CN113339201B - 一种大增速比风力压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大增速比风力压电发电装置，包括风轮叶片、输入轴、增速机构、输出轴、圆柱凸轮、直线运动凸轮和压电发电组件；输入轴与输出轴通过增速机构传递动力；输出轴经圆柱凸轮驱动直线运动凸轮，直线运动凸轮再驱动压电发电组件的导杆实现上下往复移动，从而实现导杆上的压电振子发生形变产生电能。本发明通过增速机构形成大传动比的增速传动，有效提高了激励频率，在风力较低情况下也可产生较高的电能；压电振子的变形不会产生较强的机械噪声；只需改变导杆上槽口以及支撑框架上压电振子的接入口数量，即可改变导杆上压电振子的布置量，而包括导杆和压电振子的压电发电组件也可根据需要设置个数，满足电能输出需求。

Description

一种大增速比风力压电发电装置

技术领域

本发明涉及一种利用风力驱动压电材料发电的装置，特别涉及一种大增速比风力压电发电装置。

背景技术

自然界中广泛存在太阳能、风能、振动能、温差能等能源，以此类清洁能源为基础的微型能源装置具有重要的应用前景。振动能量存在的形式多样，采集振动能作为微能源是一种行之有效的环境能量发电方法。其中，压电式振动发电机以其能量转换效率高、结构简单、无电磁干扰、易于实现整体结构的微型化、易于集成化等优点成为国内外振动发电领域研究的重点，压电发电将成为未来MEMS器件供电的一种重要方式。压电发电以不锈钢作为弹性层，PZT-5H作为电介质层，通过采集自然界中的能量来驱动悬臂梁振动产生毫瓦级能量。而采集风能驱动悬臂梁振动，能够获得长久、可靠的清洁能量，从而使野外微机电系统能够实现自供能量，充分凸显微机电系统的优势。

现有的风力驱动压电发电装置分为直接激励式和间接激励式，其中直接激励式风能利用率高，但维护性和实用性还有待改进，更广泛运用的间接激励式多采用叶片获取风能后靠转轴传递动力，转轴的某一部分设计某一结构与布置在周围的压电振子顶端撞击产生电能，或者利用磁力作用激励振子顶端振动而产生电能。这些装置不能保证在低风速下装置产生电能的可行性，而且频繁的撞击和无保护振动会产生更多的机械噪声，同时会加剧压电材料的损耗。

发明内容

本发明的目的在于解决现有风力压电发电装置的不足，提供一种在低风速下可启动、可调速、机械噪声更小的大增速比风力压电发电装置。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括风轮叶片、输入轴、增速机构、输出轴、圆柱凸轮、直线运动凸轮、导轨、支撑框架和压电发电组件；所述的风轮叶片固定在输入轴上；所述的输入轴与增速箱外壳构成转动副；增速箱外壳固定在外筒，外筒固定在底板上；增速机构置于增速箱外壳内。所述的增速机构包括增速机构内壳、上支撑架、内齿轮二、上行星架、下行星架、行星轮组件、中心齿轮和内齿轮一；所述的增速机构内壳与增速箱外壳固定；输入轴穿过增速机构内壳的中心孔；所述的上支撑架固定在输入轴上；所述的内齿轮二固定在上支撑架上；所述的输出轴通过滚动轴承支承在增速箱外壳和底板上；所述的上行星架通过滚动轴承支承在输出轴上，下行星架通过推力轴承支承在增速箱外壳上；k个行星轮组件沿内齿轮二的周向均布，k≥2；所述的行星轮组件包括行星轴、行星齿轮二和行星齿轮一；所述行星轴的两端分别通过滚动轴承支承在上行星架和下行星架上，且行星轴上固定有行星齿轮二和行星齿轮一；所述的中心齿轮固定在输出轴上，内齿轮一与增速箱外壳固定；所有行星轮组件的行星齿轮二均与内齿轮二啮合，所有行星轮组件的行星齿轮一均同时与内齿轮一和中心齿轮啮合。所述的圆柱凸轮固定在输出轴底端，直线运动凸轮设有n个，n≥2时，n个直线运动凸轮沿圆柱凸轮的周向均布；所有直线运动凸轮的内端面均与圆柱凸轮构成凸轮副；每个直线运动凸轮与一个导轨构成滑动副；所述的导轨固定在底板上。所述的支撑框架固定在底板上；压电发电组件n个；所述的压电发电组件包括导杆、压电振子和滚子；所述导杆的顶部与支撑框架构成滑动副，滚子固定在导杆的底部；导杆开设有沿轴向等距排布的多个槽口，每个槽口内嵌有一个压电振子；所述压电振子的两端均固定有压电振子支撑架；所述的压电振子支撑架固定在支撑框架上；所述的压电振子由弹性金属基板和压电片组成；弹性金属基板两侧面位于中间位置处均固定有质量块，且弹性金属基板的每个侧面上位于质量块两侧均固定有一片压电片；每个质量块与对应侧的两个压电振子均接触；n个压电发电组件的滚子与n个直线运动凸轮分别构成凸轮副。

优选地，所述的支撑框架包括导杆支撑板和支撑柱；所述的导杆支撑板通过n根支撑柱固定在底板上；每个压电发电组件的导杆分别与导杆支撑板的一个滑槽构成滑动副。

优选地，所述的直线运动凸轮的升程为压电振子振幅的2倍。

增速机构的总传动比计算如下：

增速机构的总传动比设计遵循以下条件：

1)传动比条件：

则内齿轮一的齿数z₃满足：z₃＝(i_1H-1)z₁

其中，z₁为中心齿轮的齿数，i_1H为中心齿轮相对下行星架的传动比，

为下行星架视为不动时中心齿轮相对内齿轮一的传动比。

2)同心条件：下行星架的回转轴线与中心齿轮的中心轴线重合；

则中心齿轮、行星齿轮一和内齿轮一满足：

得到行星齿轮一的齿数：

从

得到，中心齿轮和内齿轮一的齿数同为奇数或偶数。

3)装配条件：相邻两个行星齿轮一所夹的中心角为2π/k，设下行星架转过

时中心齿轮转过的角度为

则根据啮合关系有

得到

且由于此时行星齿轮一转动一圈，所以中心齿轮转过角

时必须转过整数个轮齿，设该整数为γ，则

其中，2π/z₁为中心齿轮的一个齿距所对的中心角；从而得到：

由于γ为整数，得中心齿轮和内齿轮一的齿数之和为行星齿轮一数量k的整数倍。

4)邻接条件：由于相邻两个行星齿轮一的齿顶圆不得相交，则相邻两个行星齿轮一的中心距大于行星齿轮一的齿顶圆直径，得：

则有：

其中，

为行星齿轮一的齿顶高系数；

5)由于同一个行星轮组件的行星齿轮一和行星齿轮二固定在同一根行星轴上，则存在如下关系：

其中，m为模数，z₄为内齿轮二的齿数，z₅为行星齿轮二的齿数。

中心齿轮、行星齿轮一、内齿轮一、内齿轮二和行星齿轮二的齿数满足上述五个条件情况下，计算内齿轮二相对下行星架的传动比：

其中，

为下行星架视为不动时内齿轮二相对内齿轮一的传动比。

则增速机构的总传动比为：

本发明具有的有益效果为：

本发明通过增速机构，形成大传动比的增速传动，有效提高了激励频率，使得装置在风力较低的情况下也可以驱动压电振子产生较高的电能；压电振子与激励件(导杆)可以看作一个整体，压电振子的变形不会产生较强的机械噪声。另外，本发明只需要只需改变导杆上槽口以及支撑框架上压电振子的接入口数量，即可改变导杆上压电振子的布置量，满足电能输出需求；而包括导杆和压电振子的压电发电组件也可根据需要设置个数，满足电能输出需求。

附图说明

图1为本发明风力压电发电装置的整体结构示意图；

图2为本发明中增速机构的结构示意图；

图3为本发明中直线运动凸轮的结构示意图；

图4为本发明中圆柱凸轮与直线运动凸轮的运动配合示意图；

图5为本发明中直线运动凸轮与滚子的运动配合示意图；

图6为本发明中压电振子的结构示意图；

图7为本发明中导杆的结构示意图；

图8为本发明中压电发电组件的布置示意图。

图中：1、风轮叶片；2、输入轴；3、增速机构；301、增速机构内壳；302、上支撑架；303、内齿轮二；304、内齿轮一；305、行星轴；306、滚动轴承；307、上行星架；308、行星齿轮二；309、中心齿轮；310、行星齿轮一；311、下行星架；312、推力轴承；4、输出轴；5、外筒；6、支撑柱；7、导杆支撑板；8、导轨；9、增速机构外壳；10、导杆；11、压电振子；1101、压电振子支撑架；1102、压电片；1103、质量块；1104、弹性金属基板；12、滚子；13、直线运动凸轮；14、圆柱凸轮；15、底板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种大增速比风力压电发电装置，包括风轮叶片1、输入轴2、增速机构3、输出轴4、圆柱凸轮14、直线运动凸轮13、导轨8、支撑框架和压电发电组件；风轮叶片1固定在输入轴2上，在风力驱动下转动，并将动力经输入轴传入；输入轴2与增速箱外壳9构成转动副；增速箱外壳9固定在外筒5，外筒固定在底板15上；增速机构3置于增速箱外壳9内。如图2所示，增速机构3包括增速机构内壳301、上支撑架302、内齿轮二303、上行星架307、下行星架311、行星轮组件、中心齿轮309和内齿轮一304；增速机构内壳301与增速箱外壳9固定；输入轴2穿过增速机构内壳301的中心孔；上支撑架302固定在输入轴2上；内齿轮二303固定在上支撑架302上；输出轴4通过滚动轴承支承在增速箱外壳9和底板15上；上行星架307通过滚动轴承306支承在输出轴4上，下行星架311通过推力轴承312支承在增速箱外壳9上；k个行星轮组件沿内齿轮二303的周向均布，优选k＝3；行星轮组件包括行星轴305、行星齿轮二308和行星齿轮一310；行星轴305两端分别通过滚动轴承306支承在上行星架307和下行星架311上，且行星轴305上固定有行星齿轮二308和行星齿轮一310；中心齿轮309固定在输出轴4上，内齿轮一304与增速箱外壳9固定；所有行星轮组件的行星齿轮二308均与内齿轮二303啮合，所有行星轮组件的行星齿轮一310均同时与内齿轮一304和中心齿轮309啮合。如图1、3和4所示，圆柱凸轮14固定在输出轴4底端，直线运动凸轮13设有n个，n≥2时，n个直线运动凸轮13沿圆柱凸轮14的周向均布；所有直线运动凸轮13的内端面均与圆柱凸轮14构成凸轮副；每个直线运动凸轮13与一个导轨8构成滑动副；导轨8固定在底板15上。如图1、5、6、7和8所示，支撑框架固定在底板15上；压电发电组件n个；压电发电组件包括导杆10、压电振子11和滚子12；导杆10顶部与支撑框架构成滑动副，滚子12固定在导杆10的底部；导杆10开设有沿轴向等距排布的多个槽口，每个槽口内嵌有一个压电振子11；压电振子两端均固定有压电振子支撑架1101；压电振子支撑架1101固定在支撑框架上；压电振子11由弹性金属基板1104和压电片1102组成；弹性金属基板1104两侧面位于中间位置处均固定有质量块1103，且弹性金属基板1104的每个侧面上位于质量块1103两侧均固定有一片压电片1102；每个质量块1103与对应侧的两个压电振子11均接触；n个压电发电组件的滚子12与n个直线运动凸轮13分别构成凸轮副。

作为一个优选实施例，支撑框架包括导杆支撑板7和支撑柱6；导杆支撑板7通过n根支撑柱6固定在底板15上；每个压电发电组件的导杆10分别与导杆支撑板7的一个滑槽构成滑动副。

作为一个优选实施例，直线运动凸轮13的升程为压电振子11振幅的2倍。

增速机构3的总传动比计算如下：

增速机构3的总传动比设计遵循以下条件：

1)传动比条件：

则内齿轮一304的齿数z₃满足：z₃＝(i_1H-1)z₁

其中，z₁为中心齿轮309的齿数，i_1H为中心齿轮309相对下行星架311的传动比，

为下行星架311视为不动时中心齿轮309相对内齿轮一304的传动比。

2)同心条件：下行星架311的回转轴线与中心齿轮309的中心轴线重合；

则中心齿轮309、行星齿轮一310和内齿轮一304满足：

得到行星齿轮一310的齿数：

从

得到，中心齿轮309和内齿轮一304的齿数应同为奇数或偶数。

3)装配条件：相邻两个行星齿轮一310所夹的中心角为2π/k，设下行星架311转过

时中心齿轮309转过的角度为

则根据啮合关系有

得到

且由于此时行星齿轮一310转动一圈，所以中心齿轮309转过角

时必须转过整数个轮齿，设该整数为γ，则

其中，2π/z₁为中心齿轮309的一个齿距所对的中心角；从而得到：

由于γ为整数，得中心齿轮309和内齿轮一304的齿数之和为行星齿轮一310数量k的整数倍。

4)邻接条件：由于相邻两个行星齿轮一310的齿顶圆不得相交，则相邻两个行星齿轮一310的中心距大于行星齿轮一310的齿顶圆直径，得：

则有：

其中，

为行星齿轮一310的齿顶高系数；

5)由于同一个行星轮组件的行星齿轮一310和行星齿轮二308固定在同一根行星轴305上，则存在如下关系：

其中，m为模数(所有齿轮的模数相等)，z₄为内齿轮二303的齿数，z₅为行星齿轮二308的齿数。

中心齿轮309、行星齿轮一310、内齿轮一304、内齿轮二303和行星齿轮二308的齿数满足上述五个条件情况下，计算内齿轮二303相对下行星架311(与上行星架307运动一致)的传动比：

其中，

为下行星架311视为不动时内齿轮二303相对内齿轮一304的传动比。

则增速机构3的总传动比为：

本实施例取：k＝3，初选传动比为i₁₄＝164，z₁＝17,z₃＝57,齿顶高系数为

模数m＝2,根据上述五个条件，可以得出z₂＝20,z₅＝19.2，若取z₅＝19，则z₄＝57,i₁₄＝132，若取z₅＝20，则z₄＝56，i₁₄＝244。

该大增速比风力压电发电装置的工作原理如下：

本发明的动力来源为风力，风力驱动风轮叶片1转动，风轮叶片1带动输入轴2转动，输入轴2经增速机构带动输出轴4转动，增速机构主要作用是放大传动比；输出轴4再带动圆柱凸轮14，圆柱凸轮14驱动各直线运动凸轮13同步进行水平直线往复移动，从而带动各压电发电组件的滚子12、导杆10和压电振子11上下往复移动，导杆10上下往复运动的距离取决于直线运动凸轮13的升程，而直线运动凸轮13的升程根据压电振子11的振幅大小设计；导杆10上下往复运动的过程中，带动压电振子11周期性振动，通过压电效应产生电能。与以往的激励形式相比，本发明的压电振子和激励件(导杆10)可以看作一个整体，其往复运动不会产生像碰撞和磁力激发自身振动那样发出的噪声；另外，在碰撞和磁力激励的压电装置里，若因为电能需求增加而增加压电振子的布置数量，激励件和磁力件的需求量也将增大，装置将更冗杂。而本发明只需要改变导杆10上设置通孔的数量以及支撑框架上接入压电振子11的接入口，即可完成更多的压电振子布置，满足电能输出需求。

增速机构中，输入轴2转动时带动上支撑架302和内齿轮二303转动，内齿轮二303与各行星轮组件的行星齿轮二308啮合传动，带动各行星轮组件的行星轴305和行星齿轮一310转动，使得各行星轮组件的行星齿轮一310在自转的同时绕内齿轮一304的中心轴线公转，并进一步带动中心齿轮309和输出轴4转动。由于在确定压电振子自身材料和几何参数后，其固有频率也确定了，而外界激励频率与压电振子固有频率达到一致时压电振子的电能输出最高。但由于自然风力的不确定性，风速过小时，比如输入转速约为1r/s的情况下，现有风力压电发电装置根本无法达到使压电结构发电的振动频率，激励频率只能达到该装置压电梁自身固有频率的百分之一，不能有效发电。而本发明的增速机构为两套行星轮系的整合，形成大传动比的增速传动，有效提高了激励频率，使压电振子的电能输出最高。

Claims (4)

1.一种大增速比风力压电发电装置，包括风轮叶片、输入轴和增速机构，其特征在于：还包括输出轴、圆柱凸轮、直线运动凸轮、导轨、支撑框架和压电发电组件；所述的风轮叶片固定在输入轴上；所述的输入轴与增速箱外壳构成转动副；增速箱外壳固定在外筒，外筒固定在底板上；增速机构置于增速箱外壳内；所述的增速机构包括增速机构内壳、上支撑架、内齿轮二、上行星架、下行星架、行星轮组件、中心齿轮和内齿轮一；所述的增速机构内壳与增速箱外壳固定；输入轴穿过增速机构内壳的中心孔；所述的上支撑架固定在输入轴上；所述的内齿轮二固定在上支撑架上；所述的输出轴通过滚动轴承支承在增速箱外壳和底板上；所述的上行星架通过滚动轴承支承在输出轴上，下行星架通过推力轴承支承在增速箱外壳上；k个行星轮组件沿内齿轮二的周向均布，k≥2；所述的行星轮组件包括行星轴、行星齿轮二和行星齿轮一；所述行星轴的两端分别通过滚动轴承支承在上行星架和下行星架上，且行星轴上固定有行星齿轮二和行星齿轮一；所述的中心齿轮固定在输出轴上，内齿轮一与增速箱外壳固定；所有行星轮组件的行星齿轮二均与内齿轮二啮合，所有行星轮组件的行星齿轮一均同时与内齿轮一和中心齿轮啮合；所述的圆柱凸轮固定在输出轴底端，直线运动凸轮设有n个，n≥2时，n个直线运动凸轮沿圆柱凸轮的周向均布；所有直线运动凸轮的内端面均与圆柱凸轮构成凸轮副；每个直线运动凸轮与一个导轨构成滑动副；所述的导轨固定在底板上；所述的支撑框架固定在底板上；压电发电组件n个；所述的压电发电组件包括导杆、压电振子和滚子；所述导杆的顶部与支撑框架构成滑动副，滚子固定在导杆的底部；导杆开设有沿轴向等距排布的多个槽口，每个槽口内嵌有一个压电振子；所述压电振子的两端均固定有压电振子支撑架；所述的压电振子支撑架固定在支撑框架上；所述的压电振子由弹性金属基板和压电片组成；弹性金属基板两侧面位于中间位置处均固定有质量块，且弹性金属基板的每个侧面上位于质量块两侧均固定有一片压电片；每个质量块与对应侧的两个压电振子均接触；n个压电发电组件的滚子与n个直线运动凸轮分别构成凸轮副。

2.根据权利要求1所述的一种大增速比风力压电发电装置，其特征在于：所述的支撑框架包括导杆支撑板和支撑柱；所述的导杆支撑板通过n根支撑柱固定在底板上；每个压电发电组件的导杆分别与导杆支撑板的一个滑槽构成滑动副。

3.根据权利要求1所述的一种大增速比风力压电发电装置，其特征在于：所述的直线运动凸轮的升程为压电振子振幅的2倍。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种大增速比风力压电发电装置，其特征在于：增速机构的总传动比计算如下：

增速机构的总传动比设计遵循以下条件：

1)传动比条件：

则内齿轮一的齿数z₃满足：z₃＝(i_1H-1)z₁

其中，z₁为中心齿轮的齿数，i_1H为中心齿轮相对下行星架的传动比，

为下行星架视为不动时中心齿轮相对内齿轮一的传动比；

2)同心条件：下行星架的回转轴线与中心齿轮的中心轴线重合；

则中心齿轮、行星齿轮一和内齿轮一满足：

得到行星齿轮一的齿数：

从

得到，中心齿轮和内齿轮一的齿数同为奇数或偶数；

3)装配条件：相邻两个行星齿轮一所夹的中心角为2π/k，设下行星架转过

时中心齿轮转过的角度为

则根据啮合关系有

得到

且由于此时行星齿轮一转动一圈，所以中心齿轮转过角

时必须转过整数个轮齿，设该整数为γ，则

其中，2π/z₁为中心齿轮的一个齿距所对的中心角；从而得到：

由于γ为整数，得中心齿轮和内齿轮一的齿数之和为行星齿轮一数量k的整数倍；

4)邻接条件：由于相邻两个行星齿轮一的齿顶圆不得相交，则相邻两个行星齿轮一的中心距大于行星齿轮一的齿顶圆直径，得：

则有：

其中，

为行星齿轮一的齿顶高系数；

5)由于同一个行星轮组件的行星齿轮一和行星齿轮二固定在同一根行星轴上，则存在如下关系：

其中，m为模数，z₄为内齿轮二的齿数，z₅为行星齿轮二的齿数；

中心齿轮、行星齿轮一、内齿轮一、内齿轮二和行星齿轮二的齿数满足上述五个条件情况下，计算内齿轮二相对下行星架的传动比：

其中，

为下行星架视为不动时内齿轮二相对内齿轮一的传动比；

则增速机构的总传动比为：

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