CN104485843A - 一种微小型压电风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微小型压电风力发电机，属于新能源与发电技术领域。端盖和透盖固定在壳体上，壳体的支座支撑着圆形外壳，圆形外壳相邻的内圈里包含有滑槽；风叶固定在旋转轴前端上，旋转轴前后两端通过轴承安装在透盖和端盖上，旋转轴的槽孔固定动磁铁，动磁铁与滑槽里安放的定磁铁的异性磁极相对安装；夹块与定磁铁连接，固定在夹块和端盖内侧上的金属基板外凸处粘接有压电晶片，两个基板的内凹处相互铆接，两个基板及压电晶片共同构成换能器；端盖的内侧安装有储能板，储能板与换能器相连。特色与优势：预弯压电晶片仅承受压应力作用，可靠性高；滑槽结构的使用，稳定性高；换能器结构新颖，发供电能力强。

Description

一种微小型压电风力发电机

技术领域

本发明属于新能源与发电技术领域，具体涉及一种微小型压电风力发电机。

背景技术

目前，能源危机日渐严重，给人们的工作、生活带来极大不便。新能源技术作为一种有效缓解能源危机的手段越来越受到重视。风能是人类较早使用的能源之一，具有清洁、可再生且分布广泛等优点。现在的大型风力发电站及中型发电机组所利用的多是高速状态下的风能，低速状态下的风能大都因为不易利用而被忽略。我国南方大部分省份年平均风速约3-5m/s，属于较低风速，不便于建设大型风力发电机站；早在我国“十二五”发展规划中，就提出将提高风能利用率作为重点发展目标之一。所以微小型风力发电机的研制与发展成为一个趋势。而且，现在微机电系统发展迅速，低功耗的电子产品逐渐得到推广。在微机电领域中，微机电设备的自供电系统的研究与发展也成为了必然的趋势。

微小型压电风力发电机目前已有一些研究，大多是悬臂梁式激励发电。存在有悬臂梁变形不可控，发电效率较低，且工作时换能器中的压电片承受交替变化的压应力和拉应力，易导致压电片破碎等问题。针对现有公布专利存在的问题，本发明提出一种微小型压电风力发电机，具有预弯压电晶片只承受压应力，等应力变形，发电量大，变形可控，稳定性高等优点。

发明内容

本发明提出一种微小型压电风力发电机，以解决微机电设备的自供能问题及现有悬臂梁式压电风力发电机的变形不可控，易损坏，发电效率低等问题。

本发明采取的技术方案是：端盖和透盖通过螺钉固定在壳体上，所述壳体的支座支撑着圆形外壳，与所述圆形外壳相邻的内圈里包含有滑槽；风叶固定在旋转轴前端上，所述旋转轴前后两端通过轴承安装在所述透盖和端盖上，旋转轴的槽孔由螺钉固定动磁铁，所述动磁铁与滑槽里安放的定磁铁的异性磁极相对安装，定磁铁的一端面与夹块通过螺钉固定；金属基板的一端通过螺钉固定夹持在所述夹块上，另一端通过螺钉固定在端盖的内侧凸块上，所述金属基板上的外凸处粘接有压电晶片，两个基板的内凹处通过铆钉相互铆接；经铆钉铆接的两个基板及所述基板上所粘接的压电晶片共同构成换能器；端盖的内侧凸起经螺钉安装有储能板，所述储能板通过导线组L2与换能器的基板及压电晶片相连，换能器上同一基板上的两个相邻压电晶片经导线组L1连接，在换能器上处于不同基板上相邻的两个压电晶片经导线组L3相连。

工作过程中，当风叶在风力作用下旋转时，带动旋转轴上的轴盘做圆周转动，轴盘的槽孔上安装的动磁铁也随之转动，从而与固定在夹块上的定磁铁发生相对转动；非工作状态时由于动磁铁与定磁铁是异性磁极靠近安装，而且内圈上的触块的一端面与定磁铁上靠近换能器的端面相接触时，换能器无伸缩变形，当动磁铁与定磁铁相对转动时，定磁铁会在滑槽中产生运动，换能器始终承受拉力作用，压电晶片始终承受压应力的作用；连续工作时，因轴盘圆周转动，轴盘上的动磁铁与滑槽中的定磁铁，靠近、远离不断地交替进行，故当动磁铁和滑槽中的定磁铁相对转动时换能器所承受的拉力以及压电晶片所承受的压应力交替增加和减少，压电晶片所受压应力交替增加和减少即将机械能转换为电能，此为发电过程；所生成的电能通过导线组L2供给储能板，储能板可与外端设备连接，从而实现风力发电机的发电效能。

本发明的特色与优势：①本发明的预弯压电晶片等应力变形，仅承受压应力作用，可靠性高；②滑槽结构的使用，变形可控，稳定性高；③换能器结构新颖，配置合理，发供电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中微小型风力发电机的结构剖面图；

图2是图1的A-A视图；

图3是换能器的放大图及俯视图；

图4是图1中换能器受最小磁力作用时的I部放大图；

图5是图1中内圈上的触块端面与定磁铁上的端面相接触时的I部放大图；

具体实施方式

端盖3和透盖7通过螺钉固定在壳体6上，所述壳体6的支座6a支撑着圆形外壳6b，与所述圆形外壳6b相邻的内圈6c里包含有滑槽Q；风叶固定在旋转轴5前端上，所述旋转轴5前后两端通过轴承4安装在所述透盖7和端盖3上，旋转轴5上轴盘5a的槽孔由螺钉固定动磁铁8，所述动磁铁8与滑槽Q里安放的定磁铁9的异性磁极相对安装，定磁铁9的一端面与夹块10通过螺钉固定；金属基板1的一端1c通过螺钉固定夹持在所述夹块10上，另一端1d通过螺钉固定在端盖3的内侧凸块3a上，所述金属基板1上的外凸处1a上粘接有压电晶片2，两个基板1的内凹处1b通过铆钉11相互铆接；经铆钉11铆接的两个基板1及所述基板1上所粘接的压电晶片2共同构成换能器H；端盖3的内侧凸起3b经螺钉安装有储能板S，所述储能板S通过导线组L2与换能器H的基板1及压电晶片2相连，换能器H上同一基板1上的两个相邻压电晶片2经导线组L1连接，在换能器H上处于不同基板1上相邻的两个压电晶片2经导线组L3相连。

工作过程中，当风叶在风力作用下旋转时，带动旋转轴5上的轴盘5a做圆周转动，轴盘5a的槽孔上安装的动磁铁8也随之转动，从而与固定在夹块10上的定磁铁9发生相对转动；非工作状态时，由于动磁铁8与定磁铁9是异性磁极靠近安装，而且内圈6c上的触块6c1的一端面与定磁铁9上靠近换能器的端面相接触时，换能器H无伸缩变形，当动磁铁8与定磁铁9相对转动时，定磁铁9会在滑槽Q中产生运动，换能器H始终承受拉力作用，压电晶片2始终承受压应力的作用；连续工作时，因轴盘5a圆周转动，轴盘5a上的动磁铁8与滑槽Q中的定磁铁9，靠近、远离不断地交替进行，故当动磁铁8和滑槽Q中的定磁铁9相对转动时换能器H所承受的拉力以及压电晶片2所承受的压应力交替增加和减少，压电晶片2所受压应力交替增加和减少即将机械能转换为电能，此为发电过程；所生成的电能通过导线组L2供给储能板S，储能板S可与外端设备连接，从而实现风力发电机的发电效能。

本发明中，为提高换能器H的发电能力、避免压电晶片2因受拉应力作用而损坏，应确保换能器H不受外力作用、无伸缩变形时，内圈6c上的触块6c1的一端面与定磁铁9上靠近换能器的端面相接触时，换能器H的金属基板1上圆弧外表面的最小半径为R＝h{α+0.5[α²(1-β)-1-ηE_p/T_p]/[1-α(1-β)]}，滑槽Q中定磁铁9运动方向上的最大距离为D＝[L-2Rsin(0.5L/R)]n，其中 $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ α＝h_m/h，h＝h_m+h_p，h_p、h_m分别为压电晶片2和金属基板1的厚度，β＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电晶片2和金属基板1的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为金属基板1上单个圆弧的弧长，n为单个金属基板1上的圆弧数量。

Claims (2)

1.一种微小型压电风力发电机，其特征在于：端盖和透盖通过螺钉固定在壳体上，壳体的支座支撑着圆形外壳，圆形外壳相邻的内圈里包含有滑槽；风叶固定在旋转轴前端上，旋转轴前后两端通过轴承安装在所述透盖和端盖上，旋转轴的槽孔由螺钉固定动磁铁，动磁铁与滑槽里安放的定磁铁的异性磁极相对安装，定磁铁的一端面与夹块通过螺钉固定；金属基板的一端通过螺钉固定夹持在夹块上，另一端通过螺钉固定在端盖的内侧凸块上，金属基板上的外凸处粘接有压电晶片，两个基板的内凹处通过铆钉相互铆接；经铆钉铆接的两个基板及基板上所粘接的压电晶片共同构成换能器；端盖的内侧凸起经螺钉安装有储能板，储能板通过导线组L2与换能器的基板及压电晶片相连，换能器上同一基板上的两个相邻压电晶片经导线组L1连接，在换能器上处于不同基板上相邻的两个压电晶片经导线组L3相连。

2.根据权利要求1所述的一种微小型压电风力发电机，其特征在于：为提高换能器的发电能力、避免压电晶片因受拉应力作用而损坏，应确保换能器不受外力作用、无伸缩变形时，内圈上触块的一端面与定磁铁上靠近换能器的端面相接触时，换能器的金属基板上圆弧外表面的最小半径为R＝h{α+0.5[α²(1-β)-1-ηE_p/T_p]/[1-α(1-β)]}，滑槽中定磁铁运动方向上的最大距离为D＝[L-2R sin(0.5L/R)]n，其中 $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ α＝h_m/h，h＝h_m+h_p，h_p、h_m分别为压电晶片和金属基板的厚度，β＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电晶片和金属基板的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为金属基板上单个圆弧的弧长，n为单个金属基板上的圆弧数量。