本實用新型涉及一種多孔增流轉動柵格式壓電-電磁復合發(fā)電機，屬于低功耗電子設備供能技術領域。

背景技術：

隨著制造裝備技術的智能化水平不斷提高及其與物聯(lián)網(wǎng)技術的深度融合，大量的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點等低功耗器件在機械制造裝備領域得到廣泛應用。目前，對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進行穩(wěn)定、可靠的持續(xù)供電，是保證物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點等低功耗器件正常工作的前提。當前機械制造領域的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點等低功耗器件供能方式主要有電源直接供電和化學電池供電兩種方式。其中，電源直接供電方式導致系統(tǒng)布線復雜等問題，而化學電池供電方式則存在電池使用壽命有限、需定期更換以及環(huán)境污染等不足。因此，需研究一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點等低功耗器件供能的新型能源供給技術以解決傳統(tǒng)供能技術所帶來的諸多弊端。

利用壓電材料的正壓電效應和線圈與磁鐵間的電磁感應俘獲環(huán)境微能源轉化為電能的環(huán)境能源收集技術，由于具有能量轉換效率高、清潔無污染、使用壽命長等優(yōu)勢，成為微能源轉化與供給技術的研究熱點。氣體動能是工業(yè)生產中大量存在的能量形式，其同樣具備安全清潔可再生等優(yōu)勢。因此，合理利用工業(yè)生產環(huán)境中的氣體能量，結合壓電材料的正壓電效應和線圈與磁鐵間的電磁感應將氣體能量轉化為電能為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點等低功耗器件供能，可有效解決傳統(tǒng)電源供電帶來的布線復雜及化學電池供電帶來的需定期更換、污染環(huán)境等問題，對提高工業(yè)制造裝備技術的智能化水平具有促進作用。傳統(tǒng)的壓電發(fā)電機普遍利用工業(yè)環(huán)境中的高壓氣體直接沖擊壓電發(fā)電機來俘獲電能，使得傳統(tǒng)氣體沖擊式壓電發(fā)電機存在俘能功率小、效率低、輸出電流小的問題，限制了壓電發(fā)電機在低功耗電子設備供能技術領域的發(fā)展與應用。

技術實現(xiàn)要素：

為解決已有壓電發(fā)電機在高壓氣體直接沖擊壓電發(fā)電機俘獲電能時存在俘能功率小、效率低、輸出電流小等技術問題，本實用新型公開一種多孔增流轉動柵格式壓電-電磁復合發(fā)電機，為低功耗器件提供一種功率大、效率高、輸出電流大的供能裝置。

本實用新型所采用的技術方案是：

所述一種多孔增流轉動柵格式壓電-電磁復合發(fā)電機，其特征在于該多孔增流轉動柵格式壓電-電磁復合發(fā)電機由多孔陣列式增流裝置、轉動柵格式發(fā)電機組件和緊定螺栓Ⅰ組成，其中多孔陣列式增流裝置和轉動柵格式發(fā)電機組件通過緊定螺栓Ⅰ緊固連接；所述多孔陣列式增流裝置設置有進氣孔、環(huán)形高壓容氣腔、增流裝置螺紋連接孔、錐形吸氣端、微型射流孔和錐形氣流噴射端；所述轉動柵格式發(fā)電機組件包括風扇支撐架、壓電發(fā)電組件安裝架、壓電發(fā)電組件、轉軸、磁鐵組件、線圈、軸承Ⅰ、緊定螺栓Ⅱ、軸承Ⅱ和風扇，風扇支撐架和多孔陣列式增流裝置通過緊定螺栓Ⅱ進行螺紋連接。

所述多孔陣列式增流裝置中進氣孔位于環(huán)形高壓容氣腔的圓柱表面上，所述增流裝置螺紋連接孔與緊定螺栓Ⅰ螺紋連接，所述錐形吸氣端位于多孔陣列式增流裝置的端面，所述微型射流孔位于環(huán)形高壓容氣腔的壓縮氣體噴射端面，所述微型射流孔緊貼多孔陣列式增流裝置的排氣端壁面，所述錐形氣流噴射端位于多孔陣列式增流裝置的排氣端。

所述轉動柵格式發(fā)電機組件中風扇支撐架與轉軸通過螺紋連接，所述風扇支撐架設置有進氣口，進氣口位于風扇支撐架端面，所述風扇支撐架設置有軸承安裝孔Ⅰ用于軸承Ⅱ的軸向定位，所述風扇支撐架設置有風扇支撐架連接孔，緊定螺栓Ⅱ與風扇支撐架連接孔螺紋配合，所述的風扇支撐架設置有增流裝置連接孔與緊定螺栓Ⅰ螺紋配合；所述的壓電發(fā)電組件安裝架設置有壓電發(fā)電組件安裝架連接孔，用于固定安裝壓電發(fā)電組件安裝架，所述的壓電發(fā)電組件安裝架設置有彈性基板固定槽與壓電發(fā)電組件緊固連接，所述的壓電發(fā)電組件安裝架設置有壓電發(fā)電端出氣口，壓電發(fā)電端出氣口位于壓電發(fā)電組件安裝架側面；所述壓電發(fā)電組件由彈性基板和壓電元件組成，所述彈性基板與壓電元件粘接；所述轉軸設置定位軸肩Ⅰ，用于軸承Ⅱ的軸向定位，所述轉軸設置有定位軸肩Ⅱ，用于軸承Ⅰ的軸向定位，所述轉軸設置有轉軸螺紋孔與所述磁鐵組件上的緊固螺釘配合連接；所述磁鐵組件設置有磁鐵和磁鐵固定架，磁鐵粘接磁鐵固定架，所述磁鐵由n塊不同極性的扇形磁鐵沿圓周間隔分布組成，n為大于1的正整數(shù)，所述磁鐵組件設置有緊固螺釘與轉軸螺紋孔配合連接；所述線圈粘接在壓電發(fā)電組件安裝架底部，所述線圈由m個扇形線圈組成，m為大于等于1的正整數(shù)；所述軸承Ⅰ安裝在壓電發(fā)電組件安裝架上，所述軸承Ⅰ與轉軸配合連接；所述軸承Ⅱ安裝在風扇支撐架上，所述軸承Ⅱ與轉軸配合連接；所述風扇通過螺紋配合固定在轉軸上。

本實用新型的有益效果是：在不影響工業(yè)生產的工作情況下，利用所發(fā)明的多孔陣列式增流裝置對小流量高壓氣體流量放大，所放大的流量通過錐形氣流噴射端噴出，激勵轉動柵格式發(fā)電機組件，使內部壓電發(fā)電組件產生彎曲形變，同時使風扇帶動磁鐵旋轉，線圈在變化的磁場中產生感應電流，提高發(fā)電裝置的俘能效率，以達到利用放大氣流進行能量收集與電能的轉化效果。本實用新型具有利用高壓小流量氣體進行氣體流量放大的效果，并兼具充分利用放大的氣體流量進行壓電能量收集和電磁能量收集的技術優(yōu)勢，在低功耗電子設備供能技術領域具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1所示為本實用新型提出的一種多孔增流轉動柵格式壓電-電磁復合發(fā)電機的結構示意圖；

圖2所示為本實用新型提出的多孔陣列式增流裝置剖視圖；

圖3所示為本實用新型提出的錐形吸氣端剖視圖；

圖4所示為本實用新型提出的微型射流孔結構剖視圖；

圖5所示為本實用新型提出的錐形氣流噴射端剖視圖；

圖6所示為本實用新型提出的轉動柵格式發(fā)電機組件結構示意圖；

圖7所示為本實用新型提出的風扇支撐架主視圖；

圖8所示為本實用新型提出的風扇支撐架剖視圖；

圖9所示為本實用新型提出的壓電發(fā)電組件安裝架剖視圖；

圖10所示為本實用新型提出的壓電發(fā)電組件結構示意圖；

圖11所示為本實用新型提出的轉軸結構示意圖；

圖12所示為本實用新型提出的磁鐵組件結構剖視圖；

圖13所示為本實用新型提出的磁鐵分布示意圖；

圖14所示為本實用新型提出的線圈結構示意圖。

具體實施方式

結合圖1~圖14說明本實施方式。本實施方式提供了一種多孔增流轉動柵格式壓電-電磁復合發(fā)電機的具體實施方案。所述一種多孔增流轉動柵格式壓電-電磁復合發(fā)電機由多孔陣列式增流裝置1、轉動柵格式發(fā)電機組件2和緊定螺栓Ⅰ3組成，其中多孔陣列式增流裝置1與轉動柵格式發(fā)電機組件2通過緊定螺栓Ⅰ3緊固連接。

所述的多孔陣列式增流裝置1設置有進氣孔1-1、環(huán)形高壓容氣腔1-2、增流裝置螺紋連接孔1-3、錐形吸氣端1-4、微型射流孔1-5、錐形氣流噴射端1-6，所述的進氣孔1-1位于環(huán)形高壓容氣腔1-2的圓柱表面上，壓縮氣體通過進氣孔1-1進入環(huán)形高壓容氣腔1-2；所述多孔陣列式增流裝置1設置有增流裝置螺紋連接孔1-3，所述增流裝置螺紋連接孔1-3與緊定螺栓Ⅰ3螺紋連接；所述多孔陣列式增流裝置1設置有錐形吸氣端1-4，所述錐形吸氣端1-4位于多孔陣列式增流裝置1的左端，誘導氣體由錐形吸氣端1-4進入多孔陣列式增流裝置1；所述多孔陣列式增流裝置1設置有微型射流孔1-5，所述微型射流孔1-5位于環(huán)形高壓容氣腔1-2的壓縮氣體噴射端面，所述微型射流孔1-5緊貼多孔陣列式增流裝置1的排氣端壁面，壓縮氣體經(jīng)由微型射流孔1-5噴出環(huán)形高壓容氣腔1-2；所述多孔陣列式增流裝置1設置有錐形氣流噴射端1-6，混合氣體經(jīng)由錐形氣流噴射端1-6噴出多孔陣列式增流裝置1。

所述轉動柵格式發(fā)電機組件2包括風扇支撐架2-1、壓電發(fā)電組件安裝架2-2、壓電發(fā)電組件2-3、轉軸2-4、磁鐵組件2-5、線圈2-6、軸承Ⅰ2-7、緊定螺栓Ⅱ2-8、軸承Ⅱ2-9和風扇2-10。所述轉動柵格式發(fā)電機組件2中風扇支撐架2-1用于支撐風扇，所述風扇支撐架2-1設置有進氣口2-1-1，進氣口2-1-1貫穿風扇支撐架2-1，混合氣體經(jīng)由進氣口2-1-1進入轉動柵格式發(fā)電機組件2，作用在壓電元件2-3-2上，使壓電元件2-3-2產生形變，實現(xiàn)混合氣體的能量俘獲。所述風扇支撐架2-1設置有軸承安裝孔Ⅰ2-1-2用于軸承Ⅱ2-9的軸向定位，所述風扇支撐架2-1設置有風扇支撐架連接孔2-1-3，風扇支撐架連接孔2-1-3與緊定螺栓Ⅱ2-8螺紋配合，用于固定壓電發(fā)電組件安裝架2-2，所述的風扇支撐架2-1設置有增流裝置連接孔2-1-4與緊定螺栓Ⅰ3螺紋配合，用于連接多孔陣列式増流裝置1。所述的壓電發(fā)電組件安裝架2-2設置有壓電發(fā)電組件安裝架連接孔2-2-1，用于固定風扇支撐架2-1，所述的壓電發(fā)電組件安裝架2-2設置有彈性基板固定槽2-2-2與壓電發(fā)電組件2-3配合連接，實現(xiàn)彈性基板固定槽2-2-2的固定，所述的壓電發(fā)電組件安裝架2-2設置有壓電發(fā)電端出氣口2-2-4，壓電發(fā)電端出氣口2-2-4位于壓電發(fā)電組件安裝架2-2側面，混合氣體經(jīng)由壓電發(fā)電端出氣口2-2-4排出轉動柵格式發(fā)電機組件2。所述壓電發(fā)電組件2-3由彈性基板2-3-1和壓電元件2-3-2組成，所述彈性基板2-3-1與壓電元件2-3-2粘接，本具體實施方式中采用環(huán)氧樹脂膠粘接固定。所述轉軸2-4設置定位軸肩Ⅰ2-4-1，用于軸承Ⅱ2-9的軸向定位，所述轉軸2-4設置有定位軸肩Ⅱ2-4-2，用于軸承Ⅰ2-7的軸向定位，所述轉軸2-4設置有轉軸螺紋孔2-4-3，所述轉軸螺紋孔2-4-3通過與緊固螺釘2-5-3配合，用于固定磁鐵組件2-5；所述磁鐵組件2-5設置有扇形磁鐵2-5-1，所述扇形磁鐵2-5-1粘接在磁鐵固定架2-5-2上，所述磁鐵2-5-1由n塊沿圓周間隔分布的扇形磁鐵組成，n為大于1的正整數(shù)，磁鐵2-5-1與轉軸2-4同步轉動在線圈2-6中產生變化的磁場，所述磁鐵組件2-5設置有緊固螺釘2-5-3，所述緊固螺釘2-5-3與轉軸螺紋孔2-4-3配合連接，實現(xiàn)磁鐵組件2-5與轉軸2-4的緊固連接。所述線圈2-6粘接在壓電發(fā)電組件安裝架2-2底部，本具體實施方式中采用環(huán)氧樹脂膠粘接固定，所述線圈2-6由m個扇形線圈組成，m為大于等于1的正整數(shù)，線圈2-6切割磁感線產生電流；所述軸承Ⅰ2-7安裝在壓電發(fā)電組件安裝架2-2上，所述軸承Ⅰ2-7與轉軸2-4配合連接；所述軸承Ⅱ2-9安裝在風扇支撐架2-1上所述軸承Ⅱ2-9與轉軸2-4配合連接；所述風扇2-10通過螺紋配合固定在轉軸2-4上，用于帶動轉軸2-4轉動。

所述的多孔陣列式增流裝置1，其特征在于進氣孔1-1的直徑D₃與錐形吸氣端1-4的最大直徑D₁之間的比值為O=D₃/D₁，O的取值滿足的范圍為0.2~0.6，本具體實施方式中O的取值為0.3；進氣孔1-1直徑D₃與錐形氣流噴射端1-6的最小直徑D₂之間的比值為G=D₃/D₂，G的取值滿足的范圍為0.2~0.4，本具體實施方式中G的取值為0.2；進氣孔1-1中心與錐形吸氣端1-4的直線距離L₁和進氣孔1-1中心與錐形氣流噴射端1-6直線距離L₂之間的比值為F=L₁/L₂，F(xiàn)的取值滿足的范圍為0.5~1，本具體實施方式中F的取值為0.6；多孔陣列式增流裝置1中的錐形吸氣端1-4的最大直徑為D₁，垂直于D₁方向的圓錐夾角為θ，θ的取值滿足的范圍為0~60°，本具體實施方式中θ的取值為30°；錐形氣流噴射端1-6的最小直徑為D₂，垂直于D₂方向的錐形夾角為α，α的取值滿足的范圍為0~20°，本具體實施方式中α的取值為15°；微型射流孔1-5的直徑d與進氣孔1-1直徑D₃的比值為J=d/D₃，J的取值滿足的范圍為0.05~0.1，本具體實施方式中J的取值為0.08。

所述的轉動柵格式發(fā)電機組件2中的壓電元件2-3-2選用壓電陶瓷片PZT或柔性強韌性壓電材料PVDF，所述壓電元件2-3-2可以是美國精量電子(深圳)有限公司的壓電材料產品。

工作原理：壓電材料的正壓電效應和線圈與磁鐵間的電磁感應可以將氣體的沖擊能量轉化為電能，本實用新型所設計的一種多孔增流轉動柵格式壓電-電磁復合發(fā)電機可在小流量高壓氣體的作用下誘導外界空氣進行定向流動，基于氣體間粘性作用力的影響，可將誘導后的外界空氣進行增速，在氣體增速后從錐形氣流噴射端流出并激勵與多孔陣列式增流裝置相連接的轉動柵格式發(fā)電機組件進行電能的轉化。本實用新型的技術優(yōu)勢在于多孔陣列式增流裝置具有多個微型射流孔，微型射流孔可將高壓氣體以極快的速度噴出，快速流動的氣體會造成裝置內的局部低壓，因外界氣壓大于裝置內部氣壓，為平衡氣壓差會有大量的空氣被吸進多孔陣列式增流裝置，以此達到增流效果。轉動柵格式發(fā)電機組件的技術優(yōu)勢在于高速氣體吹動風扇帶動轉軸旋轉，帶動固定在轉軸末端的磁鐵一同旋轉，致使位于壓電發(fā)電組件安裝架底部的線圈中產生變化的磁場進行氣體能量向電能的轉化，多孔陣列式增流裝置可有效的提高風扇轉動速度，提高電磁發(fā)電效率。同時由于彈性基板柵格之間留有微小空隙，在高速氣體通過空隙時會引發(fā)振動，粘接彈性基板上的壓電元件在振動的影響下再一次進行氣體能量向電能的轉化，提高電能轉化效率。

綜合以上所述內容，本實用新型設計一種多孔增流轉動柵格式壓電-電磁復合發(fā)電機，可將氣體流量放大，并對放大流量的氣體進行壓電-電磁能量收集，可顯著提高壓電發(fā)電機的功率。對提高工業(yè)制造裝備技術的智能化水平具有促進作用。