本发明公开了钹型压电元件外置式发电气缸，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。所述压电发电装置由腔体端盖、活塞、发电组件及腔体组成。发电组件在压缩空气的气体冲击力以及气体压力的作用下受到活塞挤压，使钹型压电元件产生机械形变，并在低压时进行复位，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，可通过整流储能电路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。
1.钹型压电元件外置式发电气缸，其特征在于：所述钹型压电元件外置式发电气缸由气缸（1）和压电发电装置（2）组成，所述气缸（1）为普通双作用气缸，所述气缸（1）后端盖中心位置设有内螺纹一（1-1），所述压电发电装置（2）包括腔体端盖（2-1）、活塞（2-2）、发电组件（2-3）及腔体（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一（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（2-1-1）结构，其用于实现气缸（1）与压电发电装置（2）之间的气体流通，所述腔体端盖（2-1）另一侧端部设有外螺纹二（2-1-3），其用于与腔体（2-4）的内螺纹二（2-4-1）旋合连接，以实现腔体端盖（2-1）与腔体（2-4）紧固连接，所述活塞（2-2）外圆周设有环形凹槽（2-2-2），其用于实现活塞中密封环（2-2-1）的安装布置，所述密封环（2-2-1）安装于环形凹槽（2-2-2）中，以实现活塞（2-2）与腔体（2-4）的密封连接，活塞（2-2）一侧与发电组件（2-3）一侧胶粘连接，所述腔体（2-4）开口端设有内螺纹二（2-4-1），其用于与腔体端盖（2-1）的外螺纹二（2-1-3）旋合连接，所述腔体（2-4）内部中心位置设有内部容腔（2-4-2），用于活塞（2-2）和发电组件（2-3）的安装布置，腔体（2-4）的底部端面（2-4-4）与发电组件（2-3）胶粘连接，腔体（2-4）内部底端设有导线孔（2-4-3）。
2.根据权利要求1所述的钹型压电元件外置式发电气缸，其特征在于：所述发电组件（2-3）为一种单层发电组件，由一个钹型压电元件组成，其具体结构包括金属帽（2-3-1）和圆形压电陶瓷（2-3-2），圆形压电陶瓷（2-3-2）两端分别与金属帽（2-3-1）胶粘连接；发电组件（2-3）一侧与活塞（2-2）一侧胶粘连接，以实现单层发电组件（2-3）与活塞（2-2）的紧固连接，发电组件（2-3）另一侧与腔体（2-4）内部的底部端面（2-4-4）胶粘连接，以实现发电组件（2-3）与腔体（2-4）的紧固连接，发电组件（2-3）与腔体（2-4）内壁留有空隙，避免发电组件（2-3）变形后与腔体（2-4）内壁干涉。
3.根据权利要求1所述的钹型压电元件外置式发电气缸，其特征在于：所述发电组件（2-3）为一种多层发电组件，由p个钹型压电元件在竖直方向上阵列组成，p为大于1的正整数,其中心全部在一条直线上，所述发电组件（2-3）一侧与活塞（2-2）一侧胶粘连接，以实现发电组件（2-3）与活塞（2-2）的紧固连接，发电组件（2-3）另一侧与腔体（2-4）内部的底部端面（2-4-4）胶粘连接，以实现发电组件（2-3）与腔体（2-4）的紧固连接，所述发电组件（2-3）中每个钹型压电元件之间胶粘连接，所述发电组件（2-3）与腔体（2-4）内壁留有空隙，避免发电组件（2-3）变形后与腔体（2-4）的内壁干涉。
4.根据权利要求1所述的钹型压电元件外置式发电气缸，其特征在于：所述发电组件（2-3）为一种单层阵列发电组件，由n个钹型压电元件在同一平面阵列组成，n为大于1的正整数，所述发电组件（2-3）一侧与活塞（2-2）一侧胶粘连接，以实现发电组件（2-3）与活塞（2-2）的紧固连接，发电组件（2-3）另一侧与腔体（2-4）内部的底部端面（2-4-4）胶粘连接，以实现发电组件（2-3）与腔体（2-4）的紧固连接，所述发电组件（2-3）中钹型压电元件均匀分布在同一平面上，彼此之间留有空隙，避免发电组件（2-3）变形后彼此干涉，所述发电组件（2-3）中钹型压电元件与腔体（2-4）内壁留有空隙，避免发电组件（2-3）变形后与腔体（2-
5.根据权利要求1所述的钹型压电元件外置式发电气缸，其特征在于：所述发电组件（2-3）为一种多层阵列发电组件，由m个单层阵列发电组件在竖直方向上阵列组成，m为大于
1的正整数，所述发电组件（2-3）一侧与活塞（2-2）一侧胶粘连接，以实现发电组件（2-3）与活塞（2-2）的紧固连接，发电组件（2-3）另一侧与腔体（2-4）内部的底部端面（2-4-4）胶粘连接，以实现发电组件（2-3）与腔体（2-4）的紧固连接，所述发电组件（2-3）中钹型压电元件竖直阵列均匀分布在腔体（2-4）同一平面上，彼此之间留有空隙，避免发电组件（2-3）变形后彼此干涉，所述发电组件（2-3）中钹型压电元件竖直阵列与腔体（2-4）的内壁留有空隙，避免发电组件（2-3）变形后与腔体（2-4）的内壁干涉。
钹型压电元件外置式发电气缸
技术领域
[0001] 本发明涉及一种钹型压电元件外置式发电气缸，属于气动技术领域。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 由于气动系统本身能量大，俘获气动系统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
[0004] 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，本发明公开一种钹型压电元件外置式发电气缸。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：所述钹型压电元件外置式发电气缸由气缸和压电发电装置组成；所述气缸可为普通双作用气缸；所述气缸后端盖中心位置设有内螺纹一；所述压电发电装置包括腔体端盖、活塞、发电组件及腔体；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一旋合连接，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结构，其用于实现气缸中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，其用于与腔体的内螺纹二旋合连接，以实现腔体端盖与腔体紧固连接，所述活塞中间部分设有环形凹槽，用于实现活塞中密封环的安装布置，所述密封环安装于环形凹槽中，以实现活塞与腔体的密封连接，活塞一侧与发电组件一侧胶粘连接，所述腔体开口端设有内螺纹二，其用于与腔体端盖的外螺纹二旋合连接，所述腔体内部中心位置设有内部容腔，用于活塞和发电组件的安装布置，腔体的底部端面与发电组件胶粘连接，腔体内部底端设有导线孔。
[0006] 所述发电组件为单层发电组件或多层式发电组件或单层阵列发电组件或多层阵列发电组件；单层发电组件由一个钹型压电元件组成，其具体结构包括金属帽和圆形压电陶瓷，圆形压电陶瓷两端分别与金属帽胶粘连接;发电组件一测与活塞一侧胶粘连接，以实现单层发电组件与活塞的紧固连接，发电组件另一侧与腔体内部的底部端面胶粘连接，以实现发电组件与腔体的紧固连接，发电组件与腔体内壁留有空隙，避免发电组件变形后与腔体内壁干涉；多层发电组件由p个钹型压电元件在竖直方向上阵列组成，p为大于1的正整数，其中心全部在一条直线上，所述发电组件一侧与活塞一侧胶粘连接，以实现发电组件与活塞的紧固连接，发电组件另一侧与腔体内部的底部端面胶粘连接，以实现发电组件与腔体的紧固连接，所述发电组件中每个钹型压电元件之间胶粘连接，所述发电组件与腔体内壁留有空隙，避免发电组件变形后与腔体的内壁干涉。
[0007] 所述发电组件为一种单层阵列发电组件，由n个钹型压电元件在同一平面阵列组成，n为大于1的正整数，所述发电组件一侧与活塞一侧胶粘连接，以实现发电组件与活塞的紧固连接，发电组件另一侧与腔体内部的底部端面胶粘连接，以实现发电组件与腔体的紧固连接，所述发电组件中钹型压电元件均匀分布在同一平面上，彼此之间留有空隙，避免发电组件变形后彼此干涉，所述发电组件中钹型压电元件与腔体内壁留有空隙，避免发电组件变形后与腔体内壁干涉。
[0008] 所述发电组件为一种多层阵列发电组件，由m个单层阵列发电组件在竖直方向上阵列组成，m为大于1的正整数，所述发电组件一侧与活塞一侧胶粘连接，以实现发电组件与活塞的紧固连接，发电组件另一侧与腔体内部的底部端面胶粘连接，以实现发电组件与腔体的紧固连接，所述发电组件中钹型压电元件竖直阵列均匀分布在腔体同一平面上，彼此之间留有空隙，避免发电组件变形后彼此干涉，所述发电组件中钹型压电元件竖直阵列与腔体的内壁留有空隙，避免发电组件变形后与腔体的内壁干涉。
[0009] 本发明的有益效果是：本发明可俘获压缩气体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、保压过程发电和复位过程发电。冲击发电，即气缸由后端盖气孔流入的气体，一部分通过腔体端盖一侧端部的通孔进入压电发电装置，另一部分留在气缸，进入发电装置中的气流直接冲击活塞使发电组件产生形变，从而产生电能；保压过程发电，即当压缩气体推动活塞使气缸正常运动时，运动过程中产生的压力波动使发电组件产生形变，当气缸内气压达到稳态时，气体压力使发电组件形变达到最大从而产生最大电量；复位发电，即在排气阶段腔内压力迅速减小使发电组件复位，复位过程中发电组件产生负向电压，当负向电压降至为零时即完成一个周期的发电过程。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
[0010] 图1 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸结构示意图；
[0011] 图2 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸中气缸的结构示意图；
[0012] 图3 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸中压电发电装置的剖视图；
[0013] 图4 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸中腔体端盖的剖视图；
[0014] 图5 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸中活塞的剖视图；
[0015] 图6 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸中单层发电组件的剖视图；
[0016] 图7 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸中腔体的剖视图；
[0017] 图8 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸中多层发电组件的剖视图；
[0018] 图9 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸中单层阵列发电组件的剖视图；
[0019] 图10 所示为本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸中多层阵列发电组件的剖视图。
具体实施方式
[0020] 具体实施方式一：结合图1 图7说明本实施方式。~
[0021] 本实施方式提供一种钹型压电元件外置式发电气缸的具体实施方案。所述钹型压电元件外置式发电气缸由气缸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一1-1；所述压电发电装置2包括腔体端盖2-1、活塞2-2、发电组件2-3及腔体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一1-1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2-1-1结构，其用于实现气缸1与压电发电装置2之间的气体流通；所述腔体端盖2-1另一侧端部设有外螺纹二2-1-3，其用于与腔体2-4的内螺纹二2-4-1旋合连接，以实现腔体端盖2-1与腔体2-4紧固连接；所述活塞2-2外圆周设有环形凹槽2-2-2，其用于实现活塞中密封环2-2-1的安装布置；所述密封环2-2-1安装于环形凹槽2-2-2中，以实现活塞2-2与腔体2-4的密封连接；活塞2-2一端通过环氧树脂胶与发电组件2-3一端胶粘连接；所述腔体2-4开口端设有内螺纹二2-4-1，其用于与腔体端盖2-1的外螺纹二2-1-3旋合连接；所述腔体2-4内部中心位置设有内部容腔2-4-2，用于活塞2-2和发电组件2-3的安装布置；腔体2-4的底部端面2-4-4与发电组件2-3通过环氧树脂胶胶粘连接；腔体2-4内部底端设有导线孔2-4-3，其用于实现发电组件2-3导线的引出。
[0022] 所述发电组件2-3为一种单层发电组件，由一个钹型压电元件组成，其具体结构包括金属帽2-3-1与圆形压电陶瓷2-3-2，圆形压电陶瓷2-3-2两端分别与金属帽2-3-1通过环氧树脂胶胶粘连接;发电组件2-3一端与活塞2-2一端通过环氧树脂胶胶粘连接；以实现发电组件2-3与活塞2-2的紧固连接；发电组件2-3另一端与腔体2-4内部的底部端面2-4-4通过环氧树脂胶胶粘连接，以实现发电组件2-3与腔体2-4的紧固连接，发电组件2-3与腔体2-4内壁留有空隙，避免发电组件2-3变形后与腔体2-4内壁干涉。
[0023] 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活塞2-2上表面，活塞2-2挤压发电组件2-3产生形变，从而激发电组件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活塞2-2施加交变的作用力，使发电组件2-3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发电组件2-3的发电量；在低压时发电组件2-3复位，复位过程中发电组件2-3仍有电能输出。本发明提出的钹型压电元件外置式发电气缸的发电过程可分为三个阶段：冲击过程发电、保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，一部分通过腔体端盖2-1一侧端部的通孔2-1-1进入压电发电装置2，另一部分留在气缸1，进入发电装置2中的气流直接冲击活塞2-2使发电组件2-3产生形变，从而产生电能；保压发电阶段，随着进入气缸1气体量的增加，压缩空气推动活塞使气缸1正常运动，活塞运动时气缸1和压电发电装置2内会产生不稳定的气体波动，不断地对活塞2-2施加交变的作用力，使发电组件2-3产生反复的形变，当气缸1内气压达到稳态时，发电组件2-3产生形变达到最大，发电组件2-3产生最大的正向电压；复位发电阶段，在气缸1处于后端盖气孔排气时，气体通过腔体端盖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，发电组件2-3进行复位，从而有负电输出，当负向电压减小为零时，本发明完成了一个周期的发电过程。重复上述工作过程，可实现本发明的连续发电。
[0024] 具体实施方式二：结合图4、图5、图7和图8说明本实施方式。
[0025] 本实施方式提供另一种钹型压电元件外置式发电气缸的具体实施方案。其结构组成和连接方式与具体实施方式一相同，不同之处在于所述发电组件2-3为一种多层发电组件，由p个钹型压电元件在竖直方向上阵列组成，p为大于1的正整数，其中心全部在一条直线上，所述发电组件2-3一端与活塞2-2一端通过环氧树脂胶胶粘连接；以实现发电组件2-3与活塞2-2的紧固连接；发电组件2-3另一端与腔体2-4内部的底部端面2-4-4通过环氧树脂胶胶粘连接，以实现发电组件2-3与腔体2-4的紧固连接；所述发电组件2-3中每个钹型压电元件之间通过环氧树脂胶胶粘连接，所述发电组件2-3与腔体2-4内壁留有空隙，避免发电组件变形后与腔体2-4的内壁干涉。
[0026] 本实施方式的发电原理与具体实施方式一的发电原理相同。
[0027] 具体实施方式三：图4、图5、图7和图9说明本实施方式。
[0028] 本实施方式提供另一种钹型压电元件外置式发电气缸的具体实施方案。其结构组成和连接方式与具体实施方式一相同，不同之处在于所述发电组件2-3为一种单层阵列发电组件，由n个钹型压电元件在同一平面阵列组成，n为大于1的正整数，所述发电组件2-3一端与活塞2-2一端通过环氧树脂胶胶粘连接；以实现发电组件2-3与活塞2-2的紧固连接；发电组件2-3另一端与腔体2-4内部的底部端面2-4-4通过环氧树脂胶胶粘连接，以实现发电组件2-3与腔体2-4的紧固连接；所述发电组件2-3中钹型压电元件均匀分布在同一平面上，彼此之间留有空隙，避免发电组件2-3变形后彼此干涉，所述发电组件2-3中钹型压电元件与腔体2-4内壁留有空隙，避免发电组件2-3变形后与腔体2-4内壁干涉。
[0029] 本实施方式的具体发电原理与具体实施方式一的发电原理相同。
[0030] 具体实施方式四：图4、图5、图7和图10说明本实施方式。
[0031] 本实施方式提供另一种钹型压电元件外置式发电气缸的具体实施方案。其结构组成和连接方式与具体实施方式一相同，不同之处在于所述发电组件2-3为一种多层阵列发电组件，由m个单层阵列发电组件在竖直方向上阵列组成，m为大于1的正整数，所述发电组件2-3一端与活塞2-2一端通过环氧树脂胶胶粘连接；以实现发电组件2-3与活塞2-2的紧固连接；发电组件2-3另一端与腔体2-4内部的底部端面2-4-4通过环氧树脂胶胶粘连接，以实现发电组件2-3与腔体2-4的紧固连接；所述发电组件2-3中钹型压电元件竖直阵列均匀分布在腔体2-4同一平面上，彼此之间留有空隙，避免发电组件2-3变形后彼此干涉，所述发电组件2-3中钹型压电元件竖直阵列与腔体2-4的内壁留有空隙，避免发电组件2-3变形后与腔体2-4的内壁干涉。
[0032] 本实施方式的具体发电原理与具体实施方式一的发电原理相同。
