CN110335523B - 一种可自动变桨的风机模型 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的一种可自动变桨的风机模型，支撑板上固定设置有风速仪，支座底部固定安装有PLC控制器和灯泡，电机通过导线与灯泡电连接，轮毂表面均匀分布有若干叶片，叶片后缘通过合页与轮毂固定连接，叶片内侧固定设置有行程开关A和电磁铁A，行程开关A与电磁铁A为电连接，在轮毂表面上且在叶片位置下方固定安装有滑轨，滑轨上设置有可延该滑轨滑动的移动凸轮和凸轮移动装置，凸轮移动装置可带动移动凸轮行走，移动凸轮顶部与行程开关A、电磁铁A接触，风速仪、步进电机、行程开关A均受控于PLC控制器；此装置结构简单、操作简便，在删繁就简的基础上，能够清楚直观的展示风机变桨的工作原理，起到了很好的教学实验效果。
Description
技术领域
本发明涉及用于展示风力发电机的教学模型领域，具体是一种可自动变桨的风机模型。
背景技术
风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备，风力发电机一般有风轮、发电机、调向器（尾翼）、塔架和限速安全机构和储能装置等构件组成，风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电，广义地说，风能也是太阳能，所以也可以说风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机。
目前市场上的风力发电机，能够有效的将风能转化为日常使用的电能，具有节能环保的意义，在使用过程中，当风力过大时，容易使其转速过快，最后导致电机烧毁，而变桨控制可使风机在低风速时即可获得电能，在风速大于额定风速时截获到固定大小的风能，有效的减少了风力发电机的过程隐患。
由于缺乏风机变桨直观的教学仪器装置，在科普教育及教学中很难让人理解其工作原理和流程，随着科学技术的发展和人们对教学要求的提高，为了能够更好的在教学中进行演示，提高教学效果，人们需要一种模型仪器来直观的演示风机变桨并与教材知识紧密的结合，来取得良好的教学效果，模型需能够在反应主要结构及流程的基础上删繁就简，让观看者清晰直观的了解风机变桨的工作原理及其主要结构，是风机模型制作现在所要解决的问题。
发明内容
针对以上技术问题，本发明所要达到的技术效果是提供具有结构简单、操作简便、具有较好展示效果的可自动变桨的风机模型。
为解决上述技术问题，本发明所提供的一种可自动变桨的风机模型，包括支座，所述支座顶部固定安装有支撑板，所述支撑板上固定设置有齿轮箱、电机、风速仪，所述齿轮箱与所述电机之间通过动力输出轴固定连接，所述齿轮箱与轮毂圆心之间通过动力输入轴固定连接，所述支座底部固定安装有PLC控制器和灯泡，所述灯泡通过导线与所述电机电连接；所述轮毂表面均匀分布有若干叶片，所述叶片后缘通过合页与所述轮毂固定连接，所述叶片内侧固定设置有行程开关A和电磁铁A，所述行程开关A与所述电磁铁A为一体并电连接，所述轮毂表面固定安装有滑轨，所述滑轨上滑动设置有移动凸轮和凸轮移动装置，所述凸轮移动装置可带动所述移动凸轮行走，所述移动凸轮顶部与所述所述行程开关A和电磁铁A接触；所述风速仪、凸轮移动装置、行程开关A均受控于所述PLC控制器。
进一步，所述凸轮移动装置包括移动齿条、齿轮、步进电机，所述移动齿条与所述移动凸轮的一端固定连接，所述步进电机固定安装在所述轮毂表面，该步进电机的转动轴上固定设置有所述齿轮，该齿轮与所述移动齿条相啮合，所述移动凸轮与所述移动齿条嵌于所述滑轨内，所述步进电机受控于所述PLC控制器。
进一步，所述移动凸轮与所述移动齿条之间固定设置有行程开关B，所述移动凸轮底部固定设置有电磁铁B，该电磁铁B与所述行程开关B为电连接，所述行程开关B受控于所述PLC控制器。
进一步，所述滑轨设置于所述弹簧、合页与所述轮毂连接点之间。
进一步，所述滑轨靠近所述轮毂边缘的一端固定设有强磁铁。
进一步，所述轮毂表面设有强磁铁，该强磁铁位于所述叶片下方。
进一步，所述动力输出轴由连接轴A通过联轴器A与连接轴B固定组合而成，所述动力输入轴由连接轴C通过联轴器B与连接轴D固定组合而成。
进一步，所述滑轨长度小于所述轮毂的半径。
进一步，所述移动凸轮、滑轨、叶片均为磁性材料。
进一步，所述叶片至少有两个。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明中设置有凸轮移动装置，同时结合步进电机，通过PLC控制器的信号控制，移动凸轮可自动向前行进或后退，移动凸轮的行进可使叶片呈不同角度的变化，以此来达到风机模型在叶片转动过程中叶片自动变桨的过程展示。
2、本发明中设置有风速仪，且该风速仪与PLC控制器连接，通过风速仪对外界风速的实时监测，当风速达到设定值时，将信号值反馈给PLC控制器，PLC控制器可控制步进电机工作，以此来带动移动凸轮行走，使叶片进行角度变化，即实现了风机模型可根据外界风力的大小进行变桨过程展示。
3、本发明通过导线将电机与灯泡电连接，可通过灯泡明暗程度，更加直观的观察风电叶片功率测试实验。
4、本发明中设置有行程开关A和电磁铁A，当行程开关A启动后，电磁铁A可吸住移动凸轮，使叶片呈现一定角度时不会晃动，保证了风机模型在实验过程中叶片角度的稳定性。
5、本发明中设置有行程开关B和电磁铁B，当移动凸轮向轮毂圆心处行进时，齿轮触碰行程开关B启动，电磁铁B将移动凸轮紧紧吸附于滑轨内，更进一步的保证了移动凸轮在轮毂转动时的稳定性。
6、本发明中在轮毂上设置有强磁铁，当外界风速减小，叶片变桨，角度无变化时，此强磁铁可将叶片吸附于轮毂表面，以避免轮毂在转动过程时叶片出现乱摆的情况，提高了风机模型在实验过程中的安全性。
7、本发明中，棘爪与轮毂上的弹簧固定连接，由于移动凸轮将叶片顶起或放下，弹簧产生一定的拉力，此拉力可避免了叶片在转动过程中，出现叶片乱摆的问题，提高了装置的展示效果。
8、本发明在动力输入轴和动力输出轴上均设置有联轴器，通过鼓风机模拟外界风力吹动叶片转动时，可有效保护动力输入轴和动力输出轴在转动过程中承受过大的载荷，起到过载保护的作用。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为图1的左视图；
图3为本发明叶片与滑轨的位置结构示意图；
图4为本发明移动凸轮与移动齿条的侧视结构示意图。
图中：1、叶片，2、轮毂，3、步进电机，4、滑轨，5、电磁铁A，6、行程开关A，7、合页，8、移动凸轮，9、行程开关B，10、齿轮，11、移动齿条，12、强磁铁，13、电磁铁B，14、联轴器B，15、齿轮箱，16、联轴器A，17、电机，18、动力输入轴，18-1、连接轴C，18-2、连接轴D，19、动力输出轴，19-1、连接轴A，19-2、连接轴B，20、导线，21、灯泡，22、风速仪，23、支撑板，24、PLC控制器，25、支座，26、凸轮移动装置，27、棘爪，28、弹簧。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明做进一步说明。
如图1、2、3、4所示的一种可自动变桨的风机模型，包括支座25，支座25顶部固定安装有支撑板23，支撑板23上固定设置有齿轮箱15、电机17、风速仪22，齿轮箱15与电机17之间通过动力输出轴19固定连接，齿轮箱15与轮毂2圆心之间通过动力输入轴18固定连接，支座25底部固定安装有PLC控制器24和灯泡21，灯泡21通过导线20与电机17电连接，轮毂2表面均匀分布有若干叶片1，叶片1后缘通过合页7与轮毂2固定连接，叶片1内侧固定设置有行程开关A6和电磁铁A5，行程开关A6与电磁铁A5为一体并电连接，轮毂2表面固定安装有滑轨4，滑轨4上滑动设置有移动凸轮8和凸轮移动装置26，凸轮移动装置26可带动移动凸轮8行走，移动凸轮8顶部与行程开关A6和电磁铁A5接触，风速仪22、凸轮移动装置26、行程开关A6均受控于所述PLC控制器24；凸轮移动装置26包括移动齿条11、齿轮10、步进电机3，移动齿条11与移动凸轮8的一端固定连接，步进电机3固定安装在轮毂2表面，该步进电机3的转动轴上固定设置有齿轮10，齿轮10与移动齿条11相啮合，移动凸轮8与移动齿条11嵌于滑轨4内，步进电机3受控于所述PLC控制器24；移动凸轮8与移动齿条11之间固定设置有行程开关B9，移动凸轮8底部固定设置有电磁铁B13，该电磁铁B13与行程开关B9为电连接，行程开关B9受控于PLC控制器24；滑轨4设置于弹簧、合页与轮毂2连接点之间；轮毂2表面设有强磁铁12，该强磁铁12位于叶片1下方；叶片1前缘固定连接有棘爪26，该棘爪26通过弹簧27与轮毂2连接；动力输出轴19由连接轴A19-1通过联轴器A16与连接轴B19-2固定组合而成，动力输入轴18由连接轴C18-1通过联轴器B14与连接轴D18-2固定组合而成；滑轨4长度小于轮毂2的半径；移动凸轮8、滑轨4、叶片1均为磁性材料；叶片1至少有两个。
本发明的工作过程为：在装置使用前，确保装置完好，同时确保PLC控制器24分别与步进电机3（42BYGH34）、风速仪22（AZ8908）、行程开关A6（德力西JLXK1-511）、行程开关B9（德力西JLXK1-511）双向信号连接，确保行程开关A6（德力西JLXK1-511）、行程开关B9（德力西JLXK1-511）、步进电机3（42BYGH34）、风速仪22（AZ8908）、PLC控制器24均与电源连接，行程开关A6（德力西JLXK1-511）与电磁铁A5（伊莱科ELE-P100/40 24V）电连接，行程开关B9（德力西JLXK1-511）与电磁铁B13（伊莱科ELE-P100/40 24V）电连接，行程开关A6（德力西JLXK1-511）的开启和关闭与电磁铁A5（伊莱科ELE-P100/40 24V）的有磁性和无磁性相对应，行程开关B9（德力西JLXK1-511）的开启和关闭与电磁铁B13（伊莱科ELE-P100/40 24V）的有磁性和无磁性相对应，在PLC控制器24上设定风速值V，设定步进电机3（42BYGH34）正转方向为移动齿条11向轮毂2边缘移动的方向，步进电机3（42BYGH34）反转方向为移动齿条11向轮毂2圆心移动的方向；开启外置鼓风机，鼓风机模拟外界风力吹动叶片1及轮毂2转动，同时风速仪22（AZ8908）实时监测吹向叶片1的风速，当外界风速逐渐达到V时，风速仪22（AZ8908）将信号传输至PLC控制器24，PLC控制器24控制步进电机3（42BYGH34）正转，步进电机3（42BYGH34）转动带动了齿轮10转动，齿轮10与移动齿条11相啮合，移动齿条11会在齿轮10正转的情况下沿滑轨4向轮毂2边缘移动，移动凸轮8随移动齿条11沿滑轨4同向移动，当移动凸轮8向轮毂2边缘移动过程中，移动凸轮8边缘最低端处顶起叶片1，叶片1相对于轮毂2会有一定的倾斜角度，随着移动凸轮8向轮毂2边缘处的移动，叶片1的倾斜角度会随着移动凸轮8的型状变化而逐渐变化，当移动凸轮8顶端触碰到叶片1内侧的行程开关A6（德力西JLXK1-511）时，行程开关A6（德力西JLXK1-511）开启，从而电磁铁A5（伊莱科ELE-P100/4024V）带有磁性，电磁铁A5（伊莱科ELE-P100/40 24V）会将金属材质的移动凸轮8顶端紧紧吸住，行程开关A6（德力西JLXK1-511）开启的同时会传输信号至PLC控制器24，PLC控制器24会控制步进电机3（42BYGH34）停止正转，使叶片1一直呈现稳定的角度，保持风机模型发电稳定；当外界风速小于V时，风速仪22（AZ8908）将信号传输至PLC控制器24，PLC控制器24会关闭行程开关A6（德力西JLXK1-511），使电磁铁A5（伊莱科ELE-P100/40 24V）无磁性，电磁铁A5（伊莱科ELE-P100/40 24V）不在吸住叶片，同时PLC控制器24启动步进电机3（42BYGH34）反转，步进电机3（42BYGH34）转动带动了齿轮10转动，移动齿条11会在齿轮10反转的情况下沿滑轨4向轮毂2圆心处移动，移动凸轮8随移动齿条11沿滑轨4同向移动，在移动凸轮8向轮毂2圆心处移动过程中，移动凸轮8会从顶端向低端处逐渐远离叶片，叶片1相对轮毂2的倾斜角度逐渐变小，直至移动凸轮8最低端边缘处离开叶片，同时在弹簧28的拉力作用下，叶片1贴近轮毂2表面，同时轮毂2表面的强磁铁12将金属材质的叶片1吸附住，避免叶片1在轮毂2转动过程中出现乱摆的情况，提高了风机模型实验的安全性，随着移动齿条11向轮毂2圆心处移动，齿轮10也逐渐向移动齿条11与移动凸轮8的中间靠近，当移动凸轮8完全移出叶片1位置下方时，齿轮10将触碰到移动齿条11与移动凸轮8中间的行程开关B9（德力西JLXK1-511），行程开关B9（德力西JLXK1-511）开启，使电磁铁B13（伊莱科ELE-P100/40 24V）有磁性，电磁铁B13（伊莱科ELE-P100/40 24V）将移动凸轮8紧紧吸附于滑轨4内侧，在移动凸轮8嵌于滑轨4内侧的同时，更进一步的确保移动凸轮8在轮毂0转动时的稳定性，提高了实验装置的安全性；外置鼓风机模拟外界风力吹动叶片1及轮毂2转动，从而带动动力输入轴18转动，动力输入轴18通过齿轮箱15（PLS36行星增速器PLS-LLL）又带动了动力输出轴19转动，从而带动电机17（佳宝丽XD_mnv6w_78y61rqb风力发电机）发电，电机17（佳宝丽XD_mnv6w_78y61rqb风力发电机）通过导线20与灯泡21（12V的3W的LED灯）电连接，灯泡21根据叶片由慢至快的转动，其亮度也是由暗变亮，当叶片1角度调整至不同程度时，通过观察灯泡21的明暗程度，直观的了解叶片风机变桨模型教学中功率测试实验；此装置结构简单、操作简便，在删繁就简的基础上，能够清楚直观的展示风机变桨的工作原理，起到了很好的教学展示效果。
Claims (6)
1.一种可自动变桨的风机模型，包括支座(25)，其特征在于：所述支座(25)顶部固定安装有支撑板(23)，所述支撑板(23)上固定设置有齿轮箱(15)、电机(17)、风速仪(22)，所述齿轮箱(15)与所述电机(17)之间通过动力输出轴(19)固定连接，所述齿轮箱(15)与轮毂(2)圆心之间通过动力输入轴(18)固定连接，所述支座(25)底部固定安装有PLC控制器(24)和灯泡(21)，所述灯泡(21)通过导线(20)与所述电机(17)电连接；所述轮毂(2)表面均匀分布有若干叶片(1)，所述叶片(1)后缘通过合页(7)与所述轮毂(2)固定连接，所述叶片(1)内侧固定设置有行程开关A(6)和电磁铁A(5)，所述行程开关A(6)与所述电磁铁A(5)为一体并电连接，所述轮毂(2)表面固定安装有滑轨(4)，所述滑轨(4)上滑动设置有移动凸轮(8)和凸轮移动装置(26)，所述凸轮移动装置(26)可带动所述移动凸轮(8)行走，所述移动凸轮(8)顶部与所述行程开关A(6)和电磁铁A(5)接触；所述风速仪(22)、凸轮移动装置(26)、行程开关A(6)均受控于所述PLC控制器(24)；所述凸轮移动装置(26)包括移动齿条(11)、齿轮(10)、步进电机(3)，所述移动齿条(11)与所述移动凸轮(8)的一端固定连接，所述步进电机(3)固定安装在所述轮毂(2)表面，该步进电机(3)的转动轴上固定设置有所述齿轮(10)，该齿轮(10)与所述移动齿条(11)相啮合，所述移动凸轮(8)与所述移动齿条(11)嵌于所述滑轨(4)内，所述步进电机(3)受控于所述PLC控制器(24)；所述移动凸轮(8)与所述移动齿条(11)之间固定设置有行程开关B(9)，所述移动凸轮(8)底部固定设置有电磁铁B(13)，该电磁铁B(13)与所述行程开关B(9)为电连接，所述行程开关B(9)受控于所述PLC控制器(24)；所述叶片(1)前缘固定连接有棘爪(26)，该棘爪(26)通过弹簧(27)与所述轮毂(2)连接，所述滑轨(4)设置于所述弹簧(27)、合页(7)与所述轮毂(2)连接点之间；
所述叶片(1)的倾斜角度会随着移动凸轮(8)的形状变化而逐渐变化。
2.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述轮毂(2)表面设有强磁铁(12)，该强磁铁(12)位于所述叶片(1)下方。
3.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述动力输出轴(19)由连接轴A(19-1)通过联轴器A(16)与连接轴B(19-2)固定组合而成，所述动力输入轴(18)由连接轴C(18-1)通过联轴器B(14)与连接轴D(18-2)固定组合而成。
4.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述滑轨(4)长度小于所述轮毂(2)的半径。
5.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述移动凸轮(8)、滑轨(4)、叶片(1)均为磁性材料。
6.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述叶片(1)至少有两个。
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