CN104506083B - 一种径向拉伸激励的旋转式压电风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径向拉伸激励的旋转式压电风力发电机，属于新能源领域。壳体两端装有端盖，两端盖间压接有套筒，套筒两端轴承孔中嵌有轴承；主轴经两轴承定位安装在套筒上，主轴上嵌有磁条、端部装有叶片；压电振子与其两端铆接的楔块和磁块构成换能器，磁块上设有导柱；磁块导柱置于套筒径向导向孔中，楔块置于壳体内壁的燕尾槽中；各换能器上磁块磁极配置方向相同、且与镶嵌在主轴上各磁条的异性磁极靠近安装；主轴转动时磁块始终承受来自于主轴上磁条的吸引力。特色与优势：利用预弯型压电振子长度方向的伸缩变形发电，压电片仅受压应力作用、可靠性高；利用镶嵌磁条的主轴同时非接触激励多组压电振子发电，发供电能量强、且无机械冲击及噪音。

Description

一种径向拉伸激励的旋转式压电风力发电机

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种径向拉伸激励的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。目前已提出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都是利用压电振子的弯曲变形发电，其弊端之一是压电振子弯曲变形量不可控、易因所受拉应力过大而损毁，弊端之二是弯曲变形时悬臂梁压电振子应力差异较大，根部所受应力最大、而自由端应力为零，故发电能力和可靠性均较低。

发明内容

本发明提供一种径向拉伸激励的旋转式压电风力发电机，以提高实时的发电供电能力和可靠性。本发明采用的实施方案是：主体由支架和壳体构成，壳体内壁上均布地设有轴向燕尾槽、两端分别通过螺钉安装有左右端盖，左右端盖中心处的沉孔中压接有套筒，套筒的法兰经螺钉固定在左端盖上，套筒内孔两端分别设有轴承孔，套筒的轴截面上均布地设有径向导向孔；所述轴承孔中镶嵌有轴承，轴承经左端盖或右端盖压在套筒上；套筒内孔中套有主轴，主轴经两轴承定位，主轴上均布的轴向长槽中镶嵌有磁条，主轴端部安装有叶片；两个在其圆弧凸起处粘接有压电片的金属片经铆钉铆接构成压电振子，压电振子通过与其两端所铆接的楔块和磁块构成换能器，磁块上设有导柱；换能器上磁块导柱置于套筒的径向导向孔中，换能器上楔块置于壳体内壁上的燕尾槽中并经左右端盖压紧，同一换能器上楔块的轴向宽度大于磁块的轴向宽度；各换能器上磁块磁极配置方向相同、且与镶嵌在主轴上各磁条的异性磁极靠近安装；主轴转动时磁块始终承受来自于主轴上磁条的吸引力。

为使压电振子最大限度地利用振动能量发电、并避免压电片因受过大拉应力而损坏，装机前金属片圆弧最小半径为 $R=(h_m+h_p)\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中h_p和h_m分别为压电片和金属片的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)，β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。

非工作时压电振子在磁块与磁条间磁力及其自身弹性力的作用下处于平衡状态；当环境中有风吹过时，叶片受风力作用带动主轴及磁条一起转动，因磁条在圆周上为非连续的均匀分布，故主轴圆周上各点上由磁铁所形成的磁场强度不同，从而使得主轴转动时磁块所受的吸引力及压电振子所受的拉力不同：当主轴转动使磁块与某一磁条的对称几何中心重叠时拉力最大，此后主轴的进一步转动将使磁铁间距离逐渐增加、吸引力逐渐减小；上述主轴转动过程中磁块与磁条间距离交替减小与增加的过程中，压电振子所受的拉力交替地增加和减小、压电片所受的压应力交替地增加和减小，从而将机械能转化成电能。

本发明中，因压电振子为预弯曲结构，装机前的自然状态下压电片不受外力作用，装机后非工作时压电振子始终受拉力作用；当主轴转动使某一磁条与磁块几何对称中心重叠时压电片所受压应力最大、磁条远离磁块时压电片所受压应力开始减小，但压电片始终不会承受拉应力，从而提高了发电装置的可靠性；此外，主轴转动时，通过非接触方式同时激励多组压电振子发电，故发电与供电能力较强、且无机械冲击及噪音。

本发明的特色与优势在于：利用预弯型压电振子长度方向的伸缩变形发电，工作中压电片始终承受压应力、不至因受拉应力过大而损毁、可靠性高；利用镶嵌磁条的主轴同时非接触激励多组压电振子发电，发电及供电能力较强、且无机械冲击及噪音。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构原理简图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3是本发明一个较佳实施例中换能器的结构原理简图；

图4是图3的俯视图；

图5是套筒的结构简图；

具体实施方式

主体1由支架1a和壳体1b构成，壳体1b的内壁上均布地设有轴向燕尾槽、两端分别通过螺钉安装有左端盖3和右端盖2，所述左端盖3和右端盖2中心处的沉孔中压接有套筒6，套筒6的法兰6e经螺钉固定在左端盖3上，套筒6内孔6d两端分别设有左轴承孔6a和右轴承孔6b，套筒6的轴截面上均布地设有径向导向孔6c；左轴承孔6a和右轴承孔6b中镶嵌有轴承7，轴承7经左端盖3或右端盖2压在套筒6上；套筒6内孔6d中套有主轴8，主轴8经两轴承7定位，主轴8上均布的轴向长槽中镶嵌有磁条9，主轴8端部安装有叶片10；两个在其圆弧凸起处粘接有压电片h2的金属片h1经铆钉h3铆接构成压电振子h，压电振子h通过与其两端所铆接的楔块4和磁块5构成换能器H，磁块5上设有导柱5a；换能器H上磁块5的导柱5a置于套筒6的径向导向孔6c中，换能器H上的楔块4置于壳体1b内壁上的燕尾槽中并经左端盖3和右端盖2压紧，同一换能器H上楔块4的轴向宽度大于磁块5的轴向宽度；各换能器H上磁块5的磁极配置方向相同、且与镶嵌在主轴8上各磁条9的异性磁极靠近安装；主轴8转动时磁块5始终承受来自于主轴8上磁条9的吸引力。

为使压电振子h最大限度地利用振动能量发电、并避免压电片h2因拉应力过大而损坏，装机前金属片h1上圆弧凸起的最小半径应为 $R=(h_m+h_p)\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中h_p和h_m分别为压电片h2和金属片h1的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)，β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片h2和金属片h1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。

非工作的自然状态下，压电振子h在磁块5与磁条9间磁力及其自身弹性力的作用下处于平衡状态；当环境中有风吹过时，叶片10受风力作用带动主轴8及磁条9一起转动，因磁条9在圆周上为非连续的均匀分布，故主轴8圆周上各点上由磁铁9所形成的磁场强度不同，从而使得主轴8转动时磁块5所受的吸引力及压电振子h所受的拉力不同：当主轴8转动使磁块5与某一磁条9的对称几何中心重叠时拉力最大，此后主轴8的进一步转动将使磁铁间距离逐渐增加、吸引力逐渐减小；上述主轴8转动过程中磁块5与磁条9间距离交替减小与增加的过程中，压电振子h所受的拉力交替地增加和减小、压电片h2所受的压应力交替地增加和减小，从而将机械能转化成电能。

本发明中，因压电振子h为预弯曲结构，装机前的自然状态下压电片h2不受外力作用，装机后非工作时压电振子h始终受拉力作用；当主轴8转动使某一磁条9与磁块5几何对称中心重叠时压电片h2所受压应力最大、磁条9远离磁块5时压电片h2所受压应力开始减小，但压电片h2始终不会承受拉应力，从而提高了发电装置的可靠性；此外，主轴8转动时，通过非接触方式同时激励多组压电振子h发电，故发电与供电能力较强、且无机械冲击及噪音。

Claims (1)

1.一种径向拉伸激励的旋转式压电风力发电机，其特征在于：主体由支架和壳体构成，壳体内壁上均布地设有轴向燕尾槽、两端分别通过螺钉安装有左右端盖，左右端盖中心处的沉孔中压接有套筒，套筒的法兰经螺钉固定在左端盖上，套筒内孔两端分别设有轴承孔，套筒的轴截面上均布地设有径向导向孔；所述轴承孔中镶嵌有轴承，轴承经左端盖或右端盖压在套筒上；套筒内孔中套有主轴，主轴经两轴承定位，主轴上均布的轴向长槽中镶嵌有磁条，主轴端部安装有叶片；两个在其圆弧凸起处粘接有压电片的金属片经铆钉铆接构成压电振子，压电振子通过与其两端所铆接的楔块和磁块构成换能器，磁块上设有导柱；换能器上磁块导柱置于套筒的径向导向孔中，换能器上楔块置于壳体内壁上的燕尾槽中并经左右端盖压紧，同一换能器上楔块的轴向宽度大于磁块的轴向宽度；各换能器上磁块磁极配置方向相同、且与镶嵌在主轴上各磁条的异性磁极靠近安装；主轴转动时磁块始终承受来自于主轴上磁条的吸引力；

装机前金属片圆弧最小半径为式中h_p和h_m分别为压电片和金属片的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)，β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。