CN110768574B - 一种风致振压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风致振压电发电机，属新能源技术领域。支架的上下梁的两端分别经横梁和挡板连接，上下梁的内壁上都设有滑道；圆柱销和阶梯销经其两端的轴套装在滑道内；圆柱销和阶梯销的轴心处都设有窄缝，阶梯销中间大径段的外表面上设有两个相互平行且相对阶梯销轴心对称的销平面；簧片的一端置于圆柱销窄缝内并经螺钉固定、另一端经阶梯销窄缝穿过后再与钝体耳板相连；由基板和压电片粘接而成的压电振子一端经限形架的压板装在横梁上，压电振子自由端的基板顶靠在销平面上；压板两端都设有带限形面的限形块，限形面和压板上与压电振子相接触的表面相切；同一限形架上两个限形块的间距比压电片宽、比基板窄，基板与限形面接触。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种风致振压电发电机。
背景技术
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。目前已提出的微小型风力发电机基本都是基于电磁原理和压电原理的，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。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；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：风速适应性差，有效风速范围小，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形措施，压电振子尺度及系统固有频率可调节范围小。
发明内容
本发明提出一种风致振压电发电机，本发明采用的实施方案是：支架的上下梁的两端分别经横梁和挡板连接，上下梁平行，横梁和挡板平行，上梁和横梁相互垂直，上下梁的内壁上都设有滑道，滑道的侧壁上开有豁口，下梁两端设有支脚；圆柱销和阶梯销的两端均套有轴套，轴套经螺钉安装在上下梁的滑道内；圆柱销靠近横梁、阶梯销靠近挡板；圆柱销中间段的轴心处设窄缝一，阶梯销中间大径段的轴心处设有窄缝二，阶梯销中间大径段的外表面上设有两个相互平行且相对阶梯销轴心对称的销平面；窄缝一和窄缝二的几何中心分别与圆柱销和阶梯销的中心重叠；簧片的一端置于窄缝一内并经螺钉固定在圆柱销上、另一端经窄缝二穿过后再经螺钉与钝体的耳板相连，簧片经螺钉固定在阶梯销上，钝体为中空的圆柱壳体，钝体靠近挡板安装；压电振子的一端经螺钉和限形架的压板压接在横梁上，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子的自由端的基板的一侧顶靠在阶梯销的销平面上，基板与销平面相互接触但无作用力；限形架的压板两端都设有限形块，限形块上设有限形面，限形面为圆弧面，限形面和压板上与压电振子相接触的表面相切；同一限形架上两个限形块的间距比压电片宽、比基板窄，压电振子固定端的基板与限形面接触；非工作时，簧片厚度方向的对称中心层、钝体的中心线及挡板的宽度方向的对称中心层位于同一垂直平面内；挡板的宽度与钝体直径之比即宽径比为1～3，钝体外表面到挡板的最小间距与钝体直径之比即间径比为0～3。
本发明中，风由簧片的固定端吹向钝体和挡板，风流经钝体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体前后两侧的风压力交替变化从而产生使钝体及簧片往复摆动的激振力，簧片摆动时迫使压电振子向使压电片承受压应力的方向弯曲变形，压电振子的往复弯曲变形过程中即将风能转换成了电能；风经过钝体后受到挡板的阻碍时流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值发生变化，振动幅值增大或减小；钝体摆动幅值达到额定值时，压电振子自由端的基板将与销平面脱离、与阶梯销中间大径段的圆弧面接触，此后压电振子的变形量不随钝体振幅的增加而增加，压电振子的基板被压靠在限形面上，此时压电片长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。
本发明中，可通过调节圆柱销和阶梯销两端的轴套位置调节簧片在圆柱销和阶梯销之间长度、簧片的悬臂长度即钝体的摆臂长度以及钝体外表面到挡板间的最小间距，改变圆柱销和阶梯销之间距离及簧片的悬臂长度即可改变簧片的弯曲刚度，从而改变钝体与簧片所构成振动系统即发电机的基频，以便使发电机的基频与涡激振动频率相适应、实现共振；改变钝体外表面到挡板最小间距即可调节间径比，实现钝体的振幅的有效控制，即使振幅增加或减小。
本发明中，基板和压电片厚度相等，限形面的半径为
其中：h为压电振子d的总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。
优势与特色：①易于通过簧片的刚度调节改变发电机固有频率，使之与涡激振动频率相互适应，提高响应特性和发电能力；②钝体后方设置的挡板可有效调节钝体的耦合振动响应特性，易于通过调节二者间距、尺度等参数获得所需的钝体振动放大比，流速适应性及发电能力；③压电振子单向弯曲变形且变形量可控、应力分布均匀，故发电能力强、可靠性高。
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是本发明一个较佳实施例中限形架的结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图；
图6是图5的B-B剖视图；
图7是本发明一个较佳实施例中圆柱销的结构示意图；
图8是图7的俯视图；
图9是本发明一个较佳实施例中阶梯销的结构示意图；
图10是图9的俯视图。
具体实施方式
支架a的上梁a1和下梁a2的两端分别经横梁a3和挡板a4连接，上梁a1和下梁a2平行，横梁a3和挡板a4平行，上梁a1和横梁a3相互垂直，上梁a1和下梁a2的内壁上都设有滑道a5，滑道a5的侧壁上开有豁口a6，下梁a2的两端设有支脚a7；圆柱销g和阶梯销h的两端均套有轴套f，轴套f经螺钉安装在上梁a1和下梁a2的滑道a5内；圆柱销g靠近横梁a3、阶梯销h靠近挡板a4；圆柱销g中间段的轴心处设窄缝一g1，阶梯销h中间大径段h1的轴心处设有窄缝二h2，阶梯销h中间大径段h1的外表面上设有两个相互平行且相对阶梯销h轴心对称的销平面h3；窄缝一g1和窄缝二h2的几何中心分别与圆柱销g和阶梯销h的中心重叠；簧片c的一端置于窄缝一g1内并经螺钉固定在圆柱销g上、另一端经窄缝二穿过后再经螺钉与钝体e的耳板e1相连，簧片c经螺钉固定在阶梯销h上，钝体e为中空的圆柱壳体，钝体e靠近挡板a4安装；压电振子d的一端经螺钉和限形架k的压板k1压接在横梁a3上，压电振子d由基板d1和压电片d2粘接而成，压电振子d的自由端的基板d1的一侧顶靠在阶梯销h的销平面h3上，基板d1与销平面h3相互接触但无作用力；限形架k的压板k1两端都设有限形块k2，限形块k2上设有限形面k3，限形面k3为圆弧面，限形面k3和压板k1上与压电振子d相接触的表面相切；同一限形架k上两个限形块k2的间距比压电片d2宽、比基板d1窄，压电振子d固定端的基板d1与限形面k3接触；非工作时，簧片c厚度方向的对称中心层、钝体e的中心线及挡板a4的宽度方向的对称中心层位于同一垂直平面内，即图2中水平面z内；挡板a4的宽度H与钝体e的直径D之比即宽径比为H/D＝1～3，钝体e的外表面到挡板a4的最小间距L与钝体e的直径D之比即间径比为L/D＝0～3。
本发明中，风由簧片c的固定端吹向钝体e和挡板a4，风流经钝体e后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体e前后两侧的风压力交替变化从而产生使钝体e及簧片c往复摆动的激振力，簧片c摆动时迫使压电振子d向使压电片d2承受压应力的方向弯曲变形，压电振子d的往复弯曲变形过程中即将风能转换成了电能；风经过钝体e后受到挡板a4的阻碍时流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值发生变化，振动幅值增大或减小；钝体e摆动幅值达到额定值时，压电振子d自由端的基板d1将与销平面h3脱离、与阶梯销h中间大径段h1的圆弧面接触，此后压电振子d的变形量不随钝体e振幅的增加而增加；同时，钝体e的振幅达到额定值时还通过阶梯销h的圆弧面将压电振子d的基板d1压靠在限形面k3上，此时压电片d2长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。
本发明中，可通过调节圆柱销g和阶梯销h两端的轴套f位置调节簧片c在圆柱销g和阶梯销h之间长度、簧片c的悬臂长度即钝体e的摆臂长度以及钝体e外表面到挡板a4间的最小间距，改变圆柱销g和阶梯销h之间距离及簧片c的悬臂长度即可改变簧片c的弯曲刚度，从而改变钝体e与簧片c所构成振动系统即发电机的基频，以便使发电机的基频与涡激振动频率相适应、实现共振；改变钝体e外表面到挡板a4间的最小间距即可调节间径比，实现钝体e的振幅的有效控制，即使振幅增加或减小。
本发明中，基板d1和压电片d2厚度相等，限形面k3半径为
其中：h为压电振子d的总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。
Claims (1)
1.一种风致振压电发电机，其特征在于：支架的上下梁的两端分别经横梁和挡板连接，上下梁的内壁上都设有滑道；圆柱销和阶梯销的两端均套有轴套，轴套安装在上下梁的滑道内；圆柱销靠近横梁、阶梯销靠近挡板；圆柱销中间段的轴心处设窄缝一，阶梯销中间大径段的轴心处设有窄缝二，阶梯销中间大径段的外表面上设有两个相互平行且相对阶梯销轴心对称的销平面；簧片的一端置于窄缝一内并经螺钉固定在圆柱销上、另一端经窄缝二穿过后再经螺钉与钝体的耳板相连，钝体靠近挡板安装；压电振子的一端经螺钉和限形架的压板压接在横梁上，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子的自由端的基板的一侧顶靠在阶梯销的销平面上；限形架的压板两端都设有限形块，限形块上设有限形面，限形面为圆弧面，限形面和压板上与压电振子相接触的表面相切；同一限形架上两个限形块的间距比压电片宽、比基板窄，压电振子固定端的基板与限形面接触；非工作时，簧片厚度方向的对称中心层、钝体的中心线及挡板的宽度方向的对称中心层位于同一垂直平面内；挡板的宽度与钝体直径之比即宽径比为1～3，钝体外表面到挡板的最小间距与钝体直径之比即间径比为0～3；风由簧片的固定端吹向钝体和挡板并使钝体及簧片往复摆动，钝体摆动幅值达到额定值时压电振子自由端的基板与销平面脱离、与阶梯销中间大径段的圆弧面接触，压电振子的基板压靠在限形面上；此时压电片长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值。
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