CN107395054A - 一种间接激励的多振子压电风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种间接激励的多振子压电风力发电机，属流体发电领域。壳体侧壁上设有通流孔，壳体的一端装有带通流孔和凸台的立板，凸台上装有压电振子组和弹性簧片，每组压电振子都至少包含两个端部装有被悬浮磁铁的压电振子；弹性簧片上装有悬浮磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁同性磁极相对安装；弹性簧片的非固定端装有质量块和扰流体，扰流体上镶嵌有两个动磁铁；壳体的上下侧壁装有两个定磁铁，动磁铁和定磁铁的同性磁极相对安装；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构。优势特色：自激振动发电，流体速度和方向的适应性强、结构简单；压电片仅受压应力，可靠性高；多振子同步工作，发电能力强。

Description

一种间接激励的多振子压电风力发电机

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种间接激励的多振子压电风力发电机，为无线传感器节点提供能量供应。

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的日趋成熟及其在环境、建筑、桥梁、军事及公共安全等监测领域应用的普及，为其提供持续的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。现有的压电式风力发电机大都为旋转式的，即首先利用风使叶片旋转、再有叶片带动转轴激励压电振子发电，该类发电机除了结构复杂、需要机械部件转换运动外，风速较低时也难以驱动叶片旋转发电、并且工作时压电片承受交变的拉压应力，压电振子易因所受拉应力过大而损毁。

发明内容

针对传感器节点的供电需求及现有微小型风力发电机所存在的问题，本发明提出一种间接激励的多振子压电风力发电机，本发明采用的实施方案是：壳体的各侧壁上都设有通流孔，壳体的一端经螺钉安装有立板，立板上设有通流孔和凸台，凸台上通过螺钉和压块安装有压电振子组和弹性簧片，每组压电振子都至少包含压电振子一和压电振子二；限位簧片上设有连接片，限位簧片经连接片和螺钉安装在壳体的前后侧壁之间；压电振子一由基板一和压电晶片一粘接而成，基板一靠近弹性簧片安装；压电振子二由基板二和压电晶片二粘接而成，基板二靠近弹性簧片安装；弹性簧片与压电振子一之间、压电振子一与压电振子二之间都压接有垫片；压电振子一的非固定端经螺钉安装有被悬浮磁铁一，被悬浮磁铁一安装在压电振子一的基板一的一侧，压电振子二的非固定端经螺钉安装有被悬浮磁铁二，悬浮磁铁一和悬浮磁铁二经螺钉安装在弹性簧片上，被悬浮磁铁一与悬浮磁铁一的同性磁极相对安装，被悬浮磁铁二与悬浮磁铁二的同性磁极相对安装；弹性簧片的非固定端经螺钉安装有质量块和椭圆形的扰流体，扰流体为中空结构，扰流体上对称地镶嵌有两条动磁铁；壳体的上下侧壁上经螺钉对称地安装有两条定磁铁，动磁铁和定磁铁的同性磁极相对安装，动磁铁和定磁铁的几何中心位于同一个圆周上。

压电振子组安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片一、压电片二上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子一和压电振子二的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6cα²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为基板一或基板二的厚度，H为压电振子一或压电振子二总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电材料的杨氏模量，k₃₁和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子一或压电振子二的长度。

非工作状态下，弹性簧片两侧的压电振子一和压电振子二的变形和受力状态分别相同。工作时，即有流体流过扰流体时，扰流体会受到流体施加的上下交变的作用力，从而带动弹性簧片往复摆动，经悬浮磁铁一与被悬浮磁铁一间的作用力迫使压电振子一产生单向弯曲变形、经悬浮磁铁二与被悬浮磁铁二间的作用力压电振子二产生单向弯曲变形；当弹性簧片某一侧的压电振子一和压电振子二弯曲变形量逐渐增加时，另一侧压电振子一和压电振子二弯曲变形量逐渐减小，从而使压电晶片一和压电晶片二所受压应力的交替增加与减小并将机械能转变成电能。扰流体往复摆动过程中，同时受流体力、弹性簧片与压电振子组的弹性力、及动磁铁与定磁铁间的排斥力的共同作用，流体力是扰流体往复摆动运动的驱动力、弹性簧片与压电振子组的弹性力以及动磁铁与定磁铁间的排斥力为阻力；当压电振子二与限位簧片接触时，压电晶片一或压电晶片二所受的压应力为其许用压应力。

优势与特色：①利用钝体所受流体升力产生自激振动，振力及激励频率可通过扰流体尺度调节，低速时激励效果也较好，流体速度及方向适应性强、结构简单；②工作中压电片仅承受压应力，可靠性高；③定磁铁具有缓冲的功能，限位簧片具有限位的功能，进一步提高了可靠性；④弹性簧片同时激励多个压电振子，发电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图2的I放大图；

图4是本发明一个较佳实施例中限位簧片的结构示意图；

图5是图3的俯视图。

具体实施方式

壳体b的各侧壁上都设有通流孔b1，壳体b的一端经螺钉安装有立板a，立板a上设有通流孔a1和凸台a2，凸台a2上通过螺钉和压块p安装有压电振子组Y和弹性簧片c，每组压电振子Y都至少包含压电振子一e和压电振子二e’；限位簧片r上设有连接片r1，限位簧片r经连接片r1和螺钉安装在壳体b的前后侧壁之间；压电振子一e由基板一e1和压电晶片一e2粘接而成，基板一e1靠近弹性簧片c安装；压电振子二e’由基板二e1’和压电晶片二e2’粘接而成，基板二e1’靠近弹性簧片c安装；弹性簧片c与压电振子一e之间、压电振子一e与压电振子二e’之间都压接有垫片i；压电振子一e的非固定端经螺钉安装有被悬浮磁铁一f，被悬浮磁铁一f安装在压电振子一e的基板一e1的一侧，压电振子二e’的非固定端经螺钉安装有被悬浮磁铁二f’，悬浮磁铁一k和悬浮磁铁二k’经螺钉安装在弹性簧片c上，被悬浮磁铁一f与悬浮磁铁一k的同性磁极相对安装，被悬浮磁铁二f’与悬浮磁铁二k’的同性磁极相对安装；弹性簧片c的非固定端经螺钉安装有质量块j和椭圆形的扰流体d，扰流体d为中空结构，扰流体d上对称地镶嵌有两条动磁铁h；壳体b的上下侧壁上经螺钉对称地安装有两条定磁铁g，动磁铁h和定磁铁g的同性磁极相对安装，动磁铁h和定磁铁g的几何中心位于同一个圆周上。

压电振子组Y安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片一e2、压电片二e2’上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子一e和压电振子二e’的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为基板一e1或基板二e1’的厚度，H为压电振子一e或压电振子二e’总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电材料的杨氏模量，k₃₁和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子一e或压电振子二e’的长度。

非工作状态下，弹性簧片c两侧的压电振子一e和压电振子二e’的变形和受力状态分别相同。工作时，即有流体流过扰流体d时，扰流体d会受到流体施加的上下交变的作用力，从而带动弹性簧片c往复摆动，经悬浮磁铁一k与被悬浮磁铁一f间的作用力迫使压电振子一e产生单向弯曲变形、经悬浮磁铁二k’与被悬浮磁铁二f’间的作用力压电振子二e’产生单向弯曲变形；当弹性簧片c某一侧的压电振子一e和压电振子二e’弯曲变形量逐渐增加时，另一侧压电振子一e和压电振子二e’弯曲变形量逐渐减小，从而使压电晶片一e2和压电晶片二e2’所受压应力的交替增加与减小并将机械能转变成电能。扰流体d往复摆动过程中，同时受流体力、弹性簧片c与压电振子组Y的弹性力、及动磁铁h与定磁铁g间的排斥力的共同作用，流体力是扰流体d往复摆动运动的驱动力、弹性簧片c与压电振子组Y的弹性力以及动磁铁h与定磁铁g间的排斥力为阻力；当压电振子二e’与限位簧片r接触时，压电晶片一e2或压电晶片二e2’所受的压应力为其许用压应力。

Claims (1)

1.一种间接激励的多振子压电风力发电机，其特征在于：壳体的各侧壁上都设有通流孔，壳体的一端安装有立板，立板上设有通流孔和凸台，凸台上安装有压电振子组和弹性簧片，每组压电振子都至少包含压电振子一和压电振子二；限位簧片上设有连接片，限位簧片经连接片和螺钉安装在前后立板之间；压电振子一由基板一和压电晶片一粘接而成，基板一靠近弹性簧片安装；弹性簧片与压电振子一之间、压电振子一与压电振子二之间都压接有垫片；压电振子一的非固定端安装有被悬浮磁铁一，被悬浮磁铁安装在压电振子一的基板一的一侧，压电振子二的非固定端安装有被悬浮磁铁二，悬浮磁铁一和悬浮磁铁二安装在弹性簧片，被悬浮磁铁一与悬浮磁铁一同性磁极相对安装，被悬浮磁铁二与悬浮磁铁二同性磁极相对安装；弹性簧片的非固定端安装有质量块和椭圆形的扰流体，扰流体为中空结构，扰流体上对称地镶嵌有两个动磁铁；壳体的上下侧壁上对称地安装有两个定磁铁，动磁铁和定磁铁的同性磁极相对安装，动磁铁和定磁铁的几何中心位于同一个圆周上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半；非工作状态下，弹性簧片两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同；当压电振子二与限位簧片接触时，压电片所受的压应力为其许用压应力。