CN103684047B - 一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机属于新能源技术领域，涉及一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机，用于收集环境中的风能并将其转换为电能。该发电机由风能收集部件，压电发电部件，电磁发电部件以及整流电路组成。压电发电部件由压电双晶梁组件、主轴、压电双晶梁上的端部磁铁、固定激振磁铁的转盘、底座、固定压电双晶梁的夹具、电机支架、电机固定螺母、电机固定螺栓、转盘上的激振磁铁组成。本发明结构简单，造价便宜；适用于低速风能，可与传感器节点搭配使用，在理想情况下可以实现为传感器节点永久供电。本发明中利用磁铁之间的相互激振力使压电晶体产生振动，增强了抗疲劳损坏能力，优于接触式激振方式。

Description

一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机，用于收集环境中的风能并将其转换为电能。
背景技术
目前，能源危机日渐凸显其严峻性，给人们的日常生活造成了极大的不便，新能源技术成为缓解能源危机的有效手段受到人们的重视。人们对风能的利用历史悠久，其主要利用手段是建造大型风力发电站，并且所利用的风能多是高速状态下的风能，而低速状态下的风能利用往往被人们忽视。而更广泛存在的是这种低速状态下的风能，设计可将低速风能收集利用转化成电能的微能源供能方案就显得十分有价值。
环境中无时无刻都存在着风能，利用风力发电是一种清洁可再生能源，受到关注，从当前的申请的专利来看，如中国专利申请号为201120014730.9的由丁镛发明的“利用压电材料发电的风力发电机及其辅助机具”，该发电机主要利用压电发电，又如申请号为201010512070.7的由余建平等人发明的“风力发电机”，该发电机主要利用电磁发电，它们都是单一型发电装置，即压电发电或电磁发电，极少有将两种发电方式进行混合。压电发电缺点是内阻高，而且产生的电流较小，电磁发电要求工作频率高，单独使用一种发电方式还有很大一部分余能没有被收集，发电效率较低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机，发电方式混合了压电发电和电磁发电，利用环境中的低速风能和压电式风力发电余能进行电磁发电，提高了风电转化效率。本发明采用压电晶体和电磁线圈作为中间换能机构具有清洁无污染，性能稳定。
本发明采用的技术方案是一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机，其特征在于：该发电机由风能收集部件，压电发电部件，电磁发电部件以及整流电路组成。
所述风能收集部件由风扇头1、风扇叶2、主轴3、主轴固定支架18组成；其中，风扇头1与主轴3之间采用键连接，主轴3通过主轴与主轴固定支架之间的右、左2个轴承17、17‘支撑在主轴固定支架18上。
所述压电发电部件由压电双晶梁组件、主轴3、压电双晶梁上的端部磁铁9、固定激振磁铁的转盘11、底座12、固定压电双晶梁的夹具14、电机支架15、电机固定螺母16、电机固定螺栓19、转盘上的激振磁铁20组成；其中，压电双晶梁组件由压电双晶梁的金属中性层10和压电双晶梁的压电层13构成，并且两层压电晶体采用并联输出方式，转盘11与压电双晶梁的端部磁铁9正对，转盘11上激振磁铁20的个数与压电双晶梁的个数相同，压电双晶梁上的端部磁铁9与转盘11上的激振磁铁20在竖直方向上正对，电机支架15与底座12相连，电机主体通过固定螺栓19和固定螺母16与电机支架15相连，电机固定螺栓19和螺母16共4对，绕主轴成圆周阵列分布，压电双晶梁通过夹具14固定在电机主体上，夹具14通过上下两个加紧板在压电双晶梁金属中性层10上夹紧，在压电双晶梁压电层的上下表面引出上、下电极f、f'以及金属中性层上引出g；
所述电磁发电部件由主轴3、线圈圆盘固定螺母4、线圈圆盘支架5、线圈6、固定线圈的圆盘7、线圈圆盘固定螺栓8、压电双晶梁上的端部磁铁9、固定激振磁铁的转盘11、底座12、转盘上的激振磁铁20组成；其中，主轴3与固定线圈的圆盘7之间采用键连接，主轴3与固定激振磁铁20的转盘11之间采用键连接，线圈6通过粘接固定在圆盘7的凹槽中，并围绕主轴3呈圆周阵列分布，线圈6的数目与转盘11上的激振磁铁20数目相同，并与激振磁铁20和压电双晶梁上的端部磁铁9外侧面正对，圆盘7通过支架5与底座12连接，而圆盘通过固定螺母4与固定螺栓8与支架5相连，线圈圆盘固定螺栓8和螺母4共4对，绕主轴成圆周阵列分布，在线圈两端的导线处分别引出第一、第二电极d、e；
所述整流电路为后续收集电能的电路，压电电磁产生的交流电经过整流电路变成直流电，其中，压电发电部分和电磁发电部分各自接标准整流电路，压电发电部分产生的电能收集在电容C1、电阻R1两端，电磁发电产生的电能收集在电容C2、电阻R2两端。
所述方案中，圆盘7有三种不同的形式，形式a)，圆盘7为一般圆盘，周围有凹槽，凹槽绕主轴3成圆周阵列分布，线圈6通过粘接的方式固定在圆盘7的凹槽中，并且与激振磁铁20垂直正对；形式b)，圆盘7'在圆盘周围伸出臂，臂绕主轴3成圆周阵列分布，臂上有凹槽，线圈6'通过粘接固定在圆盘7'所伸出的臂的凹槽中，并且在端部磁铁9和激振磁铁20的中间，与激振磁铁20竖直正对；形式c)，圆盘7”成圆台状，在圆盘倾斜部位有凹槽，凹槽绕主轴成圆周阵列分布，线圈6”通过粘接的方式固定在圆盘7”的凹槽中，与激振磁铁20斜正对。
本发明的有益效果是：本发明结构简单，造价便宜；适用于低速风能，可与传感器节点搭配使用，在理想情况下可以实现为传感器节点永久供电。本发明中利用磁铁之间的相互激振力使压电晶体产生振动，增强了抗疲劳损坏能力，优于接触式激振方式。
附图说明
附图1表示一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机的结构图；
附图2表示一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机的电磁发电部件中圆盘不同形式示意图。其中，a)图表示圆盘7为一般圆盘的形式，b)图表示圆盘7'在圆盘周围伸出臂的形式，c)图表示圆盘7”成圆台状的形式；
附图3表示一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机整流电路原理图，其中，d、e分别为电磁发电部件中线圈两端导线分别引出的第一、第二电极，f、f'为压电发电部件中压电双晶梁压电层上下表面引出的上、下电极，g为压电双晶梁金属中性层引出的电极。
图中：1-风扇头；2-风扇叶；3-主轴；4-线圈圆盘固定螺母；5-线圈圆盘支架；6-线圈；7-固定线圈的圆盘；8-线圈圆盘固定螺栓；9-压电双晶梁上的端部磁铁；10-压电双晶梁的金属中性层；11-固定激振磁铁的转盘；12-底座；13-压电双晶梁的压电层；14-固定压电双晶梁的夹具；15-电机支架；16-电机固定螺母；17-主轴与主轴固定支架之间的右轴承；17‘主轴与主轴固定支架之间的左轴承；18-主轴固定支架；19-电机固定螺栓；20-转盘上的激振磁铁。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明的主要工作原理如下：旋转式压电电磁混合发电装置通过压电晶体的压电效应和磁铁线圈间的电磁感应将风能转化为电能，压电晶体产生的电流是交流电，交流电源经过全桥整流电路后变成直流电源。
参照图1，一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机的结构图，其工作流程如下：电机主体是一个中空的柱形，上面固定着多个压电双晶梁。风扇叶2受环境中低速风能作用，产生旋转运动，通过键连接带动主轴3绕主轴固定支架18上的轴承旋转，主轴3的旋转运动带动转盘11产生转动，随着转盘11的转动，转盘11上的磁铁20与压电双晶梁的端部磁铁9之间由于磁场的作用产生无接触式周期作用力，使得压电双晶梁产生周期性振动，压电晶体在端部受力时会产生弯曲变形，由压电效应可知压电晶体会随着自身弯曲变形而产生交流电。转盘11上的激振磁铁20转动和压电双晶梁端部磁铁9振动时产生磁场变化，而处在该变化磁场中的线圈6相当于在周期性的切割磁感线，使磁通量发生变化，由电磁感应可知，线圈6的导线中会因此而产生交流电。由压电效应和电磁感应产生的交流电就是本发明中压电发电体的输出电源。
参照图2，一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机的电磁发电部件中圆盘不同形式示意图，该示意图揭示了在电磁发电部分，圆盘7可有不同的形式，当激振磁铁20与压电双晶梁端部磁铁9正对摆放时，有图a)、图b)所示两种形式；当激振磁铁20与压电双晶梁端部磁铁9非正对摆放，而是平行错开一段距离，此时有图c)所示形式。其中，当激振磁铁20与压电双晶梁端部磁铁9的磁极布置形式不同时，磁场的方向和强度均会有所不同，从而会对电磁感应产生的电流大小造成影响。以图a)所示形式为例，在转盘转速一定时，若激振磁铁20与压电双晶梁端部磁铁9的不同极性磁极相对时，根据此时的磁感线分布可知，线圈6处的磁感线较密集，磁场强度较大，由电磁感应产生的电流就可能较大；若激振磁铁20与压电双晶梁端部磁铁9的相同极性磁极相对时，根据此时的磁感线分布可知，线圈6处的磁感线较稀疏，而且有较多磁感线穿过线圈后又从同一侧穿出，方向相互抵消，磁场强度较小，磁通量较小，由电磁感应产生的电流就可能较小。激振磁铁20与压电双晶梁端部磁铁9不同极性并列时与不同极性相对时情况比较相似，而相同极性并列时与相同极性相对时情况比较相似。圆盘7的最佳形式以及激振磁铁20与压电双晶梁端部磁铁9最佳布置形式还需经试验测试。
参照图3，该图表示压电电磁发电装置后续整流电路原理图，压电和电磁发电产生的均为交流电，该交流电经过图3所示整流电路后变为直流电。其中，压电发电部分和电磁发电部分各自接整流电路，压电发电部分产生的电能收集在电容C1、电阻R1两端，电磁发电部分产生的电能收集在电容C2、电阻R2两端。
本发明设计的风力带动的旋转式压电电磁混合发电机，结构简单耐用，造价便宜，清洁环保，最大的优点是可以有效且高效地利用环境中的低速风能，将压电发电与电磁发电混合，提高了风电转化效率。

Claims (2)

1.一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机，其特征在于：该发电机由风能收集部件，压电发电部件，电磁发电部件以及整流电路组成；
所述风能收集部件由风扇头(1)、风扇叶(2)、主轴(3)、主轴固定支架(18)组成；风扇头(1)与主轴(3)之间采用键连接，主轴(3)通过主轴与主轴固定支架之间的右、左2个轴承轴承(17、17')固定在主轴固定支架(18)上；
所述压电发电部件由压电双晶梁组件、主轴(3)、压电双晶梁上的端部磁铁(9)、固定激振磁铁的转盘(11)、底座(12)、固定压电双晶梁的夹具(14)、电机支架(15)、电机固定螺母(16)、电机固定螺栓(19)、转盘上的激振磁铁(20)组成；其中，压电双晶梁组件由压电双晶梁的金属中性层(10)和压电双晶梁的压电层(13)构成，并且两层压电晶体采用并联输出方式，转盘(11)与压电双晶梁的端部磁铁(9)正对，转盘(11)上激振磁铁(20)的个数与压电双晶梁的个数相同，压电双晶梁上的端部磁铁(9)与转盘(11)上的激振磁铁(20)在竖直方向上正对，电机支架(15)与底座(12)相连，电机主体通过固定螺栓(19)和固定螺母(16)与电机支架(15)相连，电机固定螺栓(19)和螺母(16)共4对，绕主轴成圆周阵列分布，压电双晶梁通过夹具(14)固定在电机主体上，夹具(14)通过上下两个加紧板在压电双晶梁金属中性层(10)上夹紧，在压电双晶梁压电层的上下表面引出上、下电极(f、f')以及金属中性层上引出(g)；
所述电磁发电部件由主轴(3)、线圈圆盘固定螺母(4)、线圈圆盘支架(5)、线圈(6)、固定线圈的圆盘(7)、线圈圆盘固定螺栓(8)、压电双晶梁上的端部磁铁(9)、固定激振磁铁的转盘(11)、底座(12)、转盘上的激振磁铁(20)组成；其中，主轴(3)与固定线圈的圆盘(7)之间采用键连接，主轴(3)与固定激振磁铁(20)的转盘(11)之间采用键连接，线圈(6)通过粘接固定在圆盘(7)的凹槽中，并围绕主轴(3)呈圆周阵列分布，线圈(6)的数目与转盘(11)上的激振磁铁(20)数目相同，并与激振磁铁(20)和压电双晶梁上的端部磁铁(9)外侧面正对，圆盘(7)通过支架(5)与底座(12)连接，而圆盘通过固定螺母(4)与固定螺栓(8)与支架(5)相连，线圈圆盘固定螺栓(8)和螺母(4)共4对，绕主轴成圆周阵列分布，在线圈两端的导线处分别引出第一、第二电极(d、e)；
所述整流电路为后续收集电能的电路，压电电磁产生的交流电经过整流电路变成直流电，其中，压电发电部分和电磁发电部分各自接标准整流电路，压电发电部分产生的电能收集在电容C1、电阻R1两端，电磁发电产生的电能收集在电容C2、电阻R2两端。
2.根据权利要求1所述一种风力带动的旋转式压电电磁混合发电机，其特征在于：圆盘(7)有三种不同的形式，形式a)，圆盘(7)为一般圆盘，周围有凹槽，凹槽绕主轴(3)成圆周阵列分布，线圈(6)通过粘接的方式固定在圆盘(7)的凹槽中，并且与激振磁铁(20)垂直正对；
形式b)，圆盘(7')在圆盘周围伸出臂，臂绕主轴(3)成圆周阵列分布，臂上有凹槽，线圈(6')通过粘接固定在圆盘(7')所伸出的臂的凹槽中，并且在端部磁铁(9)和激振磁铁(20)的中间，与激振磁铁(20)竖直正对；
形式c)，圆盘(7”)成圆台状，在圆盘倾斜部位有凹槽，凹槽绕主轴成圆周阵列分布，线圈(6”)通过粘接的方式固定在圆盘(7”)的凹槽中，与激振磁铁(20)斜正对。
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