CN107395061B - 一种风致压电俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风致压电俘能器，属压电发电领域。端盖装在壳体上；壳体的环形凸台上装有压电振子，压电振子的金属基板靠近安装，垫块两侧压电振子对称布置；端盖和底壁上装有环形限位簧片；压电振子的自由端装有受激磁铁；转轴的左右两端经轴承安装在端盖和底壁上，转轴上均匀嵌有激励磁铁一和激励磁铁二，激励磁铁一与受激磁铁的异性磁极相对安装，激励磁铁二与受激磁铁的异性磁铁相对，安装受激磁铁同性磁极相对安装；转轴的右端经底壁伸出，转轴的右端装有叶片；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压应力的50％。优势特色：风速适应性强，压电片仅受压应力、可靠性高。

Description

一种风致压电俘能器
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种风致压电俘能器，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
本发明提出一种风致压电俘能器，本发明采用的实施方案是：端盖经螺钉安装在壳体上；壳体的环形凸台上经螺钉和压环安装有六对压电振子，每对压电振子之间压接有垫块，压电振子由金属基板和压电片粘接而成，每对压电振子的金属基板靠近安装，垫块两侧压电振子对称布置；压电振子的自由端经螺钉安装有受激磁铁；端盖与壳体的底壁上经螺钉安装有环形限位簧片；转轴的左右两端经轴承分别安装在端盖和壳体的底壁上，转轴上均布地镶嵌有激励磁铁一和激励磁铁二，激励磁铁一相对垫块对称布置，激励磁铁二的中介面与垫块的中介面在同一水平面，激励磁铁一和激励磁铁二均匀地错位布置且磁极沿转轴的径向布置，每对压电振子上的受激磁铁的同性磁极相对布置，激励磁铁一与受激磁铁的异性磁极相对安装，激励磁铁二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 BSA0000149619770000011
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure BSA0000149619770000021
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为金属基板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
Figure BSA0000149619770000022
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一或激励磁铁二作用时，垫块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和激励磁铁二一起转动，从而使受激磁铁与激励磁铁一和激励磁铁二之间的距离及相互作用力交替地增加与减小：受激磁铁与激励磁铁一逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，与激励磁铁二逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随转轴继续转动，受激磁铁与激励磁铁一逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而与激励磁铁二逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；受激磁铁与激励磁铁一和激励磁铁二之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，迫使压电振子单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；当受激磁铁与激励磁铁二相对时，压电振子的弯曲变形量最小；当受激磁铁与激励磁铁一相对时，压电振子的弯曲变形量最大，压电片上的最大压应力不超过其许用值。
优势与特色：①经激励磁铁间接激励，风速适应性强；②压电振子单向弯曲变形、压电片仅承受压应力且最大变形量可控，靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中压电俘能器的结构示意图；
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；壳体b的环形凸台b1上经螺钉和压环c安装有六对压电振子d，每对压电振子d之间压接有垫块i，压电振子d由金属基板d1和压电片d2粘接而成，每对压电振子d的金属基板d1靠近安装，垫块i两侧压电振子d对称布置；压电振子d的自由端经螺钉安装有受激磁铁e；端盖a与壳体b的底壁b2上经螺钉安装有环形限位簧片j；转轴f的左右两端经轴承g分别安装在端盖a和壳体b的底壁b2上，转轴f上均布地镶嵌有激励磁铁一h和激励磁铁二h’，激励磁铁一h相对垫块i对称布置，激励磁铁二h’的中介面与垫块i的中介面在同一水平面，激励磁铁一h和激励磁铁二h’均匀地错位布置且磁极沿转轴i的径向布置，每对压电振子d上的受激磁铁e的同性磁极相对布置，激励磁铁一h与受激磁铁e的异性磁极相对安装，激励磁铁二h’与受激磁铁e的异性磁极相对安装；转轴f的右端经壳体a的底壁b2伸出，转轴f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 BSA0000149619770000031
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure BSA0000149619770000032
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为金属基板d1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
Figure BSA0000149619770000033
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e不受激励磁铁一h或激励磁铁二h’作用时，垫块i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f及激励磁铁一h和激励磁铁二h’一起转动，从而使受激磁铁e与激励磁铁一h和激励磁铁二h’之间的距离及相互作用力交替地增加与减小：受激磁铁e与激励磁铁一h逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，与激励磁铁二h’逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随转轴f继续转动，受激磁铁e与激励磁铁一h逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而与激励磁铁二h’逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；受激磁铁e与激励磁铁一h和激励磁铁二h’之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，迫使压电振子d单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；当受激磁铁e与激励磁铁二h’相对时，压电振子d的弯曲变形量最小；当受激磁铁e与激励磁铁一h相对时，压电振子d的弯曲变形量最大，压电片d2上的最大压应力不超过其许用值。

Claims (1)

1.一种风致压电俘能器，其特征在于：端盖安装在壳体上；端盖经螺钉安装在壳体上；壳体的环形凸台上经螺钉和压环安装有六对压电振子，每对压电振子之间压接有垫块，压电振子由金属基板和压电片粘接而成，每对压电振子的金属基板靠近安装，垫块两侧压电振子对称布置；压电振子的自由端经螺钉安装有受激磁铁；端盖与壳体的底壁上经螺钉安装有环形限位簧片；转轴的左右两端经轴承分别安装在端盖和壳体的底壁上，转轴上均布地镶嵌有激励磁铁一和激励磁铁二，激励磁铁一相对垫块对称布置，激励磁铁二的中截面与垫块的中截面在同一水平面，激励磁铁一和激励磁铁二均匀地错位布置且磁极沿转轴的径向布置，每对压电振子上的受激磁铁的同性磁极相对布置，激励磁铁一与受激磁铁的异性磁极相对安装,激励磁铁二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；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％；受激磁铁不受激励磁铁一或激励磁铁二作用时，垫块两侧压电振子的变形和受力状态分别相同；工作时，当受激磁铁与激励磁铁二相对时，压电振子的弯曲变形量最小；当受激磁铁与激励磁铁一相对时，压电振子的弯曲变形量最大，压电片上的最大压应力不超过其许用值。
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