一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器制造技术

本发明专利技术公开一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器，为解决当前气动系统中物联网节点供能的压电俘能器机电转化效率低、功率小等问题。本发明专利技术由高压气体激励驱动组件、环形压电发电组件和紧固螺钉组成，其中高压气体激励驱动组件和环形压电发电组件通过紧固螺钉紧固连接。本发明专利技术通过结构优化设计，基于磁力升频效应，实现了压电俘能器在低频激励下的高幅振动，可显著提高压电俘能器的机电转化效率和功率。本发明专利技术能量利用率高，结构简单，成本低，将机械能直接转化为电能并可通过整流储能电路将产生的电能收集整理，为气动系统中物联网节点供能等优势，在气动技术领域具有广阔的应用前景。

A type of piston type magnetic lifting power trapping device for high pressure pipe

The invention discloses a piston type magnetic lifting frequency piezoelectric energy harvester for high pressure pipes, which solves the problems of low efficiency and low power consumption of piezoelectric energy harvester in the current pneumatic system. The invention is composed of a high-pressure gas drive assembly, an annular piezoelectric generating module and a fastening screw, wherein the high-pressure gas drive assembly and the ring piezoelectric power generation component are fastened by fastening screws. Based on the magnetic force rising effect, the invention realizes the high amplitude vibration of the piezoelectric capture device under low frequency excitation, and significantly improves the electromechanical conversion efficiency and power of the piezoelectric capture device. The present invention has high energy utilization ratio, simple structure, low cost, the mechanical energy directly into electrical energy and energy storage through the rectifier circuit will produce electric energy collection, energy supply and other advantages for pneumatic system networking nodes, and has broad application prospects in the field of pneumatic technology.

【技术实现步骤摘要】
一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器
本专利技术涉及一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器，属于气动

技术介绍
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，人们对气动系统智能化的要求也越来越高，物联网技术在气动系统中的应用则是实现气动技术智能化的主要方式之一。目前，气动系统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系统供电线路复杂，增加系统维护的成本和困难程度；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，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。因此，需研究一种用于气动系统中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。利用压电材料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。在气动系统中，管道内的压缩气体存在巨大的能量，其也具备安全清洁可再生等优势。因此，合理利用气动系统的气体能量，结合压电材料的正压电效应将气体能量转化为电能为气动系统中物联网节点供能，可有效解决外接电路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，对提高气动系统的智能化水平具有促进作用。然而气动系统中的振动大都是低频振动，但目前大多数压电俘能器简谐振动频率较高，导致其机电转化效率低、功率小，限制了压俘能器机在气动
的发展与应用。
技术实现思路
为解决当前气动系统中物联网节点供能的压电俘能器机电转化效率低、功率小等问题，本专利技术公开一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器，为气动系统中物联网节点提供一种功率大、转化效率高的供电装置。本专利技术所采用的技术方案是：所述一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器由高压气体激励驱动组件、环形压电发电组件和紧固螺钉组成，其中高压气体激励驱动组件和环形压电发电组件通过紧固螺钉紧固连接。所述高压气体激励驱动组件包括高压气体腔、气管快速接头、活塞、弹簧、圆柱磁铁和垫圈；所述气管快速接头安装在高压气体腔两端，气管快速接头用于与外界气动元件配合，便于高压气体激励驱动组件的安装固定，所述活塞置于高压气体腔的环形凹面内，初始状态，活塞顶端与垫圈完全接触，活塞采用气密性较好的橡胶材料制成，所述活塞设置有环形凹槽和活塞底面，环形凹槽置于活塞的底端，其用于圆柱磁铁的粘接固定，所述弹簧一端作用在活塞底面，另一端置于腔体的端面，弹簧的弹力可促使活塞复位，所述垫圈外环中部设置有环形缺口，环形缺口用于与垫圈限位板配合，实现垫圈的固定，所述垫圈对活塞的运动起到缓冲作用。所述高压气体腔的末端设置有通孔Ⅰ，所述通孔Ⅰ与环形压电发电组件中腔体上方的螺纹孔Ⅰ通过紧定螺钉的作用，实现高压气体激励驱动组件与环形压电发电组件的固定，所述高压气体腔末端附近设有环形凹面，环形凹面内侧涂抹润滑油，使活塞在高压气体腔内正常运动，所述高压气体腔设置有垫圈限位板，其用于垫圈的安装。所述环形压电发电组件由腔体、发电组件Ⅰ、发电组件Ⅱ、矩形磁铁、后端盖和紧定螺钉组成，其中发电组件Ⅰ和发电组件Ⅱ胶粘固定在腔体内，矩形磁铁分别胶粘在发电组件Ⅰ的固定梁Ⅰ和发电组件II的固定梁II上，，后端盖和腔体通过紧定螺钉紧固连接。所述腔体设置有螺纹孔Ⅰ、端面、挡板、固定架Ⅰ、固定架Ⅱ和螺纹孔Ⅱ；所述螺纹孔Ⅰ周向均布在腔体上方，其用于腔体的固定，所述端面位于腔体的端部，所述挡板置于端面内侧，挡板可限制弹簧的径向运动，所述固定架Ⅰ设置有压电组件粘接面Ⅰ，其用于与发电组件Ⅰ的贴合面Ⅰ贴合，所述固定架Ⅱ设置有压电组件粘接面Ⅱ，其用于与发电组件Ⅱ的贴合面Ⅱ贴合，所述螺纹孔Ⅱ置于腔体的底端，其用于实现端盖的固定。所述发电组件Ⅰ外轮廓设置有贴合面Ⅰ，贴合面Ⅰ与压电组件粘接面Ⅰ通过环氧树脂胶粘接，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品，所述发电组件Ⅰ中心设有方形凹槽Ⅰ，方形凹槽Ⅰ一端设置有a个固定梁Ⅰ，矩形磁铁胶粘在固定梁Ⅰ上并固定在方形凹槽Ⅰ内，其中a为大于或者等于2的整数，本具体实施方式中a的取值为2，所述发电组件Ⅰ由4b个弹性基板Ⅰ组合成回转矩形结构，其上设置有压电单元Ⅰ和铰链Ⅰ，其中b为大于或者等于1的整数，本具体实施方式中b的取值为1；所述压电单元Ⅰ粘接在弹性基板Ⅰ的上下两侧，所述铰链Ⅰ对称设置在靠近弹性基板Ⅰ拐角位置，用于降低弹性基板Ⅰ的弯曲刚度，实现弹性基板Ⅰ的高幅振动，从而带动弹性基板Ⅰ两侧的压电单元Ⅰ发生形变，基于压电材料正压电效应，俘获能量；所述压电单元Ⅰ选用压电陶瓷片PZT或柔性强、韧性大的压电材料PVDF。所述发电组件Ⅱ外轮廓设置有贴合面Ⅱ，贴合面Ⅱ与压电组件粘接面Ⅰ通过环氧树脂胶粘接，所述环氧树脂胶可选用瑞士ergo公司产品，所述发电组件Ⅱ中心设有方形凹槽Ⅱ，方形凹槽Ⅱ一端设置有n个固定梁Ⅱ，矩形磁铁胶粘在固定梁Ⅱ上并固定在方形凹槽Ⅱ内，其中n为大于或者等于2的整数，本具体实施方式中n的取值为2，所述发电组件Ⅱ由4m个弹性基板Ⅱ组合成回转矩形结构，m为大于或者等于1的整数，本具体实施方式中m的取值为2，其上设置有压电单元Ⅱ和铰链Ⅱ，所述压电单元Ⅱ粘接在弹性基板Ⅱ的上下两侧，所述铰链Ⅱ对称设置在靠近弹性基板Ⅱ拐角位置，用于降低弹性基板Ⅱ的弯曲刚度，可实现弹性基板Ⅱ的高幅振动，从而带动弹性基板Ⅱ两侧的压电单元Ⅱ发生形变，基于压电材料正压电效应，俘获能量；所述压电单元Ⅱ选用压电陶瓷片PZT或柔性强、韧性大的压电材料PVDF。所述后端盖周向均匀设置有通孔Ⅱ，通孔Ⅱ与螺纹孔Ⅱ通过紧定螺钉的作用，实现腔体与后端盖的稳固连接。所述环形压电发电组件中的腔体为空心圆柱体，其内部设置的固定架Ⅰ上的压电组件粘接面Ⅰ为镂空的正方形，其最大边长为A1，A1的取值满足的范围为40~60mm，本具体实施方式中A1的取值为60mm；所述压电组件粘接面Ⅱ同为镂空正方形，其最大边长为A2，A2与A1的比值为E=A2/A1，E的取值满足的范围为1~1.5，本具体实施方式中E的取值为1.33；所述发电组件Ⅰ外轮廓的贴合面Ⅰ最大边长为B1，B1与A1的比值为F1=B1/A1，F1的取值为1；所述发电组件Ⅱ外轮廓的贴合面Ⅱ最大边长为B2，B2与A2的比值为F2=B1/A1，F2的取值为1，B2与B1的比值为G=B2/B1，G的取值满足的范围为1~1.5，本具体实施方式中G的取值为1.33。本专利技术的有益效果是：在不影响气动系统的工作情况下，利用所专利技术的用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器，以间歇工作的高压气体为动力源，驱动带有磁体的活塞，活塞靠近带有矩形磁铁的发电组件Ⅰ，二者之间有斥力作用，促使发电组件Ⅰ运动，随之激励下方带有同性磁极的发电组件Ⅱ运动，结合铰链结构、发电组件Ⅰ和发电组件Ⅱ尺寸的差异，弹性基板Ⅰ和的弹性基板Ⅱ在各自的运动频率下做高幅往复振动，实现压电单元Ⅰ和压电单元Ⅱ变形发电。本专利技术基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器，其特征在于该磁力升频压电俘能器由高压气体激励驱动组件（1）、环形压电发电组件（2）和紧固螺钉（3）组成，所述高压气体激励驱动组件（1）和环形压电发电组件（2）通过紧固螺钉（3）紧固连接；所述高压气体激励驱动组件（1）包括高压气体腔（1‑1）、气管快速接头（1‑2）、活塞（1‑3）、弹簧（1‑4）、圆柱磁铁（1‑5）和垫圈（1‑6），所述气管快速接头（1‑2）安装在高压气体腔（1‑1）两端，所述活塞（1‑3）置于高压气体腔（1‑1）的环形凹面（1‑1‑2）内，初始状态，活塞（1‑3）顶端与垫圈（1‑6）完全接触，所述活塞（1‑3）设置有环形凹槽（1‑3‑1）和活塞底面（1‑3‑2），环形凹槽（1‑3‑1）置于活塞（1‑3）的底端，所述弹簧（1‑4）一端作用在活塞底面（1‑3‑2），另一端置于腔体（2‑1）的端面（2‑1‑2），所述圆柱磁铁（1‑5）粘接固定在环形凹槽（1‑3‑1）内，所述垫圈（1‑6）外环中部设置有环形缺口（1‑6‑1），所述环形缺口（1‑6‑1）与高压气体腔（1‑1）中的垫圈限位板（1‑1‑3）配合，将垫圈（1‑6）固定在环形凹面（1‑1‑2）的顶端；所述环形压电发电组件（2）包括腔体（2‑1）、发电组件Ⅰ（2‑2）、发电组件II（2‑3）、矩形磁铁（2‑4）、后端盖（2‑5）和紧定螺钉（2‑6），其中发电组件Ⅰ（2‑2）和发电组件II（2‑3）胶粘固定在腔体（2‑1）内，矩形磁铁（2‑4）分别胶粘固定在发电组件Ⅰ（2‑2）的固定梁Ⅰ（2‑2‑3）和发电组件II（2‑3）的固定梁II（2‑3‑3）上，后端盖（2‑5）和腔体（2‑1）通过紧定螺钉（2‑6）紧固连接。...

【技术特征摘要】
1.一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器，其特征在于该磁力升频压电俘能器由高压气体激励驱动组件（1）、环形压电发电组件（2）和紧固螺钉（3）组成，所述高压气体激励驱动组件（1）和环形压电发电组件（2）通过紧固螺钉（3）紧固连接；所述高压气体激励驱动组件（1）包括高压气体腔（1-1）、气管快速接头（1-2）、活塞（1-3）、弹簧（1-4）、圆柱磁铁（1-5）和垫圈（1-6），所述气管快速接头（1-2）安装在高压气体腔（1-1）两端，所述活塞（1-3）置于高压气体腔（1-1）的环形凹面（1-1-2）内，初始状态，活塞（1-3）顶端与垫圈（1-6）完全接触，所述活塞（1-3）设置有环形凹槽（1-3-1）和活塞底面（1-3-2），环形凹槽（1-3-1）置于活塞（1-3）的底端，所述弹簧（1-4）一端作用在活塞底面（1-3-2），另一端置于腔体（2-1）的端面（2-1-2），所述圆柱磁铁（1-5）粘接固定在环形凹槽（1-3-1）内，所述垫圈（1-6）外环中部设置有环形缺口（1-6-1），所述环形缺口（1-6-1）与高压气体腔（1-1）中的垫圈限位板（1-1-3）配合，将垫圈（1-6）固定在环形凹面（1-1-2）的顶端；所述环形压电发电组件（2）包括腔体（2-1）、发电组件Ⅰ（2-2）、发电组件II（2-3）、矩形磁铁（2-4）、后端盖（2-5）和紧定螺钉（2-6），其中发电组件Ⅰ（2-2）和发电组件II（2-3）胶粘固定在腔体（2-1）内，矩形磁铁（2-4）分别胶粘固定在发电组件Ⅰ（2-2）的固定梁Ⅰ（2-2-3）和发电组件II（2-3）的固定梁II（2-3-3）上，后端盖（2-5）和腔体（2-1）通过紧定螺钉（2-6）紧固连接。2.根据权利要求1所述的一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器，其特征在于所述高压气体腔（1-1）设置有通孔Ⅰ（1-1-1）、环形凹面（1-1-2）和垫圈限位板（1-1-3），所述通孔Ⅰ（1-1-1）周向设置在高压气体腔（1-1）下方，所述环形凹面（1-1-2）靠近高压气体腔（1-1）的末端，所述垫圈限位板（1-1-3）置于环形凹面（1-1-2）顶端附近。3.根据权利要求1所述的一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器，其特征在于所述腔体（2-1）上方周向均匀设有螺纹孔Ⅰ（2-1-1），螺纹孔Ⅰ（2-1-1）与紧固螺钉（3）螺纹连接，所述腔体（2-1）顶端设置有端面（2-1-2），挡板（2-1-3）置于端面（2-1-2）内侧，挡板（2-1-3）可制约弹簧（1-4）径向运动，所述腔体（2-1）内部设置有固定架I（2-1-4）和固定架II（2-1-5），螺纹孔II（2-1-6）置于腔体（2-1）的底端；所述固定架I（2-1-4）设置有压电组件粘接面Ⅰ（2-1-4-1），所述压电组件粘接面Ⅰ（2-1-4-1）最大边长为A1，A1取值满足的范围为40~60mm；所述固定架II（2-1-5）设置有压电组件粘接面II（2-1-5-1），所述压电组件粘接面II（2-1-5-1）最大边长为A2，A2与A1的比值为E=A2/A1，E的取值满足的范围为1~1.5。4.根据权利要求1所述的一种用于高压管道的活塞式磁力升频压电俘能器，其特征在于所述发电组件Ⅰ（2-2）整...

【专利技术属性】
技术研发人员：程廷海，刘文博，包钢，王英廷，乔永禄，陈鹏飞，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22