專利名稱：盤凸輪激勵和限位的大功率旋轉(zhuǎn)式壓電風(fēng)力發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種盤凸輪激勵和限位的大功率旋轉(zhuǎn)式壓電風(fēng)力發(fā)電機，為無線傳感器節(jié)點等微功率無線系統(tǒng)提供實時的能量供應(yīng)。
背景技術(shù)：
風(fēng)能廣泛存在于自然界中，風(fēng)力發(fā)電已成為當(dāng)今世界主流的能源之一。以往人們只注重的大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究，近年來，隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟及其在環(huán)境監(jiān)測、大型建筑物及橋梁的健康監(jiān)測、工業(yè)、軍事及公共安全等領(lǐng)域應(yīng)用的普及，為其提供持續(xù)人能源供應(yīng)的微小型風(fēng)力發(fā)電機的研究受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其原因在于化學(xué)電池的能量有限、其使用時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的壽命，故需經(jīng)常更換，嚴(yán)重制約了無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)在遠(yuǎn)程及危險環(huán)境中的推廣應(yīng)用。目前已提的微小型風(fēng)力發(fā)電機基本都是基于電磁原理和壓電原理的，因壓電式發(fā)電機的發(fā)電過程中不會產(chǎn)生 電磁干擾，更適用于無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等無線系統(tǒng)的應(yīng)用需求。根據(jù)機械能的來源形式及能量密度，可采用塊狀和薄片型壓電振子發(fā)電，其中塊狀壓電振子需要較大沖擊力、而薄片型壓電振子所需激振力較小，因此更適合構(gòu)造能量密度相對較低的風(fēng)力發(fā)電機。現(xiàn)有的利用薄片型壓電振子構(gòu)造的風(fēng)力發(fā)電機主要有兩大類一是吹拂激勵式，即直接利用風(fēng)力吹動壓電振子使其產(chǎn)生彎曲變形并發(fā)電，如中國專利97101500. 7,201110175062. 2,200910104106. 5 ;其二是旋轉(zhuǎn)激勵式，即首先利用風(fēng)使葉片旋轉(zhuǎn)、再由葉片帶動轉(zhuǎn)動機構(gòu)撥動壓電振子彎曲變形并發(fā)電，如中國專利200910081331. I、201010519391. X等。上述壓電發(fā)電機的共同特點是所利用的壓電振子為懸臂梁結(jié)構(gòu)，因其變形時根部應(yīng)力量大、而自由端應(yīng)力為零，且其變形量不可控、易因根部變形過大而損毀，，因此發(fā)電能力和可靠性均較低；同時，不宜采用簡單的施力機構(gòu)同時激勵多個壓電振子同步發(fā)電，故總體供電能力較低，難以實現(xiàn)供電系統(tǒng)的實時性；此外，現(xiàn)有的吹拂式發(fā)電機僅在風(fēng)向與壓電振子表面垂直時才能被有效激勵，無法實現(xiàn)不同風(fēng)向能量的有效收集。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供一種盤凸輪激勵和限位的大功率旋轉(zhuǎn)式壓電風(fēng)力發(fā)電機，以便為不同風(fēng)力環(huán)境條件下無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供可靠、充足的能量供應(yīng)。本實用新型采取的技術(shù)方案是框架上設(shè)有換能腔和一個激勵腔，換能腔的端部通過螺釘安裝有端蓋，激勵腔的上壁上通過螺釘安裝有嵌有軸承的法蘭、側(cè)壁上鑲嵌有導(dǎo)套、下壁上嵌有軸承；主軸通過所述兩個軸承安裝在框架上，其上處于激勵腔內(nèi)側(cè)的部分設(shè)有用于激勵換能器的盤凸輪、外部的軸端上安裝有葉片；所述換能器由套在導(dǎo)桿上且相互鉚接串聯(lián)的底座、缽型壓電振子、實心鉚釘、空心鉚釘及施力桿構(gòu)成；壓電振子由缽型金屬基板和環(huán)形壓電晶片粘接而成；底座通過螺釘固定端蓋上、且將導(dǎo)桿的端帽壓在端蓋上；施力桿套在導(dǎo)套的導(dǎo)向孔內(nèi)、且其端部的壓塊置于激勵腔內(nèi)；彈簧套在施力桿上、且被壓在導(dǎo)套和導(dǎo)桿端部的壓塊之間，彈簧通過壓塊將鑲嵌在所述壓塊上的滾珠壓在主軸上的盤凸輪表面。根據(jù)本實用新型壓電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，鑲嵌于施力桿端部的壓塊上的滾珠始終被彈簧推壓在主軸上的盤凸輪表面，因此壓電振子的變形規(guī)律及最大變形量是由盤凸輪的曲面形狀和偏心距e確定的。為確保壓電振子的壓電晶片不致因變形過大而損毀，盤凸輪的最大偏心距應(yīng)由以下公式確定emax=2SE,6/(nE#)，其中δ為壓電振子11所能承受的最大單向變形量，Ε,6為發(fā)電機所需輸出的能量，單個壓電振子一次往復(fù)彎曲變形所產(chǎn)生的能量，η為換能器的數(shù)量。當(dāng)葉片因受風(fēng)力作用而帶動主軸 旋轉(zhuǎn)時，置于主軸上的盤凸輪在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而滾珠、施力桿及空心鉚釘在彈簧的作用下沿導(dǎo)桿作水平方向的往復(fù)運動，從而帶動由實心鉚釘和空心鉚釘鉚接串聯(lián)的壓電振子作往復(fù)的彎曲變形，并將機械能轉(zhuǎn)換成電能。在上述工作過程中，串聯(lián)的各壓電振子的變形規(guī)律一致、同步發(fā)電、且其變形量始終受制于盤凸輪的曲線形狀，因此不論轉(zhuǎn)速高低，各壓電振子的最大變形都相同，從而獲得較大的發(fā)電量和較高的可靠性。本實用新型的特色與優(yōu)勢①利用盤凸輪同時激勵多組串聯(lián)的壓電振子同步發(fā)電，發(fā)電及供電能量較強；②施力桿通過滾珠始終與盤凸輪曲面接觸，可避免壓電振子因變形過大而損壞，故可靠性高、且無激勵沖擊及噪音；③葉片安裝在垂直的主軸上，可收集各方向的風(fēng)能發(fā)電，風(fēng)向適應(yīng)性強。

圖I是本實用新型一個較佳實施例中自供電裝置的結(jié)構(gòu)原理簡圖；圖2是圖I的A-A剖面圖；圖3是圖I的I部放大圖；圖4是本實用新型主軸的軸向放大視圖。
具體實施方式
框架I上設(shè)有換能腔Ia和一個激勵腔lb，換能腔Ia的端部通過螺釘安裝有端蓋7，激勵腔Ib的上壁Ic上通過螺釘安裝有嵌有軸承3的法蘭2、側(cè)壁Id上鑲嵌有導(dǎo)套5、下壁Ie上嵌有軸承3 ;主軸4通過所述兩個軸承3安裝在框架I上，其上處于激勵腔Ib內(nèi)側(cè)的部分設(shè)有用于激勵換能器8的盤凸輪一 4a和盤凸輪二 4b、外部的軸端上安裝有葉片6 ；所述換能器8由套在導(dǎo)桿9上且相互鉚接串聯(lián)的底座10、缽型壓電振子11、實心鉚釘13、空心鉚釘12及施力桿14構(gòu)成；壓電振子11由缽型金屬基板Ila和環(huán)形壓電晶片Ilb粘接而成；底座10通過螺釘固定端蓋7上、且將導(dǎo)桿9的端帽壓在端蓋7上；施力桿14套在導(dǎo)套5的導(dǎo)向孔內(nèi)、且其端部的壓塊14a置于激勵腔Ib內(nèi)；彈簧16套在施力桿14上、且被壓在導(dǎo)套5和導(dǎo)桿14端部的壓塊14a之間，彈簧16通過壓塊14a將鑲嵌在所述壓塊14a上的滾珠15壓在主軸4上的盤凸輪一 4a或盤凸輪二 4b表面。根據(jù)本實用新型壓電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，鑲嵌于施力桿14端部的壓塊14a上的滾珠15始終被彈簧16推壓在主軸4上的盤凸輪4a和4b表面，因此壓電振子11的變形規(guī)律及最大變形量是由盤凸輪4a和4b的曲面形狀和偏心距e確定的。為確保壓電振子11的壓電晶片I Ib不致因變形過大而損毀，盤凸輪4a和4b的最大偏心距應(yīng)由以下公式確定emax=2 δΕ總/(nE單)’其中δ為壓電振子11所能承受的最大單向變形量，發(fā)電機所需輸出的能量，E#為單個壓電振子一次往復(fù)彎曲變形所產(chǎn)生的能量，η為換能器8的數(shù)量。當(dāng)葉片6因受風(fēng)力作用而帶動主軸4旋轉(zhuǎn)時，置于主軸4上的盤凸輪4a和4b在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而滾珠15、施力桿14及空心鉚釘12在彈簧16的作用下沿導(dǎo)桿9作水平方向的往復(fù)運動，從而帶動由實心鉚釘13和空心鉚釘12鉚接串聯(lián)的壓電振子11作往復(fù)的彎曲變形當(dāng)盤凸輪4a或4b轉(zhuǎn)動并使?jié)L珠15與其升程曲面接觸時，彈簧16被壓縮，盤凸輪4a或4b通過滾珠15、施力桿14、實心鉚釘13和空心鉚釘12迫使串聯(lián)的各壓電振子11向彼此靠近的方向變形，此為主動激勵過程；相反，當(dāng)凸盤輪4a或4b轉(zhuǎn)動并使?jié)L珠15與其回程曲面接觸時，彈簧16在自身彈性力的作用下伸長，盤凸輪4a或4b通過滾珠15、施力桿14、實心鉚釘13和空心鉚釘12迫使串聯(lián)的各壓電振子11向彼此離開的方向變形，此為被動復(fù)位過程。隨著主軸4的連續(xù)轉(zhuǎn)動，串聯(lián)的壓電振子11將被交替地壓縮與拉伸，從而將機械能轉(zhuǎn)換成電能。在上述的主動激勵和被動復(fù)位過程中，串聯(lián)的各壓電振子11的變形規(guī)律一致、同·步發(fā)電、且其變形量始終受制于盤凸輪4a和4b的曲線形狀，因此不論轉(zhuǎn)速高低，各壓電振子11的最大變形都相同，從而獲得較大的發(fā)電量和較高的可靠性。
權(quán)利要求1.一種盤凸輪激勵和限位的大功率旋轉(zhuǎn)式壓電風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于框架上設(shè)有多個換能腔和一個激勵腔，換能腔的端部通過螺釘安裝有端蓋，激勵腔的上壁上通過螺釘安裝有嵌有軸承的法蘭、側(cè)壁上鑲嵌有導(dǎo)套、下壁上嵌有軸承；主軸通過軸承安裝在框架上，其上處于激勵腔內(nèi)側(cè)的部分設(shè)有用于激勵換能器的盤凸輪、外部的軸端上安裝有葉片；所述換能器由套在導(dǎo)桿上且相互鉚接串聯(lián)的底座、缽型壓電振子、實心鉚釘、空心鉚釘及施力桿構(gòu)成；壓電振子由缽型金屬基板和環(huán)形壓電晶片粘接而成；底座通過螺釘固定端蓋上、且將導(dǎo)桿的端帽壓在端蓋上；施力桿套在導(dǎo)套的導(dǎo)向孔內(nèi)、且其端部的壓塊置于激勵腔內(nèi)；彈簧套在施力桿上、且被壓在導(dǎo)套和導(dǎo)桿端部的壓塊之間，彈簧通過壓塊將鑲嵌在所述壓塊上的滾珠壓在主軸上的盤凸輪表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的盤凸輪激勵和限位的大功率旋轉(zhuǎn)式壓電風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于盤凸輪的最大偏心距應(yīng)由以下公式確定θ_=2δΕ,6/(ηΕ^，其中δ為壓電振子11所能承受的最大單向變形量，Ε,6為發(fā)電機所需輸出的能量，E#為單個壓電振子一次往復(fù)彎曲變形所產(chǎn)生的能量，η為換能器的數(shù)量。
專利摘要本實用新型涉一種盤凸輪激勵和限位的大功率旋轉(zhuǎn)式壓電風(fēng)力發(fā)電機，屬于屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。框架上設(shè)有換能腔和激勵腔，換能腔端部裝有端蓋，激勵腔上壁裝有嵌有軸承的法蘭、側(cè)壁上嵌有導(dǎo)套、下壁上嵌有軸承；主軸通過軸承安裝在框架上，其上設(shè)有用于激勵換能器的盤凸輪、安裝有葉片；換能器由套在導(dǎo)桿上且相互鉚接的底座、壓電振子、鉚釘及施力桿構(gòu)成；底座和導(dǎo)桿固定在端蓋上，施力桿套在導(dǎo)套的導(dǎo)向孔內(nèi)；彈簧套在施力桿上、且被壓在導(dǎo)套和導(dǎo)桿端部的壓塊之間，彈簧通過壓塊將滾珠壓在盤凸輪表面。優(yōu)點是利用置于垂直軸上的盤凸輪同時激勵多組串聯(lián)的壓電振子、并限制其變形量，發(fā)電能力及風(fēng)向適應(yīng)能力強、可靠性高、無接觸沖擊及噪音。
文檔編號H02N2/18GK202721622SQ20122044228
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月1日
發(fā)明者王淑云, 闞君武, 諸葛剛, 王鴻云, 程光明, 曾平 申請人:浙江師范大學(xué)