[实用新型]端面凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力发电机

说明书

技术领域

本实用新型属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种端面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端面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：镶有导板和轴承的端盖通过螺钉安装在中空型主体的上端面，所述主体的下底面上通过螺钉安装有底座、镶嵌有轴承；主轴通过所述的两个轴承垂直地安装在主体和端盖上，主轴上通过两个卡簧和平键安装有端面凸轮、顶部安装有叶片，所述端面凸轮和叶片置于主体的外部；导杆的端帽通过底座压接在主体的下底面上，在所述导杆上还依次套有用于铆接压电振子的空心铆钉和施力杆；所述压电振子由钵型金属基板和压电晶片粘接而成；一组钵型金属基板依次通过边缘的实心铆钉和中心的空心铆钉铆接串联，最下端的钵型金属基板与底座上端的空心套管铆接、最上端的钵型金属基板与施力杆下端的空心套管铆接；所述施力杆的空心套管套在导板的导向孔内；复位弹簧套在施力杆下端的空心套管外、且被压接在导板的上表面和施力杆上端的压块的下表面之间；施力杆上端的压块上镶嵌有滚珠，所述滚珠通过复位弹簧和施力杆上端的压块压接在端面凸轮的曲面上。

在本实用新型中，镶嵌于施力杆上端的压块上的滚珠始终被复位弹簧推压在端面凸轮的曲面上，因此压电振子的变形规律及最大变形量是由端面凸轮的曲面形状和升程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，端面凸轮的最大升程应由以下公式确定：e_max=2δE_总/(nE_单),其中δ为压电振子7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为串联压电振子的组数、即导杆的数量。

当叶片因受风力作用而带动主轴旋转时，置于主轴上的端面凸轮在水平面内旋转，而滚珠、施力杆及空心铆钉在复位弹簧的作用下沿导杆作垂直方向的往复运动，从而带动由空心铆钉铆接串联的压电振子做往复的弯曲变形，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端面凸轮的曲线形状，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。