CN110912451B - 一种涡轮式压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涡轮式压电发电机，属新能源技术领域。主体的轴腔上下两侧设有体腔，轴腔和体腔的侧壁端部装有端盖；置于轴腔内的主轴一端经轴腔底壁伸出并装有带叶片和主磁铁的转盘；支架的纵梁上下两端设有带倾斜安装面的横梁；激励器的凸轮体左右两侧分别设有左右销、上下两侧各设有一组凸轮，凸轮面由底面、斜面和顶面构成；凸轮体置于体腔内，端部装有副磁铁的右销经体腔底壁上伸出，主副磁铁构成磁力副；凸轮体将缓冲簧压接在体腔底壁上，装有调频块的纵梁的导孔套在左销上，左销端部装有挡块；纵梁与挡块和凸轮体间分别压接有左右簧；支架安装面上装有自由端带顶块的压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成，顶块顶靠在凸轮面上。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种涡轮式压电发电机，用于构造自供电河流监测***。
背景技术
我国境内遍布的河流达数千条之多，河流监测已受到国家相关部门的高度重视；同时，国内专家学者也相继提出了相应的监测方法和手段，包括针对河水污染的水质监测技术，针对防洪及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术等多方面，以及为河流监测***供电的各类微小型发电机，但现有的微小型发电机在可靠性及流速适应性等方面都存在一定的问题，严重地阻碍了其推广应用。
发明内容
本发明提出一种涡轮式压电发电机，本发明采用的实施方案是：主体的轴腔上下两侧设有体腔，轴腔和体腔的底壁上分别设有轴孔和销孔，轴腔和体腔的侧壁端部经螺钉安装有端盖；经两个轴承安装在轴腔内的主轴的一端经轴孔伸出，主轴外伸端经螺钉安装有带叶片的转盘，转盘上经螺钉均布地安装有主磁铁；支架的纵梁上下两端右侧都设有横梁，横梁上设有安装孔，安装孔的侧壁上设有倾斜的安装面，安装面与横梁间形成的锐角为安装角，安装角大于30度；激励器的凸轮体的左右两侧分别设有相互同轴的左右销、上下两侧各设有一组凸轮，凸轮为移动凸轮，凸轮的凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，底面与顶面间的距离为凸轮升程，底面与斜面间所构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；凸轮体置于体腔内，右销经体腔底壁上的销孔伸出，右销端部经螺钉安装有副磁铁，副磁铁与转盘上的主磁铁构成传递动力的磁力副；凸轮体将缓冲簧压接在体腔的底壁上，缓冲簧套在右销上；支架的纵梁上经螺钉安装有调频块，纵梁上的导孔套在激励器的左销上，左销端部经螺钉安装有挡块，挡块也为激励器的调频质量块；纵梁与挡块和凸轮体之间分别压接有左簧和右簧，左右簧都套在左销上；纵梁的上下两侧与体腔内壁间为间隙配合，横梁不与体腔内壁接触；支架的安装面上经螺钉和压条装有压电振子，压电振子为由等厚的基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，基板靠近凸轮体安装；压电振子自由端经螺钉安装有顶块，顶块顶靠在凸轮面上；非工作时顶块与凸轮的斜面中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子许用变形量大于凸轮升程。
本发明中，压电振子安装前的自然状态下为预弯结构，基板预弯半径小于压电片预弯半径，压电振子预弯半径即基板与压电片粘接面的预弯半径为
压电振子预弯半径为无穷大即压电振子为平直结构且固定端两层都被夹持时其许用变形量为
上述公式中：l和h分别为压电振子的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明的发电机可用于水及风能回收；叶片受流体作用时带动转盘及主磁铁转动，主副磁铁间的相对位置及相互作用力发生变化，进而迫使激励器往复振动，激励器再经左右簧带动支架及压电振子沿左销往复运动；压电振子与激励器的相对运动使顶块与凸轮面的接触点发生变化，即压电振子沿凸轮的斜面往复弯曲变形并将机械能转换成电能；具体过程：①激励器移动并使顶块沿凸轮的斜面上升时压电振子变形量逐渐增加，顶块与凸轮的顶面接触时压电振子变形量达最大、不再随激励器的继续移动而增加；②激励器移动并使顶块沿凸轮的斜面下降时压电振子变形量逐渐减小，顶块与凸轮的底面接触时压电振子的变形量达最小、不再随激励器的继续移动而降低；左簧被压死时顶块与凸轮的顶面保持接触，右簧被压死时顶块与凸轮的底面保持接触。本发明中，激励器同步激励多组压电振子，发电能力强；压电振子最大变形小于凸轮升程且压电片仅承受压应力，可靠性高；发电机为两自由度***，且其振动响应特性易于通过相关弹簧和调频块加以调整，故环境适应性强、频带宽。
优势与特色：发电机为两自由度***，激励器同步激励多个压电振子，发电机振动响应特性易于通过相关弹簧刚度及***质量调节，故发电能力强、有效频带宽；压电振子单向弯曲变形且变形量可控，其最大变形都小于凸轮的升程、故发电能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图；
图5是图4的左视图；
图6是图1的I部放大图。
具体实施方式
主体a的轴腔a1上下两侧设有体腔a2，轴腔a1和体腔a2的底壁上分别设有轴孔a3和销孔a4，轴腔a1和体腔a2的侧壁端部经螺钉安装有端盖b；经两个轴承安装在轴腔a1内的主轴p的一端经轴孔a3伸出，主轴p的外伸端经螺钉安装有带叶片n2的转盘n1，转盘n1上经螺钉均布地安装有主磁铁j；支架c的纵梁c1上下两端右侧都设有横梁c2，横梁c2上设有安装孔c3，安装孔c3的侧壁上设有倾斜的安装面c4，安装面c4与横梁c2间形成的锐角c6为安装角，安装角大于30度；激励器f的凸轮体f0的左右两侧分别设有相互同轴的左销f4和右销f5、上下两侧各设有一组凸轮F，凸轮F为移动凸轮，凸轮F的凸轮面由依次相连的底面f1、斜面f2和顶面f3构成，底面f1与顶面f3间的距离f7为凸轮升程，底面f1与斜面f2间所构成的锐角f6为凸轮升角，f6＝30～50度；激励器f的凸轮体f0置于体腔a2内，右销f5经体腔a2底壁上的销孔a4伸出，右销f5端部经螺钉安装有副磁铁i，副磁铁i与转盘n1上的主磁铁j构成传递动力的磁力副；凸轮体f0将缓冲簧k2压接在体腔a2的底壁上，缓冲簧k2套在右销f5上；支架c的纵梁c1上经螺钉安装有调频块h，支架c的纵梁c1上的导孔c5套在激励器f的左销f4上，左销f4端部经螺钉安装有挡块g，挡块g也为激励器f的调频质量块；纵梁c1与挡块g和凸轮体f0之间分别压接有左簧k3和右簧k4，左簧k3和右簧k4都套在左销f4上；纵梁c1的上下两侧与体腔a2的内壁间为间隙配合，横梁c2不与体腔a2的内壁接触；支架c的安装面c4上经螺钉和压条e装有压电振子d，压电振子d为由等厚的基板d1和压电片d2粘接而成的悬臂梁结构，基板d1靠近凸轮体f0安装；压电振子d自由端经螺钉安装有顶块d3，顶块d3顶靠在凸轮面上；非工作时顶块d3与凸轮F的斜面f2的中点接触，压电振子d安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子d的许用变形量大于凸轮升程。
本发明中，压电振子d安装前的自然状态下为预弯结构，基板d1的预弯半径小于压电片d2的预弯半径，压电振子d的预弯半径即基板d1与压电片d2粘接面的预弯半径为
压电振子d的预弯半径为无穷大即压电振子d为平直结构且固定端两层都被夹持时其许用变形量为
上述公式中：l和h分别为压电振子d的悬臂长度和总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明的发电机可用于水及风能回收；叶片n2受流体作用时带动转盘n1及主磁铁j转动，主磁铁j与副磁铁i间的相对位置及相互作用力发生变化，进而迫使激励器f往复振动，激励器f再经左簧k3和右簧k4带动支架c及压电振子d沿左销f4往复运动；压电振子d与激励器f的相对运动使顶块d3与凸轮面的接触点发生变化，即压电振子d沿凸轮F的斜面f2往复弯曲变形并将机械能转换成电能；具体过程：①激励器f移动并使顶块d3沿凸轮F的斜面f2上升时压电振子d变形量逐渐增加，顶块d3与凸轮F的顶面f3接触时压电振子d的变形量达最大、不再随激励器f的继续移动而增加；②激励器f移动并使顶块d3沿凸轮F的斜面f2下降时压电振子d变形量逐渐减小，顶块d3与凸轮F的底面f1接触时压电振子d的变形量达最小、不再随激励器f的继续移动而降低；左簧k3被压死时顶块d3与凸轮F的顶面f3保持接触，右簧k4被压死时顶块d3与凸轮F的底面f1保持接触。本发明中，激励器f同步激励多组压电振子d，发电能力强；压电振子d的最大变形小于凸轮升程且压电片d2仅承受压应力，可靠性高；发电机为两自由度***，且其振动响应特性易于通过相关弹簧和调频块加以调整，故环境适应性强、频带宽。
Claims (1)
1.一种涡轮式压电发电机，其特征在于：主体的轴腔上下两侧设有体腔，轴腔和体腔的侧壁端部装有端盖；置于轴腔内的主轴一端经轴腔底壁伸出并装有带叶片的转盘，转盘上装有主磁铁；支架的纵梁上下两端都设有带倾斜的安装面的横梁，安装面与横梁间形成的锐角大于30度；激励器的凸轮体左右两侧分别设有左右销、上下两侧各设有一组凸轮，凸轮面由依次相连的底面、斜面和顶面构成，底面与顶面间的距离为凸轮升程，底面与斜面间所构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度；凸轮体置于体腔内，右销经体腔底壁上伸出，右销端部装有副磁铁，副磁铁与转盘上的主磁铁构成磁力副；凸轮体将缓冲簧压接在体腔的底壁上，缓冲簧套在右销上；支架的纵梁上装有调频块，纵梁上的导孔套在激励器的左销上，左销端部装有挡块；纵梁与挡块和凸轮体间分别压接有左簧和右簧，左右簧套在左销上；纵梁上下两侧与体腔内壁间为间隙配合，横梁不与体腔内壁接触；支架的安装面上装有压电振子，压电振子为由等厚的基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，基板靠近凸轮体安装；压电振子自由端装有顶块，顶块顶靠在凸轮面上；非工作时顶块与凸轮的斜面中点接触，压电振子安装产生的预弯变形量为其许用值的一半，压电振子许用变形量大于凸轮升程；左簧被压死时顶块与凸轮的顶面保持接触，右簧被压死时顶块与凸轮的底面保持接触。
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