CN202721622U - 盘凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机 - Google Patents

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王淑云
阚君武
诸葛刚
王鸿云
程光明
曾平
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Abstract

本实用新型涉一种盘凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机，属于属于新能源和发电技术领域。框架上设有换能腔和激励腔，换能腔端部装有端盖，激励腔上壁装有嵌有轴承的法兰、侧壁上嵌有导套、下壁上嵌有轴承；主轴通过轴承安装在框架上，其上设有用于激励换能器的盘凸轮、安装有叶片；换能器由套在导杆上且相互铆接的底座、压电振子、铆钉及施力杆构成；底座和导杆固定在端盖上，施力杆套在导套的导向孔内；弹簧套在施力杆上、且被压在导套和导杆端部的压块之间，弹簧通过压块将滚珠压在盘凸轮表面。优点是利用置于垂直轴上的盘凸轮同时激励多组串联的压电振子、并限制其变形量，发电能力及风向适应能力强、可靠性高、无接触冲击及噪音。

Description

盘凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机
技术领域
本实用新型属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种盘凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机，为无线传感器节点等微功率无线系统提供实时的能量供应。
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。以往人们只注重的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，为其提供持续人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。目前已提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的应用需求。
根据机械能的来源形式及能量密度，可采用块状和薄片型压电振子发电，其中块状压电振子需要较大冲击力、而薄片型压电振子所需激振力较小，因此更适合构造能量密度相对较低的风力发电机。现有的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，如中国专利97101500.7、201110175062.2、200910104106.5；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，如中国专利200910081331.1、201010519391.X 等。上述压电发电机的共同特点是所利用的压电振子为悬臂梁结构，因其变形时根部应力量大、而自由端应力为零，且其变形量不可控、易因根部变形过大而损毁，，因此发电能力和可靠性均较低；同时，不宜采用简单的施力机构同时激励多个压电振子同步发电，故总体供电能力较低，难以实现供电系统的实时性；此外，现有的吹拂式发电机仅在风向与压电振子表面垂直时才能被有效激励，无法实现不同风向能量的有效收集。
发明内容
 本实用新型提供一种盘凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机，以便为不同风力环境条件下无线传感监测系统网络节点提供可靠、充足的能量供应。
本实用新型采取的技术方案是：框架上设有换能腔和一个激励腔，换能腔的端部通过螺钉安装有端盖，激励腔的上壁上通过螺钉安装有嵌有轴承的法兰、侧壁上镶嵌有导套、下壁上嵌有轴承；主轴通过所述两个轴承安装在框架上，其上处于激励腔内侧的部分设有用于激励换能器的盘凸轮、外部的轴端上安装有叶片；所述换能器由套在导杆上且相互铆接串联的底座、钵型压电振子、实心铆钉、空心铆钉及施力杆构成；压电振子由钵型金属基板和环形压电晶片粘接而成；底座通过螺钉固定端盖上、且将导杆的端帽压在端盖上；施力杆套在导套的导向孔内、且其端部的压块置于激励腔内；弹簧套在施力杆上、且被压在导套和导杆端部的压块之间，弹簧通过压块将镶嵌在所述压块上的滚珠压在主轴上的盘凸轮表面。
根据本实用新型压电发电机的结构，镶嵌于施力杆端部的压块上的滚珠始终被弹簧推压在主轴上的盘凸轮表面，因此压电振子的变形规律及最大变形量是由盘凸轮的曲面形状和偏心距e确定的。为确保压电振子的压电晶片不致因变形过大而损毁，盘凸轮的最大偏心距应由以下公式确定：emax=2δE总/(nE单),其中δ为压电振子11所能承受的最大单向变形量，E总为发电机所需输出的能量，E总为单个压电振子一次往复弯曲变形所产生的能量，n为换能器的数量。
当叶片因受风力作用而带动主轴旋转时，置于主轴上的盘凸轮在水平面内旋转，而滚珠、施力杆及空心铆钉在弹簧的作用下沿导杆作水平方向的往复运动，从而带动由实心铆钉和空心铆钉铆接串联的压电振子作往复的弯曲变形，并将机械能转换成电能。
在上述工作过程中，串联的各压电振子的变形规律一致、同步发电、且其变形量始终受制于盘凸轮的曲线形状，因此不论转速高低，各压电振子的最大变形都相同，从而获得较大的发电量和较高的可靠性。
本实用新型的特色与优势：①利用盘凸轮同时激励多组串联的压电振子同步发电，发电及供电能量较强；②施力杆通过滚珠始终与盘凸轮曲面接触，可避免压电振子因变形过大而损坏，故可靠性高、且无激励冲击及噪音；③叶片安装在垂直的主轴上，可收集各方向的风能发电，风向适应性强。
附图说明
图1是本实用新型一个较佳实施例中自供电装置的结构原理简图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是图1的I部放大图；
图4是本实用新型主轴的轴向放大视图。
具体实施方式
框架1上设有换能腔1a和一个激励腔1b，换能腔1a的端部通过螺钉安装有端盖7，激励腔1b的上壁1c上通过螺钉安装有嵌有轴承3的法兰2、侧壁1d上镶嵌有导套5、下壁1e上嵌有轴承3；主轴4通过所述两个轴承3安装在框架1上，其上处于激励腔1b内侧的部分设有用于激励换能器8的盘凸轮一4a和盘凸轮二4b、外部的轴端上安装有叶片6；所述换能器8由套在导杆9上且相互铆接串联的底座10、钵型压电振子11、实心铆钉13、空心铆钉12及施力杆14构成；压电振子11由钵型金属基板11a和环形压电晶片11b粘接而成；底座10通过螺钉固定端盖7上、且将导杆9的端帽压在端盖7上；施力杆14套在导套5的导向孔内、且其端部的压块14a置于激励腔1b内；弹簧16套在施力杆14上、且被压在导套5和导杆14端部的压块14a之间，弹簧16通过压块14a将镶嵌在所述压块14a上的滚珠15压在主轴4上的盘凸轮一4a或盘凸轮二4b表面。
根据本实用新型压电发电机的结构，镶嵌于施力杆14端部的压块14a上的滚珠15始终被弹簧16推压在主轴4上的盘凸轮4a和4b表面，因此压电振子11的变形规律及最大变形量是由盘凸轮4a和4b的曲面形状和偏心距e确定的。为确保压电振子11的压电晶片11b不致因变形过大而损毁，盘凸轮4a和4b的最大偏心距应由以下公式确定：emax=2δE总/(nE单),其中δ为压电振子11所能承受的最大单向变形量，E总为发电机所需输出的能量，E单为单个压电振子一次往复弯曲变形所产生的能量，n为换能器8的数量。
当叶片6因受风力作用而带动主轴4旋转时，置于主轴4上的盘凸轮4a和4b在水平面内旋转，而滚珠15、施力杆14及空心铆钉12在弹簧16的作用下沿导杆9作水平方向的往复运动，从而带动由实心铆钉13和空心铆钉12铆接串联的压电振子11作往复的弯曲变形：当盘凸轮4a或4b转动并使滚珠15与其升程曲面接触时，弹簧16被压缩，盘凸轮4a或4b通过滚珠15、施力杆14、实心铆钉13和空心铆钉12迫使串联的各压电振子11向彼此靠近的方向变形，此为主动激励过程；相反，当凸盘轮4a或4b转动并使滚珠15与其回程曲面接触时，弹簧16在自身弹性力的作用下伸长，盘凸轮4a或4b通过滚珠15、施力杆14、实心铆钉13和空心铆钉12迫使串联的各压电振子11向彼此离开的方向变形，此为被动复位过程。随着主轴4的连续转动，串联的压电振子11将被交替地压缩与拉伸，从而将机械能转换成电能。
在上述的主动激励和被动复位过程中，串联的各压电振子11的变形规律一致、同步发电、且其变形量始终受制于盘凸轮4a和4b的曲线形状，因此不论转速高低，各压电振子11的最大变形都相同，从而获得较大的发电量和较高的可靠性。

Claims (2)

1.一种盘凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机，其特征在于：框架上设有多个换能腔和一个激励腔，换能腔的端部通过螺钉安装有端盖，激励腔的上壁上通过螺钉安装有嵌有轴承的法兰、侧壁上镶嵌有导套、下壁上嵌有轴承；主轴通过轴承安装在框架上，其上处于激励腔内侧的部分设有用于激励换能器的盘凸轮、外部的轴端上安装有叶片；所述换能器由套在导杆上且相互铆接串联的底座、钵型压电振子、实心铆钉、空心铆钉及施力杆构成；压电振子由钵型金属基板和环形压电晶片粘接而成；底座通过螺钉固定端盖上、且将导杆的端帽压在端盖上；施力杆套在导套的导向孔内、且其端部的压块置于激励腔内；弹簧套在施力杆上、且被压在导套和导杆端部的压块之间，弹簧通过压块将镶嵌在所述压块上的滚珠压在主轴上的盘凸轮表面。
2.根据权利要求1所述的盘凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机，其特征在于：盘凸轮的最大偏心距应由以下公式确定：emax=2δE总/(nE单),其中δ为压电振子11所能承受的最大单向变形量，E总为发电机所需输出的能量，E单为单个压电振子一次往复弯曲变形所产生的能量，n为换能器的数量。
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