專利名稱：端面凸輪激勵和限位的大功率旋轉式壓電風力發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于新能源和發(fā)電技術領域，具體涉及一種端面凸輪激勵和限位的大功率旋轉式壓電風力發(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。
背景技術：
風能廣泛存在于自然界中，風力發(fā)電已成為當今世界主流的能源之一。以往人們只注重的大規(guī)模風力發(fā)電系統(tǒng)的研究，近年來，隨著無線傳感網(wǎng)絡技術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域應用的普及，為其提供持續(xù)人能源供應的微小型風力發(fā)電機的研究受到國內(nèi)外學者的廣泛關注，其原因在于化學電池的能量有限、其使用時間遠遠小于無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的壽命，故需經(jīng)常更換，嚴重制約了無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)在遠程及危險環(huán)境中的推廣應用。目前已提的微小型風力發(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)絡節(jié)點等無線系統(tǒng)的應用需求。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，因此更適合構造能量密度相對較低的風力發(fā)電機?，F(xiàn)有的利用薄片型壓電振子構造的風力發(fā)電機主要有兩大 類一是吹拂激勵式，即直接利用風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 ;其二是旋轉激勵式，即首先利用風使葉片旋轉、再由葉片帶動轉動機構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構，因其變形時根部應力量大、而自由端應力為零，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)不同風向能量的有效收集。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種端面凸輪激勵-限位的大功率旋轉式壓電風力發(fā)電機，以便為不同風力環(huán)境條件下無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點提供可靠、充足的能量供應。本發(fā)明采取的技術方案是鑲有導板和軸承的端蓋通過螺釘安裝在中空型主體的上端面，所述主體的下底面上通過螺釘安裝有底座、鑲嵌有軸承；主軸通過所述的兩個軸承垂直地安裝在主體和端蓋上，主軸上通過兩個卡簧和平鍵安裝有端面凸輪、頂部安裝有葉片，所述端面凸輪和葉片置于主體的外部；導桿的端帽通過底座壓接在主體的下底面上，在所述導桿上還依次套有用于鉚接壓電振子的空心鉚釘和施力桿；所述壓電振子由缽型金屬基板和壓電晶片粘接而成；一組鉢型金屬基板依次通過邊緣的實心柳釘和中心的空心柳釘鉚接串聯(lián)，最下端的缽型金屬基板與底座上端的空心套管鉚接、最上端的缽型金屬基板與施力桿下端的空心套管鉚接；所述施力桿的空心套管套在導板的導向孔內(nèi)；復位彈簧套在施力桿下端的空心套管外、且被壓接在導板的上表面和施力桿上端的壓塊的下表面之間；施力桿上端的壓塊上鑲嵌有滾珠，所述滾珠通過復位彈簧和施力桿上端的壓塊壓接在端面凸輪的曲面上。在本發(fā)明中，鑲嵌于施力桿上端的壓塊上的滾珠始終被復位彈簧推壓在端面凸輪的曲面上，因此壓電振子的變形規(guī)律及最大變形量是由端面凸輪的曲面形狀和升程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，端面凸輪的最大升程應由以下公式確定θ_=2δΕ,6/(ηΕ#)，其中δ為壓電振子7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彎曲變形所產(chǎn)生的能量，η為串聯(lián)壓電振子的組數(shù)、即導桿的數(shù)量。當葉片因受風力作用而帶動主軸旋轉時，置于主軸上的端面凸輪在水平面內(nèi)旋轉，而滾珠、施力桿及空心鉚釘在復位彈簧的作用下沿導桿作垂直方向的往復運動，從而帶動由空心鉚釘鉚接串聯(lián)的壓電振子做往復的彎曲變形，并將機械能轉換成電能。 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端面凸輪的曲線形狀，因此不論轉速高低，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。本發(fā)明的特色與優(yōu)勢①利用端面凸輪同時激勵多組串聯(lián)的壓電振子同步發(fā)電，發(fā)電及供電能量較強施力桿通過滾珠始終與端面凸輪曲面接觸，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，可收集各方向的風能發(fā)電，風向適應性強。


圖I是本發(fā)明一個較佳實施例中自供電裝置的結構原理簡圖；圖2是圖I的A-A剖面圖。
具體實施例方式鑲有導板15和軸承3的端蓋9通過螺釘安裝在中空型主體I的上端面，所述主體
I的下底面上通過螺釘安裝有底座2、鑲嵌有軸承3 ;主軸4通過兩個軸承3垂直地安裝在主體I和端蓋9上，主軸4上通過兩個卡簧14和平鍵13安裝有端面凸輪12、頂部安裝有葉片17，所述端面凸輪12和葉片17置于主體I的外部；導桿5的端帽通過底座2壓接在主體I的下底面上，在所述導桿5上還依次套有用于鉚接壓電振子7的空心鉚釘8和施力桿16 ;所述壓電振子7由缽型金屬基板7a和壓電晶片7b粘接而成；一組缽型金屬基板7a依次通過邊緣的實心鉚釘6和中心的空心鉚釘8鉚接串聯(lián)，最下端的缽型金屬基板7a與底座2上端的空心套管2a鉚接、最上端的缽型金屬基板7a與施力桿16下端的空心套管16a鉚接；所述施力桿16的空心套管16a套在導板15的導向孔內(nèi)；復位彈簧10套在施力桿16下端的空心套管16a外、且被壓接在導板15的上表面和施力桿16上端的壓塊16b的下表面之間；施力桿16上端的壓塊16b上鑲嵌有滾珠11，所述滾珠11通過復位彈簧10和施力桿16上端的壓塊16b壓接在端面凸輪12的曲面上。根據(jù)本發(fā)明壓電發(fā)電機的結構，鑲嵌于施力桿16上端的壓塊16a上的滾珠11始終被復位彈簧10推壓在端面凸輪12的曲面上，因此壓電振子7的變形規(guī)律及最大變形量是由端面凸輪12的曲面形狀和升程e確定的。為確保壓電振子7的壓電晶片7b不致因變形過大而損毀，端面凸輪12的最大升程應由以下公式確定θ_=2δΕ,6/(ηΕ$)，其中δ為壓電振子7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彎曲變形所產(chǎn)生的能量，η為串聯(lián)壓電振子7的組數(shù)、即導桿5的數(shù)量。當葉片17因受風力作用而帶動主軸4旋轉時，置于主軸4上的端面凸輪12在水平面內(nèi)旋轉，而滾珠11、施力桿16及空心鉚釘8在復位彈簧10的作用下沿導桿5作垂直方向的往復運動，從而帶動由實心鉚釘6和空心鉚釘8鉚接串聯(lián)的壓電振子7做往復的彎曲變形當滾珠11與端面凸輪12的凸面接觸時，復位彈簧10被壓縮，端面凸輪12通過滾珠11、施力桿16和空心鉚釘8迫使串聯(lián)的各壓電振子7向彼此靠近的方向變形，此為主動激勵過程；相反，當滾珠11與端面凸輪12的凹面接觸時，復位彈簧10在自身彈性力的作用下伸長、并通過施力桿16和空心鉚釘8迫使串聯(lián)的各壓電振子7向彼此遠離的方向變形，此為被動復位過程。隨著主軸4的連續(xù)轉動，串聯(lián)的壓電振子7將被交替地壓縮與拉伸，從而 將機械能轉換成電能。在上述的主動激勵和被動復位過程中，串聯(lián)的各壓電振子7的變形規(guī)律一致、同步發(fā)電、且其變形量始終受制于端面凸輪12的曲線形狀，因此不論轉速高低，各壓電振子7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。
權利要求
1.一種端面凸輪激勵和限位的大功率旋轉式壓電風力發(fā)電機，其特征在于鑲有導板和軸承的端蓋通過螺釘安裝在中空型主體的上端面，所述主體的下底面上通過螺釘安裝有底座、鑲嵌有軸承；主軸通過所述的兩個軸承垂直地安裝在主體和端蓋上，主軸上通過兩個卡簧和平鍵安裝有端面凸輪、頂部安裝有葉片，所述端面凸輪和葉片置于主體的外部；導桿的端帽通過底座壓接在主體的下底面上，在所述導桿上還依次套有用于鉚接壓電振子的空心鉚釘和施力桿；所述壓電振子由缽型金屬基板和壓電晶片粘接而成；一組缽型金屬基板依次通過邊緣的實心鉚釘和中心的空心鉚釘鉚接串聯(lián)，最下端的缽型金屬基板與底座上端的空心套管鉚接、最上端的缽型金屬基板與施力桿下端的空心套管鉚接；所述施力桿的空心套管套在導板的導向孔內(nèi)；復位彈簧套在施力桿下端的空心套管外、且被壓接在導板的上表面和施力桿上端的壓塊的下表面之間；施力桿上端的壓塊上鑲嵌有滾珠，所述滾珠通過復位彈簧和施力桿上端的壓塊壓接在端面凸輪的曲面上。
2.根據(jù)權利要求I所述的端面凸輪激勵和限位的大功率旋轉式壓電風力發(fā)電機，其特征在于端面凸輪的最大升程應由以下公式確定emax=2δE,6/(nE￠)，其中δ為壓電振子7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，為單個壓電振子一次往復彎曲變形所產(chǎn)生的能量，η為串聯(lián)壓電振子的組數(shù)、即導桿的數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明涉一種端面凸輪激勵和限位的大功率旋轉式壓電風力發(fā)電機，屬于新能源和發(fā)電技術領域。端蓋安裝在主體上，主體下底面上安裝有底座、鑲嵌有軸承；主軸通過軸承安裝在主體和端蓋上，主軸上安裝有端面凸輪和葉片；導桿固定在主體底面上，導桿上套有通過鉚釘鉚接串聯(lián)的壓電振子，最上端和最下端壓電振子分別于底座及施力桿的空心套管鉚接；復位彈簧套在施力桿的空心套管外、且被壓接在導板和施力桿壓塊之間；施力桿壓塊上鑲嵌有滾珠，滾珠通過復位彈簧和施力桿壓塊壓接在端面凸輪的曲面上。優(yōu)點是利用置于垂直軸上的端面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)電能力及風向適應能力強、可靠性高、無接觸沖擊及噪音。
文檔編號H02N2/18GK102820807SQ20121032016
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月1日 優(yōu)先權日2012年9月1日
發(fā)明者闞君武, 王淑云, 于麗, 尹曉紅, 蔡建成, 程光明 申請人:浙江師范大學