CN102820807A - 端面凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉一种端面凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机，属于新能源和发电技术领域。端盖安装在主体上，主体下底面上安装有底座、镶嵌有轴承；主轴通过轴承安装在主体和端盖上，主轴上安装有端面凸轮和叶片；导杆固定在主体底面上，导杆上套有通过铆钉铆接串联的压电振子，最上端和最下端压电振子分别于底座及施力杆的空心套管铆接；复位弹簧套在施力杆的空心套管外、且被压接在导板和施力杆压块之间；施力杆压块上镶嵌有滚珠，滚珠通过复位弹簧和施力杆压块压接在端面凸轮的曲面上。优点是利用置于垂直轴上的端面凸轮同时激励多组串联的压电振子、并限制其变形量，发电能力及风向适应能力强、可靠性高、无接触冲击及噪音。

Description

端面凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种端面凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机，为无线传感器节点等微功率无线系统提供实时的能量供应。
背景技术
风能广泛存在于自然界中，风力发电已成为当今世界主流的能源之一。以往人们只注重的大规模风力发电系统的研究，近年来，随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在环境监测、大型建筑物及桥梁的健康监测、工业、军事及公共安全等领域应用的普及，为其提供持续人能源供应的微小型风力发电机的研究受到国内外学者的广泛关注，其原因在于：化学电池的能量有限、其使用时间远远小于无线传感监测系统的寿命，故需经常更换，严重制约了无线传感网络监测系统在远程及危险环境中的推广应用。目前已提的微小型风力发电机基本都是基于电磁原理和压电原理的,因压电式发电机的发电过程中不会产生电磁干扰，更适用于无线网络节点等无线系统的应用需求。
根据机械能的来源形式及能量密度，可采用块状和薄片型压电振子发电，其中块状压电振子需要较大冲击力、而薄片型压电振子所需激振力较小，因此更适合构造能量密度相对较低的风力发电机。现有的利用薄片型压电振子构造的风力发电机主要有两大类：一是吹拂激励式，即直接利用风力吹动压电振子使其产生弯曲变形并发电，如中国专利97101500.7、201110175062.2、200910104106.5；其二是旋转激励式，即首先利用风使叶片旋转、再由叶片带动转动机构拨动压电振子弯曲变形并发电，如中国专利200910081331.1、201010519391.X 等。上述压电发电机的共同特点是所利用的压电振子为悬臂梁结构，因其变形时根部应力量大、而自由端应力为零，且其变形量不可控、易因根部变形过大而损毁，，因此发电能力和可靠性均较低；同时，不宜采用简单的施力机构同时激励多个压电振子同步发电，故总体供电能力较低，难以实现供电系统的实时性；此外，现有的吹拂式发电机仅在风向与压电振子表面垂直时才能被有效激励，无法实现不同风向能量的有效收集。
发明内容
本发明提供一种端面凸轮激励-限位的大功率旋转式压电风力发电机，以便为不同风力环境条件下无线传感监测系统网络节点提供可靠、充足的能量供应。
本发明采取的技术方案是：镶有导板和轴承的端盖通过螺钉安装在中空型主体的上端面，所述主体的下底面上通过螺钉安装有底座、镶嵌有轴承；主轴通过所述的两个轴承垂直地安装在主体和端盖上，主轴上通过两个卡簧和平键安装有端面凸轮、顶部安装有叶片，所述端面凸轮和叶片置于主体的外部；导杆的端帽通过底座压接在主体的下底面上，在所述导杆上还依次套有用于铆接压电振子的空心铆钉和施力杆；所述压电振子由钵型金属基板和压电晶片粘接而成；一组钵型金属基板依次通过边缘的实心铆钉和中心的空心铆钉铆接串联，最下端的钵型金属基板与底座上端的空心套管铆接、最上端的钵型金属基板与施力杆下端的空心套管铆接；所述施力杆的空心套管套在导板的导向孔内；复位弹簧套在施力杆下端的空心套管外、且被压接在导板的上表面和施力杆上端的压块的下表面之间；施力杆上端的压块上镶嵌有滚珠，所述滚珠通过复位弹簧和施力杆上端的压块压接在端面凸轮的曲面上。
在本发明中，镶嵌于施力杆上端的压块上的滚珠始终被复位弹簧推压在端面凸轮的曲面上，因此压电振子的变形规律及最大变形量是由端面凸轮的曲面形状和升程e确定的。为确保压电振子的压电晶片不致因变形过大而损毁，端面凸轮的最大升程应由以下公式确定：emax=2δE总/(nE单),其中δ为压电振子7所能承受的最大单向变形量，E总为发电机所需输出的能量，E单为单个压电振子一次往复弯曲变形所产生的能量，n为串联压电振子的组数、即导杆的数量。
当叶片因受风力作用而带动主轴旋转时，置于主轴上的端面凸轮在水平面内旋转，而滚珠、施力杆及空心铆钉在复位弹簧的作用下沿导杆作垂直方向的往复运动，从而带动由空心铆钉铆接串联的压电振子做往复的弯曲变形，并将机械能转换成电能。
在上述工作过程中，串联的各压电振子的变形规律一致、同步发电、且其变形量始终受制于端面凸轮的曲线形状，因此不论转速高低，各压电振子的最大变形都相同，从而获得较大的发电量和较高的可靠性。
本发明的特色与优势：①利用端面凸轮同时激励多组串联的压电振子同步发电，发电及供电能量较强；②施力杆通过滚珠始终与端面凸轮曲面接触，可避免压电振子因变形过大而损坏，故可靠性高、且无激励冲击及噪音；③叶片安装在垂直的主轴上，可收集各方向的风能发电，风向适应性强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中自供电装置的结构原理简图；
图2是图1的A-A剖面图。
具体实施方式
镶有导板15和轴承3的端盖9通过螺钉安装在中空型主体1的上端面，所述主体1的下底面上通过螺钉安装有底座2、镶嵌有轴承3；主轴4通过两个轴承3垂直地安装在主体1和端盖9上，主轴4上通过两个卡簧14和平键13安装有端面凸轮12、顶部安装有叶片17，所述端面凸轮12和叶片17置于主体1的外部；导杆5的端帽通过底座2压接在主体1的下底面上，在所述导杆5上还依次套有用于铆接压电振子7的空心铆钉8和施力杆16；所述压电振子7由钵型金属基板7a和压电晶片7b粘接而成；一组钵型金属基板7a依次通过边缘的实心铆钉6和中心的空心铆钉8铆接串联，最下端的钵型金属基板7a与底座2上端的空心套管2a铆接、最上端的钵型金属基板7a与施力杆16下端的空心套管16a铆接；所述施力杆16的空心套管16a套在导板15的导向孔内；复位弹簧10套在施力杆16下端的空心套管16a外、且被压接在导板15的上表面和施力杆16上端的压块16b的下表面之间；施力杆16上端的压块16b上镶嵌有滚珠11，所述滚珠11通过复位弹簧10和施力杆16上端的压块16b压接在端面凸轮12的曲面上。
根据本发明压电发电机的结构，镶嵌于施力杆16上端的压块16a上的滚珠11始终被复位弹簧10推压在端面凸轮12的曲面上，因此压电振子7的变形规律及最大变形量是由端面凸轮12的曲面形状和升程e确定的。为确保压电振子7的压电晶片7b不致因变形过大而损毁，端面凸轮12的最大升程应由以下公式确定：emax=2δE总/(nE单),其中δ为压电振子7所能承受的最大单向变形量，E总为发电机所需输出的能量，E单为单个压电振子一次往复弯曲变形所产生的能量，n为串联压电振子7的组数、即导杆5的数量。
当叶片17因受风力作用而带动主轴4旋转时，置于主轴4上的端面凸轮12在水平面内旋转，而滚珠11、施力杆16及空心铆钉8在复位弹簧10的作用下沿导杆5作垂直方向的往复运动，从而带动由实心铆钉6和空心铆钉8铆接串联的压电振子7做往复的弯曲变形：当滚珠11与端面凸轮12的凸面接触时，复位弹簧10被压缩，端面凸轮12通过滚珠11、施力杆16和空心铆钉8迫使串联的各压电振子7向彼此靠近的方向变形，此为主动激励过程；相反，当滚珠11与端面凸轮12的凹面接触时，复位弹簧10在自身弹性力的作用下伸长、并通过施力杆16和空心铆钉8迫使串联的各压电振子7向彼此远离的方向变形，此为被动复位过程。随着主轴4的连续转动，串联的压电振子7将被交替地压缩与拉伸，从而将机械能转换成电能。
在上述的主动激励和被动复位过程中，串联的各压电振子7的变形规律一致、同步发电、且其变形量始终受制于端面凸轮12的曲线形状，因此不论转速高低，各压电振子7的最大变形都相同，从而获得较大的发电量和较高的可靠性。

Claims (2)

1.一种端面凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机，其特征在于：镶有导板和轴承的端盖通过螺钉安装在中空型主体的上端面，所述主体的下底面上通过螺钉安装有底座、镶嵌有轴承；主轴通过所述的两个轴承垂直地安装在主体和端盖上，主轴上通过两个卡簧和平键安装有端面凸轮、顶部安装有叶片，所述端面凸轮和叶片置于主体的外部；导杆的端帽通过底座压接在主体的下底面上，在所述导杆上还依次套有用于铆接压电振子的空心铆钉和施力杆；所述压电振子由钵型金属基板和压电晶片粘接而成；一组钵型金属基板依次通过边缘的实心铆钉和中心的空心铆钉铆接串联，最下端的钵型金属基板与底座上端的空心套管铆接、最上端的钵型金属基板与施力杆下端的空心套管铆接；所述施力杆的空心套管套在导板的导向孔内；复位弹簧套在施力杆下端的空心套管外、且被压接在导板的上表面和施力杆上端的压块的下表面之间；施力杆上端的压块上镶嵌有滚珠，所述滚珠通过复位弹簧和施力杆上端的压块压接在端面凸轮的曲面上。
2.根据权利要求1所述的端面凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机，其特征在于：端面凸轮的最大升程应由以下公式确定：emax=2δE总/（nE单）,其中δ为压电振子7所能承受的最大单向变形量，E总为发电机所需输出的能量，E单为单个压电振子一次往复弯曲变形所产生的能量，n为串联压电振子的组数、即导杆的数量。
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