通孔二(2-2-1-4)配合安装，所述复位弹簧(2-3-2)一端安装与前腔体(2-2-1)后端部设有的环形槽(2-2-1-3)，另一端与拨动轴(2-3-1)接触，所述后腔体组件（2-4）由后腔体（2-4-1）和发电组件（2-4-2）组成，所述后腔体（2-4-1）前端设有圆形通孔（2-4-1-1），用于实现前腔体组件（2-2）与后腔体组件（2-4）之间的固定，所述后腔体（2-4-1）设有内腔（2-4-1-2），用于实现发电组件（2-4-2）和拨动轴(2-3-1)的安装，所述后腔体（2-4-1）后端设有导线孔（2-4-1-3），用于压电片（2-4-2-3）导线的引出，所述后腔体（2-4-1）四周均匀设有n个方形槽（2-4-1-4），n为大于等于1的正整数，用于发电组件(2-4-2)的安装固定，所述发电组件（2-4-2）由固定板（2-4-2-1）、金属基板（2-4-2-2）、压电片（2-4-2-3）组成，所述固定板（2-4-2-1）安装于后腔体（2-4-1）设有的方形槽（2-4-1-4）中并胶粘固定，所述固定板（2-4-2-1）在后腔体（2-4-1）内部的一端与m个金属基板（2-4-2-2）胶粘连接，m为大于等于1的正整数，所述金属基板（2-4-2-2）一端与固定板（2-4-2-1）胶粘连接，所述压电片（2-4-2-3）分别与金属基板（2-4-2-2）上下两个平面贴合并胶粘连接。
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