等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件制造技術

本發明專利技術公開了一種等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件，包括壓電發電板、彈性杠桿和輔助支撐部件，所述的壓電發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、設置在彈性桿上側靠近折彎處的主動壓塊和設置在彈性桿下側端部的從動壓塊；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置，由長螺栓穿過每個零件的聯接孔后將其聯接為一體。該壓電發電組件具有結構簡單、功率容量大、整機制造裝配容易、成本低、壓電轉換效率高、壓電陶瓷不易損壞破碎、踩踏時無踩空等不適感、對環境無污染、使用壽命長等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種利用壓電陶瓷材料壓電效應的能量回收裝置，具體來說，涉及一種等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件。
技術介紹
利用壓電陶瓷正壓電效應進行發電的裝置因其具有環保節能、結構簡單、無電磁干擾、易于實現、成本低等優點，成為世界各國研究人員的關注熱點。國內外所研究的利用人體動能進行壓電發電裝置較多，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電裝置，該裝置利用人體對彈簧杠桿機構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電，該裝置結構簡單，成本低，發電量集中，但是人體踩踏該裝置杠桿結構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電轉換效率，另外，人體踩踏的行程大于2mm，有踩空等不適感。專利號為201320203629.7，專利技術名稱為一種懸臂壓電發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電裝置，該裝置解決了人體踩踏發電裝置產生的不適感，但是在后期深入的實驗中發現，在壓電材料的脆性失效變形范圍內，壓電發電板末端施加外力或位移后，同一橫截面內壓電發電板固定端在豎直方向位移最小，自由端位移最大，但是壓電發電板固定端的壓電陶瓷形變和應力最大，越趨向于自由端其壓電陶瓷形變和應力越小，自由端的壓電陶瓷形變和應力為零。由于壓電發電板的發電量和壓電陶瓷的應力大小成正比，因此壓電發電板固定端的發電量最大，趨向于自由端發電量逐漸減小，自由端末端發電量為零,也即是該懸臂壓電發電組件不能充分的利用人體動能，充分提高壓電發電板的發電轉化效率。
技術實現思路
本專利技術提供了一種新型的等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件，目的是為了提高利用人體動能進行壓電發電的轉換效率，同時避免踩踏壓電發電裝置時有踩空等不適感和直接踩踏壓電陶瓷片易導致其破裂損壞等問題。等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件，包括壓電發電板、彈性杠桿和輔助支撐部件，所述的壓電發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接到能量轉換電路和能量儲存裝置。彈性杠桿包括彈性桿、設置在彈性桿上側靠近折彎處的主動壓塊和設置在彈性桿下側端部的從動壓塊，主動壓塊通過粘接或者焊接設置在彈性桿上側靠近折彎處的位置，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置在彈性桿下側端部。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置，凹弧面底板、銅極板和彈性桿上均開設有可供聯接用的聯接孔，由長螺栓穿過每個零件的聯接孔后將其聯接為一體；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。凹弧面底板長度方向、寬度方向上均對稱，兩端高起聯接長方體凸臺，凸臺上表面開設有用來聯接用的聯接孔，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≥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≥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電材料。當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電板杠桿結構，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。當人踩踏彈性桿上側的主動壓塊時，根據杠桿原理，設置在彈性桿下側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，即可驅動壓電發電板自由端向下移動較大的距離來實現人體動能到電能的能量轉換，從而提高了壓電發電板的壓電轉換效率。從動壓塊驅動壓電發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，從而保證了壓電發電板從固定端到自由端每段壓電陶瓷片均產生應力和每段壓電陶瓷片產生應力的均勻性,每段壓電陶瓷片的應力均為常值，且這個應力值與凹弧面底板上凹弧面的拋物線參數有關，合理設置凹弧面底板上拋物線參數，保證壓電陶瓷片在其脆性失效變形范圍內，避免了單純壓電發電板在中間發電量大、兩端發電量小等問題，使每段壓電陶瓷片均產生應力，充分提高了壓電發電板壓電陶瓷片的壓電轉換效率。當人體踩踏結束釋放主動壓塊后，彈性桿恢復到原來的形狀，從動壓塊和銅極板脫離，當人體連續踩踏和釋放主動壓塊時，該壓電發電組件可完成連續的壓電發電過程。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0.2~1.8mm，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力的均勻性和曲率變化的可控性，充分提高了壓電發電板壓電陶瓷片的發電效率。與現有技術相比，該等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件具有結構簡單、功率容量大、整機制造裝配容易、成本低、壓電轉換效率高、壓電陶瓷不易損壞破碎、踩踏時無踩空等不適感、對環境無污染、使用壽命長等優點。附圖說明圖1是本專利技術的結構示意圖。圖2是本專利技術的前視圖。圖3是本專利技術的系統結構示意圖。圖4是本專利技術中凹弧面底板1的結構示意圖。圖5是本專利技術中凹弧面底板1的前視圖。圖6是本專利技術中彈性桿2的結構示意圖。圖7是本專利技術中長螺栓3的結構示意圖。圖8是本專利技術中主動壓塊4的結構示意圖。圖9是本專利技術中從動壓塊5的結構示意圖。圖10是本專利技術中上壓電陶瓷片6、銅極板7和下壓電陶瓷片8的結構示意圖。圖11是本專利技術中擋板9的結構示意圖。圖中標號說明：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.能量轉換電路和能量儲存裝置。具體實施方式結合圖1和圖2所示，等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件包括壓電發電板、輔助支撐部件和彈性杠桿，所述的壓電發電板包括銅極板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46mm，厚度為0.3mm，壓電陶瓷片材料均為PZT-5，長度為100mm，寬度為42mm，厚度為0.2mm。彈性杠桿包括彈性桿2、設置在彈性桿2上側靠近長螺栓3的主動壓塊4和設置在彈性桿2下側端部的從動壓塊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1mm。...

【技術保護點】
等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件，其特征在于：包括壓電發電板、彈性杠桿和輔助支撐部件，所述的壓電發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、設置在彈性桿上側靠近長螺栓的主動壓塊和設置在彈性桿下側端部的從動壓塊，主動壓塊通過粘接或者焊接設置在彈性桿上側靠近折彎處的位置；從動壓塊通過粘接或者焊接設置在彈性桿下側端部；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置，凹弧面底板、銅極板和彈性桿上均開設有可供聯接用的聯接孔，由長螺栓穿過每個零件的聯接孔后將其聯接為一體；上壓電陶瓷片、下壓電陶瓷片和銅極板均聯接到能量轉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電材料。

【技術特征摘要】
1.等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件，其特征在于：包括壓電發電板、彈性杠桿和輔助支撐部件，所述的壓電發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、設置在彈性桿上側靠近長螺栓的主動壓塊和設置在彈性桿下側端部的從動壓塊，主動壓塊通過粘接或者焊接設置在彈性桿上側靠近折彎處的位置；從動壓塊通過粘接或者焊接設置在彈性桿下側端部；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置，凹弧面底板、銅極板和彈性桿上均開設有可供聯接用的聯接孔，由長螺栓穿過每個零件的聯接孔后將其聯接為一體；上壓電陶瓷片、下壓電陶瓷片和銅極板均聯接到能量轉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電材料。
2.根據權利要求1所述的等應力懸臂杠桿中壓式壓電發電組件，其特征在于：凹弧面底板長度方向、寬度方向上均對稱，兩端高起聯接長方體凸臺，凸臺上表面開設有用來聯接用的聯接孔，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≥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≥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...

【專利技術屬性】
技術研發人員：錢蜜，楊鑫銘，伯潔，汪幫富，齊芳娟，張磊，劉嵚昀，朱占軍，吳雷，張帥，
申請(專利權)人：蘇州科技學院，
類型：發明
國別省市：江蘇;32