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1、(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201210320159.2 (22)申请日 2012.09.01 H02N 2/18(2006.01) F03D 9/00(2006.01) (73)专利权人 浙江师范大学 地址 321001 浙江省金华市迎宾大道 688 号 专利权人 国网吉林省电力有限公司电力科 学研究院 国家电网公司 (72)发明人 阚君武 李胜杰 王淑云 王鸿云 严梦佳 方江海 赵金峰 豆中州 (74)专利代理机构 吉林长春新纪元专利代理有 限责任公司 22100 代理人 魏征骥 CN 202721622 U,2013.02.06, 权利要求 1-2. CN 1。
2、171489 A,1998.01.28, 全文 . CN 101510740 A,2009.08.19, 全文 . CN 101951188 A,2011.01.19, 全文 . US 2011/0260583 A1,2011.10.27, 全文 . CN 101575082 A,2009.11.11, 全文 . CN 102280573 A,2011.12.14, 全文 . US 2010/0052324 A1,2010.03.04, 全文 . 闫世伟等 . 压电陶瓷能量转换系统 .吉 林大学学报 ( 工学版 ) .2008, 第 38 卷 ( 第 2 期 ),344-348. (54) 发。
3、明名称 盘凸轮激励和限位的大功率旋转式压电风力 发电机 (57) 摘要 本发明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， 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。 。
4、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。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 辛义剑 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 (10)授权公告号 CN 102801360 B (45)授权公告日 2015.04.01 CN 102801360 B 1/1 页 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。
5、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。
6、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 2E总/(nE单), 其中 为压电振子 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。 权 利 要 求 书 CN 102801360 B 2 1/3 页 3 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 0001 本发明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 0002 风能。
7、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。
8、线网络节点等无线系统的应用需求。 0003 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、。
9、 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 0004 本发明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。
10、能量供应。 0005 本发明采取的技术方案是 ： 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。
11、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 说 明 书 CN 102801360 B 3 2/3 页 4 面。 0006 根据本发明压电发电机的结构， 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=2E总(nE单), 其中 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。
12、弯曲变形所产生的能量， n 为换能器的数量。 0007 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。 0008 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。 0009 本发明的特色与优势 ： 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。
13、强 ； 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 ； 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 0010 图 1 是本发明一个较佳实施例中自供电装置的结构原理简图 ； 0011 图 2 是图 1 的 A-A 剖面图 ； 0012 图 3 是图 1 的 I 部放大图 ； 0013 图 4 是本发明主轴的轴向放大视图。 具体实施方式 0014 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。
14、 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、。
15、 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。 0015 根据本发明压电发电机的结构， 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 。
16、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=2E 说 明 书 CN 102801360 B 4 3/3 页 5 总(nE单), 其中 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。 0016 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。
17、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 。
18、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。 0017 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。 说 明 书 CN 102801360 B 5 1/3 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102801360 B 6 2/3 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 102801360 B 7 3/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102801360 B 8 。