CN107395059B - 一种风力致振俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风力致振俘能器，属新能源技术领域。端盖安装在壳体上；设有凸轮环的凸轮转轴的左右两端经轴承安装在端盖上和壳体的底壁上，凸轮环左右两侧的凸轮面上安装有磁凸轮环，磁凸轮环可为多段拼接结构；壳体的环形凸台上安装有两组压电振子，压电振子由金属基板和压电片粘接而成，两组压电振子之间压接有垫环，金属基板靠近垫环安装；压电振子的自由安装有磁块，磁块与磁凸轮环的同性磁极相对安装；凸轮转轴的右端经壳体的底壁伸出并经螺钉安装有叶片；压电振子与磁凸轮环最远点正对时为平直结构、不产生反向的拉应力，压电振子与磁凸轮环最近点正对时的最大变形量不大于其许用值。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种风力致振俘能器，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或压电原理的，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；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都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
本发明提出一种风力致振俘能器，本发明采用的实施方案是：端盖经螺钉安装在壳体上；设有凸轮环的凸轮转轴的左右两端经轴承安装在端盖上和壳体的底壁上，凸轮环左右两侧的凸轮面上安装有磁凸轮环，磁凸轮环可为多段拼接结构；壳体的环形凸台上经螺钉和压环安装有两组压电振子，压电振子由金属基板和压电片粘接而成，两组压电振子之间压接有垫环，金属基板靠近垫环安装；压电振子的自由端经螺钉安装有磁块，磁块与磁凸轮环的同性磁极相对安装；凸轮转轴的右端经壳体的底壁伸出并经螺钉安装有叶片。
以左侧的压电振子为例，当压电振子与磁凸轮环的最远点Y正对时，压电振子为平直结构、不会产生反向的拉应力，当压电振子与磁凸轮环的最近点Z正对时，压电振子受磁凸轮环与磁块的耦合作用使其自由端变形达到最大但不大于其许用变形量，压电片上的最大压应力不大于其许用值，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＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为金属基板的厚度和压电振子的总厚度，Em和Ep分别为金属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。
工作时，即环境中有风吹过时，叶片受风力作用并带动凸轮转轴及凸轮环与磁凸轮环一起转动，磁块与磁凸轮环间的距离及相互排斥力逐渐地增加或减小，从而使压电振子作往复运动并将机械能转换为电能；当一侧的压电振子的变形量逐渐增加时，压电片所受压应力逐渐增加但不至大于许用值，此时另一侧的压电振子在其自身弹性力的作用下逐渐复位，压电片所受压应力逐渐降低但不至出现拉应力。
优势与特色：压电振子单向弯曲变形、压电片仅承受压应力；换能器的变形量由凸轮环的升程决定，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俘能器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明一个较佳实施例中凸轮转轴与磁凸轮环装配后的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中凸轮转轴的展开示意图。
具体实施方式
端盖a经螺钉安装在壳体b上；设有凸轮环f1的凸轮转轴f的左右两端经轴承j分别安装在端盖a上和壳体b的底壁b2上，凸轮环f1左右两侧的凸轮面上安装有磁凸轮环k，磁凸轮环k可为多段拼接结构；壳体b的环形凸台b1上经螺钉和压环c安装有两组压电振子d，压电振子d由金属基板d1和压电片d2粘接而成，两组压电振子d之间压接有垫环g，金属基板d1靠近垫环g安装；压电振子d的自由端经螺钉安装有磁块e，磁块e与磁凸轮环k的同性磁极相对安装；凸轮转轴f的右端经壳体b的底壁b2伸出并经螺钉安装有叶片n。
以左侧的压电振子d为例，当压电振子d与磁凸轮环k的最远点Y正对时，压电振子d为平直结构、不会产生反向的拉应力，当压电振子d与磁凸轮环k的最近点Z正对时，压电振子受磁凸轮环k与磁块e的耦合作用使其自由端变形达到最大但不大于其许用变形量，压电片d2上的最大压应力不大于其许用值，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＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为金属基板d1的厚度和压电振子d的总厚度，Em和Ep分别为金属基板d1和压电片d2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d的长度。
工作时，即环境中有风吹过时，叶片n受风力作用并带动凸轮转轴f及凸轮环f1与磁凸轮环k一起转动，磁块e与磁凸轮环k间的距离及相互排斥力逐渐地增加或减小，从而使压电振子d作往复运动并将机械能转换为电能；当一侧的压电振子d的变形量逐渐增加时，压电片d2所受压应力逐渐增加但不至大于许用值，此时另一侧的压电振子d在其自身弹性力的作用下逐渐复位，压电片d2所受压应力逐渐降低但不至出现拉应力。
Claims (1)
1.一种风力致振俘能器，其特征在于：壳体为由侧壁与底壁构成的筒形结构，壳体的端口和底壁分别位于侧壁的左右两端，端盖安装在壳体的端口上；设有凸轮环的凸轮转轴的左右两端分别经轴承安装在端盖上和壳体的底壁上，凸轮环左右两侧的凸轮面上装有磁凸轮环，磁凸轮环可为多段拼接结构，凸轮环和磁凸轮环均为轴向凸轮；壳体的侧壁内侧设有环形凸台，环形凸台上安装有两组压电振子，压电振子由金属基板和金属基板一侧的压电片粘接而成，两组压电振子之间压接有垫环，压电振子固定端的金属基板与垫环接触安装；压电振子的自由安装有磁块，磁块与磁凸轮环的轴向侧面正对安装，磁块与磁凸轮环的同性磁极相对；凸轮转轴的右端经壳体的底壁伸出并装有叶片；压电振子与磁凸轮环最远点正对时为平直结构、不产生反向的拉应力，压电振子与磁凸轮环最近点正对时的最大变形量不大于其许用值其中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分别为金属基板的厚度和压电振子的总厚度，Em和Ep分别为金属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。
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