基于压电与直线发电机在楼梯设计的改良应用*

宋雷震 吕东芳

(1淮南联合大学智能制造学院；2淮南联合大学信息工程学院 安徽淮南 232001)

根据人类行走时所做的功，人体的行走特点，设计一套发电系统，并对系统各个组成部分进行具体的设计，根据理论计算分析各个部分的结构特点，通过小型实验证明该系统的可行性，并对国内外的相关产品现状调研，设计创新出有效、可行的设计方案。根据设计方案，实际制造小型实验系统，通过实验，测得各个部分运行的特性及最佳的运行行程、方案布局、发电机设计等，与设计方案理论数据相对比，进而证明该系统是创新、有效、可行的设计。最后等比例实物制造[1]，在试用中发现问题，改进设计，为该系统的推广奠定基础。

1研制背景及意义

随着人类对电能的大量需求的同时，人们也发现要利用太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能等新型能源来减少甚至代替不可再生资源的利用。但人类自己产生的机械能，例如行走，白白将产生的机械能通过摩擦力、热能等形式浪费掉了。人们每次上下楼梯时都会克服自身重力来消耗机械能，而国内楼梯一般设计规范是楼梯踏步宽度应≥260mm，踏步高度≤175mm。假设一个体重60kg的人住在不配备电梯的小区三楼，小区每节楼梯约10级台阶，因此一次上下楼共踩了80个台阶，那么消耗了约3 600J的机械能。现在也有通过压电陶瓷或发电机来产生电能的地板，但是效率都不高，并不适用于楼梯。该设计为楼梯发电装置，在很大程度上回收行人平常上下楼梯消耗的机械能，该设计楼梯采用宽300mm，高150mm的台阶，一级台阶两个发电机组，一个发电机组拥有6个直线发电机，两块压电元件(见图1)。行人上下楼梯时能踩下12个电机、四块压电元件工作，而直线发电机一个来回约产生10瓦的电能，压电元件的瞬时形变也可产生约0.3瓦的电能。经计算当发电机组内部的齿条下沉1cm时经过增速齿轮带动后一个电机约能产生25瓦的电能，即一个发电机组约产生360瓦电能，因此行人一步能产生约722瓦的电能。设天桥的一级台阶每天有100人走过，及每天一级台阶可产生72 200瓦的电能。假设行人踩踏到发电机工作的过程时间为2s，这约能产生12度电。因此该设计有着很大的潜在价值。此装置在环保的同时能根据每天行人的数量和步数来产生相应的电能供路边的电子设备使用。这一定程度上节省了给电子设备供电的能源并使行人步行时的能量得以回收，且可以不同的方式回收，以达到回收效率最大化。此装置安装方便快捷适用于多种地形，具有较好的研究意义和实用价值，详见图1。

受力前

受力后

1-踏板； 2-发电机组外壳边缘；3-支撑顶边缘

图1 设计方案图示

2系统主要组成结构

2.1整体结构

由地板、圆筒型直线发电机、齿轮组、压电元件、空气弹簧及全桥电路、蓄电池、固定装置构成，如图2所示。

图2 楼梯设计图

根据台阶宽度、高度等限制，通常一级台阶可集成了两个发电装置，该装置分两部分来实现复合发电，第一部分由发电机组发电：当受力时，齿条会向下移动，经过齿轮间的二级加速来带动齿轮的连杆使发电机(为一种直线发电机，内部由动子、定子组成，如图1)运动，导致中间的动子上下运动被定子绕组切割磁力线，产生感应电压发电；第二部分由压电元件发电，当踏板受力下陷后，地板下端的压电元件便会受到形变而发电[2]，见图3。

图3 整体结构

2.2分部结构-圆筒型直线发电机

2.2.1圆筒型直线发电机 圆筒型直线发电机如图4所示。

图4 圆筒型直线发电机

(1)定子：由定子铁芯和定子线圈(见图5)构成。铁芯呈圆筒形，由硅钢制成，硅钢片导磁性好以便减少齿槽效应和减少涡流损耗，保证电机的效率达到最高。圆筒内圆柱面有多个圆环形槽和定子槽齿，这些槽用来嵌装定子线圈，齿来引导磁力线，降低磁阻。定子线圈为环形结构，线圈所在的平面与定子轴线垂直，线圈中间约和动子磁铁有1mm的距离来产生气隙磁场，也保证动子正常进行上下往返运动，以达到线圈切割磁力线的作用。该电机设计了6个环形槽及拥有5个槽齿，来对应动子的4个永磁体，并用5个隔磁材料隔开,并优化了槽和槽齿的宽度，以达到电机发电最理想的状态[3]。

(2)动子：由永磁铁(图5中的5、6)、固定轴(图5中的3)和隔磁材料(图5中的4)构成。通过利用永磁的材料来产生磁场，因为永磁体本身具有磁性，无需额外装置，靠本身就可以在周围产生磁场，因此优于用励磁线圈来产生磁场。构成动子磁极的永磁体磁通方向都是垂直与电机轴线的，也就是径向发出磁通。设定2个蓝色磁极的磁通方向背离轴线的，2个红色磁极的磁通方向是朝向轴线的，且两个颜色不同的磁体间隔排列，为保证两磁体磁通的正确走向，在两磁体间用和线圈同宽的隔磁材料(白)阻隔。假设蓝色为N-S极，红色为S-N极，白色为隔磁材料(见图6)。磁通进入有导磁作用的铁芯后，便沿着槽齿流向相邻的槽齿，再回归S极。此时形成了一个闭合回路。通过磁通的流动方向可知，磁通流动形成平面与该发电机的定子绕组形成的平面是相互垂直的[4]，符合直线发电机的特性。

图5 断面图示

图6 断面图和整体图

2.2.2增速度齿轮箱 增速度齿轮箱如图7和图8所示。齿轮组由齿条、驱动轴、驱动齿、单向轴承、传动齿、增速齿、连动齿构成。驱动齿、传动齿、增速齿1、增速齿2和连动齿的半径比为1：6：1：4：3。双面齿条的上端与支撑体固定连接，固定轴3上有驱动齿、单向轴承(见图9)和传动齿，且驱动齿和固定轴不固定，而单向轴承和传动齿与固定轴固定。齿条与驱动齿啮合，驱动齿和单向轴承外圈固定，单向轴承内圈和固定轴固定，传动齿和增速齿1啮合(增速齿由驱动轴6固定)，增速齿2和拥有连杆结构的齿轮啮合，连杆和连接电机动子的轻板连接。因为齿条为两面，因此齿条另一面和该面结构相同，来增加装置的效率。当齿条受力向下运动时，齿条带动驱动齿运动，驱动齿带动单向轴承咬合后，带动固定轴转动，进而带动传动轮动，然后带动增速齿1运动，导致增速齿2带动连杆齿轮运动，使发电机动子上下往复运动来发电，齿条另一面相同动作。当人离开踏板后，齿轮条下端被空气弹簧顶起，使齿条向上运动，带动驱动齿反向运动，但因为使用了单向齿轮，后面齿轮不会随着驱动齿运动而运动，使电机依然随着惯性继续运动，从而继续发电。

图7 增速齿轮组

图8 齿轮组断面图

图9 (图8中的5局部)单向轴承

2.2.3压电结构 压电结构如图10中的压电元件所示。该设计选用PVDF和树脂复合的压电元件，这种复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的柔韧性和加工性能，并具备压电常数高的特点。尽管如此，仍将压电片固定在弹簧片上，运动过程中使弹簧片受力形变从而带动压电片形变进而发电。将弹簧片以悬梁臂的形式固定在发电机组外壳的顶端，并伸出一部分与发电机组外壳顶端距离约2cm左右，而压电片固定在弹簧片下端。当齿条下沉约1cm时，弹簧片也随之下沉1cm时形变，但压电片的形变却很小，这样在不影响压电片发电的同时也保证了压电片不会被损坏。因为一级楼梯有2个发电机组，因此有四块压电元件。每块压电片瞬间能产生约0.3瓦的电能，因此当行人踩下踏板的瞬间，每组发电机组能约能产生1.2瓦的电能。

图10 发电机组外壳

2.2.4三相整流 因为该设计的发电需外界压力做功，做功时间随机性较强，产生电能不恒定，因此需要对产生的电能进行整流储存，目的将发电装置发出交流电转换成直流电，保证了蓄电池稳定充电，见图11所示。

图11 三相整流桥式电路图

3创新点

(1)该系统是通过人类每天的上下楼梯所产生的机械能结合自身的重量，来产生相应的电能。这样人们在平时走路、爬楼等不知不觉的行动中，产生不连续的电能并通过储能收集起来，在需要的时候进行供电、照明。现在生活中经常看到楼梯如住宅楼房、户外天桥或学校到处都有楼梯，如果把每个楼梯的踏步都改装为本作品以产生电能，可减少公共施设用电，相当于减少因生产电能对环境的污染。

(2)通过机械结构设计，可以很好的嵌入到楼梯的踏步内，在被踩下短短的1cm，可以通过机械结构进行增速，带动直线发电机进行最大化的做功发电。

(3)传统的发电地板只适用于平路，且安装麻烦，成本偏高。该设计以单独的发电组为整体，使得适用于多种环境，不只安装楼梯还可以安装平地，有安装方便、便捷且成本低等优点。

当行人踏下楼梯踏板时，踏板的垂直位移将人体的自身重力势能通过齿轮组带动直线发电机转发为电能、部分转化为空气弹簧的弹性势能，当人体离开后，空气弹簧向上推动齿条恢复初始位置，而齿轮组通过单向齿轮的作用脱离开齿条，在惯性的作用下继续带发电机做功。

4应用前景

文章针对传统楼梯进行调研、分析，对其进行改装，在不破坏楼梯主体结构的基础上将作品嵌入至楼梯内即可实现踩踏发电。该系统设计可应用于人流量较大的室内外楼梯(自身产生电能可通过数码屏向使用者展示，提示为节能减排做出贡献，使节能减排更加深入人心)，如天桥、寝室楼、住宅楼、学校楼房等处的楼梯，也可用于平面地面，在行人行走的过程中即可实现发电。将产生电能应用于公用设施，还可减少电缆铺设及生产电能带来的污染，达到节能减排的作用。该装置安装简单，应用前景非常广阔。