CN113364347A - 一种微小型发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微小型发电机，属压电发电领域。主要由机壳、侧板、调节盘、转换器、激励器和换能器构成，转换器由转轴与叶片构成，激励器由转盘与转动磁铁构成，换能器由膜片及安装在膜片中心处的压电振子和摆动磁铁构成，机壳内部的中腔两侧各设有一个侧腔；侧板的一侧设有与侧板轴孔连通的外腔，另一侧设有由大内腔和小内腔构成的阶梯腔，小内腔经定阻流孔与外腔连通；膜片外缘固定在大内腔底壁上；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板的自由端设有基板翻边；膜片与小内腔构成缓冲腔；侧板装在机壳的侧腔内，转轴套在侧板轴孔内，转盘装在转轴上；设有轴孔、环槽和动阻流孔的调节盘装在侧板的外腔内，动阻流孔与定阻流孔的重叠度经环槽调节。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种微小型发电机，用于风能及水流能收集。
背景技术
风能及河流广泛存在于自然界中，风力与水力发电已成为当今世界主流的发电方式之一。以往人们只注重大规模风力和水力发电系统的研究，近年来，随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在环境与水质监测、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与水利发电机的研究受到国内外学者的广泛关注，原因在于：化学电池的能量有限、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。为解决无线传感网络监测系统的供电问题，人们提出了多种形式的电磁和压电式微小型风力和水力发电机，因压电流体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。
目前，现有压电流体发电机大都是利用风或水流使叶片旋转、再由叶片带动转动机构或磁铁直接激励压电振子弯曲变形并发电，其弊端是：可设计性差，系统固有频率仅由压电振子的结构尺寸决定，可调节范围小或不可调节；压电振子双向变形、压电片承受交变的拉压应力作用，易因拉应力过大损毁；系统阻尼小，压电振子共振时振幅远大于非共振时的振幅，进一步降低了可靠性和环境适应性。
发明内容
本发明提出一种微小型发电机，主要由机壳、侧板、调节盘、转换器、激励器和换能器构成。
机壳外壁上设有支脚，机壳的内部设有两个侧腔和一个中腔，侧腔位于中腔的两侧，中腔的直径小于侧腔的直径，中腔对应的内腔壁为隔环。
侧板的一侧设有外腔，外腔与侧板轴孔同轴且连通；侧板的另一侧均布地设有由大内腔和小内腔构成的阶梯腔，小内腔经定阻流孔与外腔连通，大内腔、小内腔及定阻流孔同轴。
换能器由圆形的膜片、压电振子和摆动磁铁构成，压电振子和摆动磁铁经螺钉安装在膜片的中心处，膜片的外缘经螺钉和压环压接在侧板的大内腔底壁上，压电振子和摆动磁铁位于大内腔的一侧，压电振子由基板和压电片粘接而成，基板的自由端设有基板翻边，压环的高度小于大内腔的深度；膜片与小内腔构成缓冲腔。
侧板经螺钉安装在机壳的侧腔内，两个侧板上的换能器相对安装，侧板的侧边顶靠在隔环上。
转换器由转轴和叶片构成，叶片安装在转轴的端部，转轴套在侧板轴孔内，叶片置于机壳外部。
激励器由转盘和转动磁铁构成，转动磁铁经螺钉安装在转盘上，转动磁铁沿转盘的圆周均布；转盘经螺钉或平键安装在转轴上，转盘位于机壳的中腔内，两个侧板上的换能器对称布置在转盘两侧，转动磁铁和摆动磁铁到转轴的中心的距离相等；转动磁铁和摆动磁铁的磁极均沿轴向配置；激励器转动时，摆动磁铁与激励器上各转动磁铁间的磁耦合力为：吸引力、排斥力或交替的吸引力与排斥力；磁耦合力为交替的吸引力与排斥力时，激励器上圆周方向两相邻转动磁铁的磁极配置方向相反。
调节盘上设有轴孔、环槽和动阻流孔，调节盘经螺钉安装在侧板的外腔内，动阻流孔和定阻流孔位于同一圆周上且其直径相等，动阻流孔与定阻流孔的重叠度通过环槽调节，进而调节换能器的振动阻尼。
压电振子为圆形的单个压电振子或矩形的一组压电振子，圆形的压电振子的基板为圆形、压电片为环形，矩形的压电振子的基板为根部相连的辐射状悬臂梁、压电片为矩形；圆形的压电振子用于激励能力强的水流发电，矩形压电振子用于激励能力弱的风力发电；压电振子安装前为平直结构，压电振子安装后为预弯结构，基板翻边顶靠在膜片上。
工作时，即环境中有风或水流过时，叶片受流体力作用并带转轴及激励器一起转动，激励器与其两侧的换能器间的位置关系以及转动磁铁与其轴向两侧的摆动磁铁之间的相互作用力交替地变化，摆动磁铁带动膜片及压电振子产生轴向往复振动，压电振子将机械能转换成电能。
为提升发电机的有效带宽，换能器H的固有频率应不低于激励频率，此时膜片的刚度为
km和kp分别为膜片和压电振子的刚度，M和ξ分别为换能器的等效质量和阻尼比，ξ可通过动阻流孔与定阻流孔的重叠度调节，n和N分别为激励器的转速及均布的转动磁铁数量。
本发明中，压电振子的刚度及换能器的等效质量确定时，可通过膜片的厚度和半径设计获得所需的换能器的固有频率，如；膜片的材料为铍青铜、摆动磁铁与膜片的直径比为1/6时，摆动磁铁及压电振子固定在膜片上时膜片的刚度为km＝1.0488*1012h3/R2，其中h和R分别为膜片的厚度和小内腔的半径，合理的系统参数关系为：
压电振子的基板翻边的功能是使压电片在工作中主要承受压应力、不承受拉应力或所承受的拉应力较小，基板翻边长度取决于转动磁铁和摆动磁铁间磁耦合力的形式：磁耦合力为吸引力时，装配预弯的压电振子的变形量逐渐减小，基板翻边的长度约为其许用长度的0.5倍；磁耦合力为排斥力及交替的吸引力和排斥力时，装配预弯的压电振子的变形量逐渐增加，基板翻边长度约为其许用长度的0.25倍。
本发明中，压电片厚度与基板厚度相等，矩形的基板翻边的许用长度为
其中：H为压电振子的厚度，即基板和压电片所构成的复合层的厚度；Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量；Tp为压电材料的许用压应力； L为压电振子的可变形部分长度；h为膜片的厚度；η为与粘接胶层厚度相关的修正系数。
本发明中，基板翻边可用独立的置于膜片或压电振子上的刚性元件替代，压电振子过薄时基板翻边需改成独立的置于膜片或压电振子上的刚性元件。
优势与特色：可设计性强，易通过膜片结构尺寸设计获得所需的固有频率，便于通过降低压电振子厚度的方法增加压电振子许用变形量、降低输出电压、提高输出电流；压电振子单向变形、压电片承受压应力作用，可靠性高；系统阻尼大且可调，便于降低共振时压电振子幅值、减小共振与非共振时的振幅差异，进一步提高可靠性和有效带宽。
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机壳的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中侧板结构示意图；
图5是图4的右视图；
图6是本发明一个较佳实施例中换能器的结构示意图；
图7是压电振子为圆形时图6的右视图；
图8是压电振子为矩形时图6的右视图；
图9是本发明一个较佳实施例中压电振子的结构示意图；
图10本发明一个较佳实施例中调节盘的结构示意图；
图11是图10的左视图；
图12是定阻流孔直径不同时输出电压的幅频特性曲线。
具体实施方式
本发明提出一种微小型发电机，主要由机壳a、侧板b、调节盘c、转换器D、激励器G和换能器H构成。
机壳a外壁上设有支脚a4，机壳a的内部设有两个侧腔a2和一个中腔a3，侧腔a2位于中腔a3 的两侧，中腔a3的直径小于侧腔a2的直径，中腔a3对应的内腔壁为隔环a1。
侧板b的一侧设有外腔b2，外腔b2与侧板轴孔b1同轴且连通；侧板b的另一侧均布地设有由大内腔b3和小内腔b4构成的阶梯腔，小内腔b4经定阻流孔b5与外腔b2连通，大内腔b3、小内腔b4及定阻流孔b5同轴；
换能器H由圆形的膜片h、压电振子I和摆动磁铁k构成，压电振子I和摆动磁铁k经螺钉安装在膜片h的中心处，膜片h的外缘经螺钉和压环e压接在侧板b的大内腔b3的底壁上，压电振子I和摆动磁铁k位于大内腔b3的一侧，压电振子I由基板i1和压电片i2粘接而成，基板i1的自由端设有基板翻边i11，压环e的高度小于大内腔b3的深度；膜片h与小内腔b4构成缓冲腔C。
侧板b经螺钉安装在机壳a的侧腔a2内，两个侧板b上的换能器H相对安装，侧板b的侧边顶靠在隔环a1上。
转换器D由转轴d和叶片y构成，叶片y安装在转轴d的端部，转换器D的转轴d套在侧板轴孔b1内，叶片y置于机壳a的外部。
激励器G由转盘f和转动磁铁g构成，转动磁铁g经螺钉安装在转盘f上，转动磁铁g沿转盘f 的圆周均布；转盘f经螺钉或平键安装在转轴d上，转盘f位于机壳a的中腔a3内，两个侧板b上的换能器H对称布置在转盘f的两侧，转动磁铁g和摆动磁铁k到转轴d的轴线的距离相等；转动磁铁g和摆动磁铁k的磁极均沿轴向配置；激励器G转动时，摆动磁铁k与激励器G上各转动磁铁g间的磁耦合力为：吸引力、排斥力在或交替的吸引力与排斥力；磁耦合力为交替的吸引力与排斥力时，激励器G上圆周方向两相邻转动磁铁g的磁极配置方向相反。
调节盘c上设有轴孔c1、环槽c2和动阻流孔c3，调节盘c经螺钉安装在侧板b的外腔b2内，动阻流孔c3和定阻流孔b5位于同一圆周上且其直径相等，动阻流孔c3与定阻流孔b5的重叠度通过环槽c2调节，进而调节换能器H的振动阻尼。
压电振子I为圆形的单个压电振子或矩形的一组压电振子，圆形的压电振子I的基板i1为圆形、压电片i2为环形，矩形的压电振子I的基板i1为根部相连的辐射状悬臂梁、压电片i2为矩形；圆形的压电振子I用于激励能力强的水流发电，矩形压电振子I用于激励能力弱的风力发电；压电振子I安装前为平直结构，压电振子I安装后为预弯结构，即基板翻边i11顶靠在膜片h 上并使压电片i2和基板i1的复合层处产生弯曲变形。
工作时，即环境中有风或水流过时，叶片y受流体力作用并带转轴d及激励器G一起转动，激励器G与其两侧的换能器H间的位置关系以及转动磁铁g与其轴向两侧的摆动磁铁k之间的相互作用力交替地变化，摆动磁铁k带动膜片h及压电振子I产生轴向往复振动，压电振子I将机械能转换成电能。
为提升发电机的有效带宽，换能器H的固有频率应不低于激励频率，此时膜片的刚度为
km和kp分别为膜片h和压电振子I的刚度，M为换能器H的等效质量，ξ为换能器H的阻尼比，ξ可通过动阻流孔c3与定阻流孔b5的重叠度调节，n为激励器转速，N为激励器上均布的转动磁铁数量。
压电振子I的刚度kp及换能器H的等效质量M确定时，可通过膜片h的厚度和半径设计获得所需的换能器H的固有频率，如；膜片h的材料为铍青铜、摆动磁铁k与膜片h的直径比为1/6时，摆动磁铁k及压电振子I固定在膜片h上时膜片h的刚度为km＝1.0488*1012h3/R2，其中h和R分别为膜片的厚度和小内腔b4的半径，合理的系统参数关系为：
压电振子I的基板翻边ill的功能是使压电片i2在工作中主要承受压应力、不承受拉应力或所承受的拉应力较小，压电振子I的基板翻边ill长度取决于转动磁铁g和摆动磁铁k间磁耦合力的形式：磁耦合力为吸引力时，装配预弯的压电振子I的变形量逐渐减小，基板翻边ill的长度约为其许用长度的0.5倍；磁耦合力为排斥力及交替的吸引力和排斥力时，装配预弯的压电振子I的变形量逐渐增加，基板翻边ill的长度约为其许用长度的0.25倍。
本发明中，压电片i2厚度与基板i1厚度相等，矩形的基板翻边i11的许用长度为
其中：H为基板i1和压电片i2所构成的复合层厚度， Em和Ep分别为基板i1和压电片i2的杨氏模量，Tp为压电材料的许用压应力，L为压电振子I的可变形部分长度，h为膜片的厚度，η为与粘接胶层厚度相关的修正系数。
本发明中基板翻边i11可用独立的置于膜片h或压电振子I上的刚性元件替代，压电振子I 过薄时基板翻边i11需改成独立的置于膜片h或压电振子I上的刚性元件。
与现有技术相比，本发明的可设计性强，系统固有频率由压电振子和膜片共同决定，可通过膜片结构尺寸设计获得所需的固有频率，便于通过降低压电振子厚度的方法增加压电振子许用变形量、降低输出电压、提高输出电流；压电振子单向变形、压电片承受压应力作用；系统阻尼大且可调，便于降低共振时压电振子幅值、减小共振与非共振时的振幅差异，进一步提高了可靠性和有效带宽。
图12为动阻流孔c3与定阻流孔b5的完全重叠、定阻流孔b5的直径不同时，发电机输出电压的幅频特性曲线。
Claims (4)
1.一种微小型发电机，主要由机壳、侧板、调节盘、转换器、激励器和换能器构成，转换器由转轴及转轴端部安装的叶片构成，激励器由转盘及转盘上均布的转动磁铁构成，其特征在于：机壳内部的中腔两侧各设有一个侧腔；侧板的一侧设有与侧板轴孔连通的外腔，侧板的另一侧均布地设有由大内腔和小内腔构成的阶梯腔，小内腔经定阻流孔与外腔连通；换能器由膜片及安装在膜片中心处的压电振子和摆动磁铁构成，膜片的外缘固定在大内腔底壁上；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板的自由端设有基板翻边；膜片与小内腔构成缓冲腔；侧板装在机壳的侧腔内，两个侧板上的换能器相对安装；转轴套在侧板轴孔内；转盘装在转轴上且位于机壳的中腔内；设有轴孔、环槽和动阻流孔的调节盘安装在侧板的外腔内，动阻流孔与定阻流孔的重叠度通过环槽调节。
2.根据权利要求1所述的微小型发电机，其特征在于：转动磁铁和摆动磁铁的磁极均沿轴向配置，摆动磁铁与激励器上各转动磁铁间的磁耦合力为吸引力、排斥力或交替的吸引力与排斥力。
3.根据权利要求1所述的微小型发电机，其特征在于：压电振子为圆形的单个压电振子或矩形的一组压电振子，压电振子安装前为平直结构，压电振子安装后为预弯结构，基板翻边顶靠在膜片上。
4.根据权利要求1和权利要求3所述的微小型发电机，其特征在于：基板翻边用独立的置于膜片或压电振子上的刚性元件替代。
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Non-Patent Citations (1)
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