CN107359817A - 一种风致旋磁激励压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风致旋磁激励压电发电机，属于新能源技术领域。壳体左右两端分别安装有左端盖和右端盖，主轴经轴承安装在左右端盖上；主轴上从左到右依次套有左轴套、中间轴套及右轴套，主轴右侧端部安装有叶片；左轴套右侧、中间轴套两侧及右轴套左侧都安装有磁凸轮环；左轴套、中间轴套及右轴套与其所安装的磁凸轮环构成凸轮、左凸轮槽及右凸轮槽；壳体的内壁凸台上装有压电振子，压电振子自由端装有磁块，磁块置于左右凸轮槽内，磁块与其相邻的磁凸轮环之间作用力为排斥力；磁块与左右凸轮槽右侧凸轮面的顶点接触时压电振子不发生弯曲变形，磁块与左右凸轮槽左侧凸轮面的顶点接触时压电振子自由端两叠片复合层处变形量小于其许用值。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种风致旋磁激励压电发电机，为无线传感器节点等微功率系统提供实时能量供应。
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研究，近年来，随着无线传感网络技术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。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。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；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。上述压电发电机的共同特点是都是利用压电振子的双向弯曲变形发电，最大弊端是不同风速时压电振子弯曲变形量变化较大，大变形时压电片易因所受拉应力过大而损毁，而小变形量时发电效果不佳。
发明内容
本发明提出一种风致旋磁激励压电发电机，本发明采用的实施方案是：壳体左右两端经螺钉分别安装有左端盖和右端盖；主轴左端经左轴承安装在左端盖上，主轴右端经右轴承安装在右端盖上；轴承盖经螺钉安装在左端盖上并将左轴承的外圈顶靠在左端盖上，主轴的轴肩顶靠在左轴承的内圈上，主轴上从左到右依次套有左轴套、中间轴套及右轴套，右轴套顶靠在右轴承的内圈上，右轴承的外圈顶靠在右端盖上，主轴的右侧端部安装有叶片；左轴套、中间轴套及右轴套与主轴之间经键相连接，左轴套右侧、中间轴套两侧及右轴套左侧都安装有磁凸轮环；左轴套、中间轴套及右轴套与其所安装的磁凸轮环构成凸轮，凸轮上左侧两个磁凸轮环构成左凸轮槽、右侧两个磁凸轮环构成右凸轮槽，左右凸轮槽的尺度及轮廓相同；壳体的内壁凸台上经螺钉及压环安装有压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子的自由端经铆钉安装有两个磁块，磁块置于左凸轮槽或右凸轮槽内，磁块为半球形，磁块与其相邻的磁凸轮环之间的作用力为排斥力；压电振子经不同的导线组与电路板相连，电路板经螺钉安装在左端盖或右端盖上。
工作中有风吹过时，叶片带动主轴及凸轮转动，置于左凸轮槽及右凸轮槽中的磁块随凸轮的转动而产生往复的运动，从而迫使压电振子产生往复的左右弯曲变形，并将机械转换成电能，所生成的电能经电路板上的电路转换处理后存储在超级电容或电池内。
凸轮转动过程中，磁块与左凸轮槽或右凸轮槽右侧凸轮面的顶点接触时，压电振子不发生弯曲变形、压电片上的应力为零；当磁块与左凸轮槽或右凸轮槽左侧凸轮面的顶点接触时，压电振子自由端两叠片复合层处的变形量达到最大，此时压电片上的最大压应力小于其许用值、压电振子自由端两叠片复合层处的最大变形量小于其许用值X，且有其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板厚度和压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。
优势与特色：压电振子单向弯曲变形、压电片仅承受压应力；压电振子的变形量由凸轮升程决定，不同转速时压电振子的最大变形量及压电片上的最大应力都相同，故可靠性高、有效频带宽、发电与供电能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面图；
图2是本发明一个较佳实施例中凸轮的结构示意图；
图3是图2所示凸轮的展开示意图；
图4是图1的A-A的剖视图；
图5是图1中凸轮转过45度时的结构剖面图。
具体实施方式
壳体a的左右两端经螺钉分别安装有左端盖b和右端盖c；主轴d的左端经左轴承e安装在左端盖b上，主轴d的右端经右轴承f安装在右端盖c上；轴承盖g经螺钉安装在左端盖b上并将左轴承e的外圈顶靠在左端盖b上，主轴d的轴肩d1顶靠在左轴承e的内圈上，主轴d上从左到右依次套有左轴套h、中间轴套i及右轴套j，右轴套j顶靠在右轴承f的内圈上，右轴承f的外圈顶靠在右端盖c上，主轴d的右侧端部安装有叶片s；左轴套h、中间轴套i及右轴套j与主轴d之间经键k相连接，左轴套h的右侧、中间轴套i的两侧及右轴套j的左侧都安装有磁凸轮环m；左轴套h、中间轴套i及右轴套j与其所安装的磁凸轮环m构成凸轮T，凸轮T上左侧的两个磁凸轮环m构成左凸轮槽T1、右侧两个磁凸轮环m构成右凸轮槽T2，左凸轮槽T1与右凸轮槽T2的尺度及轮廓相同；壳体a的内壁凸台上经螺钉及压环n安装有压电振子p，压电振子p由基板p1和压电片p2粘接而成，压电振子p的自由端经铆钉安装有两个磁块q，磁块q置于左凸轮槽T1或右凸轮槽T2内，磁块q为半球形，磁块q与其相邻的磁凸轮环m之间的作用力为排斥力；压电振子p经不同的导线组与电路板r相连，电路板r经螺钉安装在左端盖b或右端盖c上。
工作中，有风吹过时，叶片s带动主轴d及凸轮T转动，置于左凸轮槽T1及右凸轮槽T2中的磁块q随凸轮T的转动而产生往复的运动，从而迫使压电振子p产生往复的左右弯曲变形，并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板r上的电路转换处理后存储在超级电容或电池内。
凸轮T转动过程中，磁块q与左凸轮槽T1或右凸轮槽T2右侧凸轮面的顶点Z接触时，压电振子p不发生弯曲变形、压电片p2上的应力为零；当磁块q与左凸轮槽T1或右凸轮槽T2左侧凸轮面的顶点Y接触时，压电振子p自由端两叠片复合层处的变形量达到最大，此时压电片p2上的最大压应力小于其许用值、压电振子p自由端两叠片复合层处的最大变形量小于其许用值X，且有其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板p1的厚度和压电振子p的总厚度，Em和Ep分别为基板p1和压电片p2的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子p的长度。
Claims (1)
1.一种风致旋磁激励压电发电机，其特征在于：壳体左右两端分别安装有左端盖和右端盖；主轴左端经左轴承安装在左端盖上，主轴右端经右轴承安装在右端盖上；轴承盖安装在左端盖上并将左轴承外圈顶靠在左端盖上，主轴的轴肩顶靠在左轴承的内圈上；主轴上从左到右依次套有左轴套、中间轴套及右轴套，右轴套顶靠在右轴承内圈上，右轴承外圈顶靠在右端盖上，主轴右侧端部安装有叶片；左轴套、中间轴套及右轴套与主轴之间经键相连接，左轴套右侧、中间轴套两侧及右轴套左侧都安装有磁凸轮环；左轴套、中间轴套及右轴套与其所安装的磁凸轮环构成凸轮，凸轮上左侧两个磁凸轮环构成左凸轮槽、右侧两个磁凸轮环构成右凸轮槽，左右凸轮槽的尺度及轮廓相同；壳体的内壁凸台上经螺钉及压环装有压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子的自由端经铆钉安装有两个磁块，磁块置于左凸轮槽或右凸轮槽内，磁块为半球形，磁块与其相邻的磁凸轮环之间的作用力为排斥力；压电振子经不同的导线组与电路板相连，电路板安装在左端盖或右端盖上；凸轮转动过程中磁块与左右凸轮槽右侧凸轮面顶点接触时压电振子不发生弯曲变形，磁块与左右凸轮槽左侧凸轮面顶点接触时压电振子自由端两叠片复合层处的变形量最大且小于其许用值。
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