CN107359818B - 一种压电风车 - Google Patents

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朱雅娜
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Abstract

本发明涉及一种压电风车，属压电发电领域。端盖装在壳体上，端盖及壳体上都装有缓冲簧片；壳体的环形凸台上装有压电振子和激励簧片，压电振子的基板靠近激励簧片安装；压电振子自由端装有顶块，顶块顶靠在激励簧片上，激励簧片自由端安装有质量块和受激磁铁；转轴两端经轴承分别装在端盖和壳体上，转轴的两个截面上都均布地装有激励磁铁，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；转轴右端经壳体底壁伸出，转轴右端装有叶片；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且非工作时压电片上所承受的最大压应力为其许用值的50％。优势特色：系统基频可调范围大、风速适应性强，压电片仅承受压应力、可靠性高。

Description

一种压电风车
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种压电风车，用于自然界风能采集。
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。现有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；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直接利用压电振子端部质量的惯性力使其弯曲变形并发电，其主要弊端是：压电振子双向变形、压电片承受交变的拉压应力作用且缺少必要的限位措施，压电振子尺度及系统固有频率可调节范围小，故可靠性低、风速适应能力差。
发明内容
本发明提出一种压电风车，本发明采用的实施方案是：端盖经螺钉安装在壳体上，端盖上及壳体的底壁上都通过螺钉安装有限位簧片；壳体的环形凸台上经螺钉和压环安装有压电振子和激励簧片，压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近激励簧片安装，激励簧片两侧压电振子的数量相等且对称布置；压电振子的自由端经螺钉安装有顶块，顶块顶靠在激励簧片上，激励簧片的自由端经螺钉安装有质量块和受激磁铁；转轴的左右两端经轴承分别安装在端盖和壳体的底壁上，转轴的两个轴截面上都均布地安装有数量相等的激励磁铁，两个轴截面上的所有激励磁铁在圆周方向上是均布的，即两个轴截面上激励磁铁在轴向叠加后也是均布的；激励磁铁相对激励簧片对称布置，激励磁铁的磁极沿转轴的径向布置，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；转轴的右端经壳体的底壁伸出，转轴的右端经螺钉安装有叶片。
本发明中，压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且非工作时压电片上所承受的最大压应力为其许用压应力的50％，此时压电振子的变形量为
Figure GDA0004177042080000011
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure GDA0004177042080000012
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
Figure GDA0004177042080000023
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。
受激磁铁不受激励磁铁作用时，激励簧片不产生弯曲变形，激励簧片两侧压电振子的变形和受力状态分别相同；工作时，即环境中有风吹过时，叶片受风力作用并带动转轴及激励磁铁一起转动，从而使受激磁铁与其两侧的激励磁铁之间的距离及相互作用力交替地增加与减小：受激磁铁左侧的激励磁铁逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，右侧的激励磁铁逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随转轴继续转动，受激磁铁左侧的激励磁铁逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而右侧激励磁铁逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；受激磁铁与其两侧激励磁铁之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，激励簧片产生往复弯曲变形并经顶块迫使压电振子单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；激励簧片的振幅较大时，受激磁铁振动过程中先与限位簧片接触并使其产生弯曲变形；限位簧片受受激磁铁作用并顶靠在端盖或壳体的底壁上时，压电片上的最大压应力不超过其许用值。
优势与特色：①经激励簧片刚度调节系统固有频率，风速适应性强；②通过激励簧片间接激励，压电振子单向弯曲变形、压电片仅受压应力且最大变形量可控，可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中压电风车的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
端盖a经螺钉安装在壳体b上，端盖a上及壳体b的底壁b2上都通过螺钉安装有限位簧片m；壳体b的环形凸台b1上经螺钉和压环c安装有压电振子d和激励簧片e，压电振子d由基板d1和压电片d2粘接而成，基板d1靠近激励簧片e安装，激励簧片e两侧压电振子d的数量相等且对称布置；压电振子d的自由端经螺钉安装有顶块f，顶块f顶靠在激励簧片e上，激励簧片e的自由端经螺钉安装有质量块h和受激磁铁g；转轴i的左右两端经轴承j分别安装在端盖a和壳体b的底壁b2上，转轴i的两个轴截面上都均布地安装有数量相等的激励磁铁k，两个轴截面上的所有激励磁铁k在圆周方向上是均布的，即两个轴截面上激励磁铁k在轴向叠加后也是均布的；激励磁铁k相对激励簧片e对称布置，激励磁铁k的磁极沿转轴i的径向布置，激励磁铁k与受激磁铁g的异性磁极相对安装；转轴i的右端经壳体b的底壁b2伸出，转轴i的右端经螺钉安装有叶片n。
本发明中，压电振子d安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且非工作时压电片d2上所承受的最大压应力为其许用压应力的50％，此时压电振子d的变形量为
Figure GDA0004177042080000021
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure GDA0004177042080000022
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板d1厚度和压电振子d的总厚度，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2的杨氏模量，k31和
Figure GDA0004177042080000031
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d的长度。
受激磁铁g不受激励磁铁k作用时，激励簧片e不产生弯曲变形，激励簧片e两侧压电振子d的变形和受力状态分别相同；工作时，即环境中有风吹过时，叶片n受风力作用并带动转轴i及激励磁铁k一起转动，从而使受激磁铁g与其两侧的激励磁铁k之间的距离及相互作用力交替地增加与减小：受激磁铁g左侧的激励磁铁k逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，右侧的激励磁铁k逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随转轴i继续转动，受激磁铁g左侧的激励磁铁k逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而右侧激励磁铁k逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；受激磁铁g与其两侧激励磁铁k之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，激励簧片e产生往复弯曲变形并经顶块f迫使压电振子d单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；激励簧片e的振幅较大时，受激磁铁g振动过程中先与限位簧片m接触并使其产生弯曲变形；限位簧片m受受激磁铁g作用并顶靠在端盖a或壳体b的底壁b2上时，压电片d2上的最大压应力不超过其许用值。

Claims (1)

1.一种压电风车，其特征在于：端盖安装在壳体上，端盖上及壳体的底壁上都安装有限位簧片；壳体的环形凸台上安装有压电振子和激励簧片，压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近激励簧片安装，激励簧片两侧压电振子的数量相等且对称布置；压电振子的自由端安装有顶块，顶块顶靠在激励簧片上，激励簧片自由端安装有质量块和受激磁铁；转轴左右两端经轴承分别安装在端盖和壳体的底壁上，转轴的两个轴截面上都均布地安装有数量相等的激励磁铁，两个轴截面上的所有激励磁铁在圆周方向上是均布的，激励磁铁相对激励簧片对称布置，激励磁铁的磁极沿转轴的径向布置，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；转轴右端经壳体的底壁伸出，转轴右端安装有叶片；受激磁铁不受激励磁铁作用时，激励簧片不产生弯曲变形，激励簧片两侧压电振子的变形和受力状态分别相同；工作时，叶片受风力作用并带动转轴及激励磁铁一起转动，从而使受激磁铁与其两侧的激励磁铁之间的距离及相互作用力交替地增加与减小：受激磁铁左侧的激励磁铁逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，右侧的激励磁铁逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随转轴继续转动，受激磁铁左侧的激励磁铁逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而右侧激励磁铁逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；受激磁铁与其两侧激励磁铁之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，激励簧片产生往复弯曲变形并经顶块迫使压电振子单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；工作中激励簧片的振幅较大时，受激磁铁振动过程中先与限位簧片接触并使其产生弯曲变形；限位簧片受受激磁铁作用并顶靠在端盖或壳体的底壁上时，压电片上的最大压应力不超过其许用值。
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