CN107508493B - 一种装有磁力弹簧的压电风车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种装有磁力弹簧的压电风车，属压电发电领域。端盖装在壳体上，端盖及壳体的底壁装有缓冲、限位簧片；壳体的环形凸台装有压电振子和激励簧片；压电振子的自由端装有被悬浮磁铁，悬浮磁铁装在激励簧片上，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装，激励簧片的自由端装有质量块和受激磁铁；转轴装在端盖和壳体的底壁上，转轴的两个截面上装有激励磁铁，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；转轴的右端经壳体的底壁伸出，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
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种装有磁力弹簧的压电风车，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。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是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
本发明提出一种装有磁力弹簧的压电风车，本发明采用的实施方案是：端盖经螺钉安装在壳体上，端盖及壳体的底壁上都通过螺钉安装有缓冲簧片和限位簧片；壳体的环形凸台上经螺钉和压环均布地安装有压电振子和激励簧片，压电振子由金属基板和压电片粘接而成，金属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被悬浮磁铁，悬浮磁铁经螺钉安装在激励簧片上，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装，激励簧片的自由端两侧经螺钉都安装有质量块和受激磁铁；缓冲簧片和限位簧片分别与压电振子和激励簧片的自由端相对安装，其功能是限制压电振子和激励簧片的变形量、避免压电振子和激励簧片与端盖或壳体的底壁产生刚性冲击；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激励磁铁，两个轴截面上激励磁铁的数量相等且均为压电振子数量的一半，所有激励磁铁在同一轴截面上的投影依然均布且投影的数量与压电振子数量相同，激励磁铁所在的两个轴截面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j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分别为金属基板厚度和压电振子总厚度，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。
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使悬浮磁铁与被悬浮磁铁之间的距离不断改变，迫使压电振子单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；限位簧片受压电振子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、压电片仅承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及壳体b的底壁b2上都通过螺钉安装有缓冲簧片n和限位簧片r；壳体b的环形凸台b1上经螺钉和压环c均布地安装有压电振子d和激励簧片e，压电振子d由金属基板d1和压电片d2粘接而成，金属基板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被悬浮磁铁f，悬浮磁铁g经螺钉安装在激励簧片e上，被悬浮磁铁f与悬浮磁铁g的同性磁极相对安装，激励簧片e的自由端两侧经螺钉都安装有质量块h和受激磁铁i；缓冲簧片n和限位簧片r分别与压电振子d和激励簧片e的自由端相对安装，其功能是限制压电振子d和激励簧片e的变形量、避免压电振子d和激励簧片e与端盖a或壳体b的底壁b2产生刚性冲击；转轴j的左右两端经轴承k分别安装在端盖a和壳体b的底壁b2上，转轴j的两个轴截面上都均布地安装有激励磁铁m，两个轴截面上激励磁铁m的数量相等且均为压电振子d的数量的一半，所有激励磁铁m在同一轴截面上的投影依然均布且投影的数量与压电振子数量相同，激励磁铁m所在的两个轴截面相对激励簧片e对称布置，激励磁铁m的磁极沿转轴j的径向布置，激励磁铁m与受激磁铁i的异性磁极相对安装；转轴j的右端经壳体b的底壁b2伸出，转轴j的右端经螺钉安装有叶片x。
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％，此时压电振子的变形量为其中：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。
受激磁铁i不受激励磁铁m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x受风力作用并带动转轴j及激励磁铁m一起转动，从而使受激磁铁i与其两侧的激励磁铁m之间的距离及相互作用力交替地增加与减小；受激磁铁i左侧的激励磁铁m逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，右侧的激励磁铁m逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随转轴j继续转动，受激磁铁i左侧的激励磁铁m逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而右侧激励磁铁m逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；受激磁铁i与其两侧激励磁铁m之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，激励簧片e产生往复弯曲变形使悬浮磁铁g与被悬浮磁铁f之间的距离不断改变，迫使压电振子d单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；限位簧片r受压电振子d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)
1.一种装有磁力弹簧的压电风车，其特征在于：端盖安装在壳体上，端盖及壳体的底壁安装有缓冲簧片和限位簧片；壳体的环形凸台上均布地安装有压电振子和激励簧片，压电振子由金属基板和压电片粘接而成，金属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被悬浮磁铁，悬浮磁铁安装在激励簧片上，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装，激励簧片的自由端两侧都安装有质量块和受激磁铁；缓冲簧片和限位簧片分别与压电振子和激励簧片的自由端相对安装，其功能是限制压电振子和激励簧片的变形量、避免压电振子和激励簧片与端盖或壳体的底壁产生刚性冲击；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激励磁铁，两个轴截面上激励磁铁的数量相等且均为压电振子数量的一半，所有激励磁铁在同一轴截面上的投影依然均布且投影的数量与压电振子数量相同，激励磁铁所在的两个轴截面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；限位簧片受压电振子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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