CN104578909A - 一种轴向拉伸激励的旋转式风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴向拉伸激励的旋转式风力发电机，属于新能源领域。主轴经轴承安装在主体隔板及盖板上，主轴端部装有叶片；转盘经卡簧和平键固定在主轴上，转盘上镶有磁柱，两个在其圆弧凸起处粘接有压电片的金属片经铆接构成压电振子，压电振子与其两端铆接的楔块和磁块构成换能器；换能器上磁块的导柱置于隔板的导向孔中、楔块置于盖板的燕尾槽中并经主体的筒壁压紧；各换能器上磁块的磁极配置方向相同、且均与镶嵌在转盘上磁柱的异性磁极靠近安装。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；利用镶嵌磁柱的转盘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

一种轴向拉伸激励的旋转式风力发电机

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种轴向拉伸激励的旋转式风力发电机，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

本发明提供一种轴向拉伸激励的旋转式风力发电机，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、筒壁及隔板构成，隔板上设有导向孔，筒壁一端经螺钉安装有盖板，盖板上均布地设有径向燕尾槽；主体隔板及盖板上设有燕尾槽一侧的中心处分别镶嵌有轴承；主轴经轴承安装在主体隔板及盖板上，主轴经主体隔板伸出，主轴端部安装有叶片；转盘经卡簧和平键固定在主轴上，转盘置于筒壁内且与隔板滑动接触，转盘侧面镶嵌有磁柱，置于同一圆周上各磁柱均匀分布、且两相邻磁柱间的距离小于磁柱自身半径；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；换能器上磁块的导柱置于隔板的导向孔中，换能器上楔块置于盖板的燕尾槽中并经主体的筒壁压紧，同一换能器上楔块的径向宽度大于磁块的径向宽度；各换能器上磁块的磁极配置方向相同、且均与镶嵌在转盘上磁柱的异性磁极靠近安装；转盘转动时磁块始终承受来磁柱的吸引力。

为使压电振子最大限度地利用振动能量发电、并避免压电片因拉应力过大而损坏，装机前金属片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。

本发明中，置于同一圆周上两相邻磁柱间的距离小于磁柱自身半径，因此非工作时磁块与磁柱间彼此相吸，压电振子在磁块与磁柱间吸引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、转盘及转盘上的磁柱一起转动，因各磁柱相互耦合后形成的空间磁场强度不同，从而使得转盘转动时磁块所受的吸引力及压电振子所受的拉力不同：当转盘转动使磁块与某一磁柱的几何中心重叠时拉力最大，此后随主轴的进一步转动吸引力逐渐减小；上述转盘转动过程中磁块与磁柱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也交替地增加和减小，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；当转盘转动使某一磁柱与磁块几何中心重叠时压电片所受压应力最大、磁柱远离磁块时压电片所受压应力开始减小，但压电片始终承受压应力，从而提高了发电装置的可靠性；此外，转盘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。

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，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；利用镶嵌磁柱的转盘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的左视图；

图3是本发明一个较佳实施例中盖板的结构示意图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是本发明一个较佳实施例中换能器的结构原理简图；

图6是图5的俯视图；

具体实施方式

主体1由支架1a、筒壁1b及隔板1c构成，隔板1c上设有导向孔1d，筒壁1b一端经螺钉安装有盖板2，盖板2上均布地设有径向燕尾槽2a；主体1的隔板1c及盖板2上设有燕尾槽2a一侧的中心处分别镶嵌有轴承4；主轴5经轴承4安装在主体1的隔板1c及盖板2上，主轴5经主体1的隔板1c伸出，主轴5端部安装有叶片7；转盘10经卡簧9和平键8固定在主轴5上，转盘10置于筒壁1b内且与隔板1c滑动接触，转盘10侧面上镶嵌有磁柱11，置于同一圆周上各磁柱11均匀分布、且两相邻磁柱11间的距离L小于磁柱11自身半径R。

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3和磁块6构成换能器H，磁块6上设有导柱6a；换能器H上磁块6的导柱6a置于隔板1c的导向孔1d中，换能器H上楔块3置于盖板2的燕尾槽2a中并经主体1的筒壁1b压紧，同一换能器H上的楔块3径向宽度大于磁块6径向宽度；各换能器H上磁块6的磁极配置方向相同、且均与镶嵌在转盘10上的磁柱11的异性磁极靠近安装；转盘10转动时磁块6始终承受来自于转盘10上磁柱11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。

本发明中，置于同一圆周上两相邻磁柱11间的距离L小于磁柱11自身半径R，因此非工作时磁块6与磁柱11间彼此相吸，压电振子h在磁块6与磁柱11间吸引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7受风力作用带动主轴5、转盘10及转盘10上的磁柱11一起转动，因各磁柱11相互耦合后形成的空间磁场强度不同，从而使得转盘10转动时磁块6所受的吸引力及压电振子h所受的拉力不同：当转盘10转动使磁块6与某一磁柱11的几何中心重叠时拉力最大，此后随主轴5的进一步转动吸引力逐渐减小；上述转盘10转动过程中磁块6与磁柱11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所受压应力也交替增加和减小，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；当转盘10转动使某一磁柱11与磁块6几何中心重叠时压电片h2所受压应力最大、磁柱11远离磁块6时压电片h2所受压应力开始减小，但压电片h2始终承受压应力，从而提高了发电装置的可靠性；此外，转盘10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)

1.一种轴向拉伸激励的旋转式风力发电机，其特征在于：主体由支架、筒壁及隔板构成，隔板上设有导向孔，筒壁一端经螺钉装有盖板，盖板上均布地设有径向燕尾槽；隔板及盖板中心处分别镶嵌有轴承；主轴经轴承安装在隔板及盖板上，主轴经隔板伸出，主轴端部装有叶片；转盘经卡簧和平键固定在主轴上，转盘置于筒壁内且与隔板滑动接触，转盘侧面镶有磁柱，置于同一圆周上各磁柱均匀分布、且两相邻磁柱间距小于磁柱半径；两个在其圆弧凸起处粘接有压电片的金属片经铆接构成压电振子，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；换能器上磁块的导柱置于隔板的导向孔中，换能器上的楔块置于盖板的燕尾槽中并经主体的筒壁压紧，同一换能器上楔块的径向宽度大于磁块的径向宽度；各换能器上磁块的磁极配置方向相同、且均与镶嵌在转盘上磁柱的异性磁极靠近安装，转盘转动时磁块始终承受来磁柱的吸引力；装机前金属片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分别为压电片和金属片的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\frac{\mathrm{\α\β}}{(1+k_{31}^2)},$ 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。