一种风致振动压电电磁复合发电装置的制作方法

本发明为一种风致振动压电-电磁复合发电装置，可有效采集风能并转化为电能，属于压电发电及再生环保新能源领域。

背景技术：

随着时代的进步，社会的发展，能量需求在与日俱增，寻求新能源以及利用再生能源是必不可少的。风能作为环境中的可再生能源，储量丰富，通过能量转换装置可将其转换成电能，这种无污染的可再生能源在造福人类方面已经成为全社会的共识。同时随着无线传感器的深入研究和广泛应用，如何为无线传感器实现持续供电已成为无线传感器领域的热点问题。

本发明之前已有很多发电装置的动力源采用风能、水能、太阳能等可再生能源，利用压电材料的正压电效应将振动的机械能转化为电能。但是目前的风力压电发电装置多采用悬臂梁结构，受风速影响大，发电量小，发电形式单一，能量转换效率低，能量转换效果差。

(1)公开号为cn104426423a，标题为“一种能量收集装置及收集方法”的发明公开了一种利用风能的压电能量收集方法及装置，它利用风能驱动轴旋转，轴上的凸起结构周期性的击打悬臂梁，从而导致悬臂梁周期性的振动，使得悬臂梁上的压电片变形产生电能。但该发明在低风速的环境中，击打作用不足以使悬臂梁产生足够振动，压电片无法产生更多的能量。

(2)公开号为cn103812383a，标题为“一种风致振动压电能量收集装置”的发明公开了一种利用风力压电发电的装置。该发明通过转动风扇的扇叶拨动与扇叶有一定重叠量的三角形压电悬臂梁，使得悬臂梁产生振动，压电片发生变形输出电能。该发明结构简单，成本低。但是低风速时，悬臂梁不易发生振动，高风速时悬臂梁受击打会发生强烈碰撞，容易导致压电片脱落，降低发电装置寿命。

(3)公开号为cn107605663a，标题为“一种宽频带风致振动压电发电装置”的发明公开了一种利用风力压电发电的装置。该发明通过风轮带动曲柄滑块装置往复直线运动，滑块上和悬臂梁末端附有异性磁铁，通过往复排斥磁力使悬臂梁发生振动，压电片变形输出电能。该发明采用传统悬臂梁振动发电，发电形式单一，带传动易发生打滑，且带传动安装需要预紧力，发电过程中能量损耗大。

(4)公开号为cn108390588a，标题为“一种基于压电和电磁发电技术的风力发电装置”的发明专利公开了一种利用风力压电发电的装置。该发明通过风能流过空腔内的非流线型绕流体，产生不稳定气流，从而产生周期性脉动的涡激力，激励金属基板发生振动，压电片变形同时感应线圈切割磁感线输出电能。由于周期脉动涡激力的形成受风速的影响较大，故该发明不易发生周期性振动，发电效果受风速限制。

本申请与发明专利公开号为cn104426423a、公开号为cn103812383a的本质区别是：1.本发明的激励部分不与悬臂结构发生接触，而是通过交变磁力激励悬臂结构发生振动，受风速影响小。2.本发明采用链传动方式通过大小链轮配合加快曲轴转速，以此增加永磁铁的往复直线运动速度，提高交变磁力激励频率，以此提高风能采集效率。3.本发明的激励永磁铁将在风能的带动下，往复穿过电磁线圈切割磁感线，实现电磁感应发电。

本申请与发明专利公开号为cn104426423a、公开号为cn103812383a、公开号为cn107605663a、公开号为cn108390588a的本质区别是：本发明采用变截面柔性压电材料悬臂杆作为悬臂构件，在激励永磁铁往复直线运动所产生的空间交变磁力的作用下，柔性结构悬臂杆在空间内发生大幅度振动，柔性压电材料将产生大幅度变形，产生电能。同时，激励永磁铁将往复穿过电磁线圈切割磁感线，产生电磁感应现象实现压电-电磁复合发电。

本发明克服以上缺点，致力于提出一种基于柔性压电材料，且受风速影响小，振动特性好且能在空间发生大幅度振动，具有转速加速功能且发电量大、发电模式多样化、使用寿命长的风致振动压电电磁复合发电装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种受风速影响小，采用柔性结构发电材料，能在空间发生大幅度振动，发电量大且发电模式多样化，能量转换效率高且使用寿命长的风致振动压电电磁复合发电装置。

本发明的核心技术特点为：风轮采集到风能然后将其转换为旋转机械能，通过链传动大小链轮配合将旋转运动进行加速，并且将旋转运动传递到曲轴上，曲轴上有四段偏心段，在曲轴每段偏心部分上安装连杆滑块机构，连杆滑块机构按相邻偏心段分别安装在上下偏心位置，此种布置方式能保证在曲轴旋转时，相邻偏心段连杆滑块机构呈180°相位差做往复直线运动。在相邻偏心段中间分别安装柔性压电材料悬臂杆。激励永磁铁安装在连杆滑块机构末端，受激永磁铁安装在悬臂杆自由端，在激励永磁铁往复直线运动轨迹上布置固定的电磁感应线圈。在激励永磁铁的交变磁力下，悬臂杆将发生空间振动变形，产生压电效应，输出电能。激励永磁铁往复通过电磁感应线圈内部，产生电磁感应，输出电能。

本发明采用的技术方案是一种风致振动压电电磁复合发电装置，包括底座(1)，底座(1)上通过支撑片(2)固定有曲轴支座(17)和滑轨支架(3)，曲轴支座(17)上安装有滚动轴承(14)和曲轴(13)，曲轴(13)上有四段偏心段，曲轴(13)中部通过轴套安装有小链轮(19)。滑轨支架(3)上安装有大链轮支架(10)，大链轮支架(10)上安装有输入转轴(9)和滚动轴承(7)。输入转轴(9)中部安装有大链轮(6)，输入转轴(9)两侧分别对称安装有两个风轮(5)。大链轮(6)和小链轮(19)通过链条(8)配合安装。曲轴(13)上每段偏心段分别安装有连杆滑块机构，连杆滑块机构由滑块(11)和连杆(12)组成。连杆滑块机构分别安装在曲轴(13)上相邻偏心段的上下偏心位置。在滑轨连杆机构末端粘接有激励永磁铁(18)。在激励永磁铁(18)直线往复运动路径上，通过线圈支架(21)固定安装一对电磁线圈(16)。在滑轨支架(3)上固定安装变截面柔性压电材料悬臂杆(4)，悬臂杆(4)布置在曲轴(13)的相邻偏心段中间，悬臂杆(4)末端粘接有受激永磁铁(15)。

一种风致振动压电电磁复合发电装置包括运动输入加速模块，运动输出转换模块和能量采集模块组成，各模块的组成构件和功能如下：

运动输入加速模块的组成构件和功能包括：通过风轮(5)采集风能，并将采集到的风能传递到输入转轴(9)，输入转轴(9)通过键连接带动大链轮(6)转动，大链轮(9)通过链条(8)带动小链轮(19)实现加速转动，小链轮(19)通过键连接带动曲轴(13)转动，以上所述各构件组成运动输入加速模块。

运动输出转换模块组成构件和功能包括：曲轴(13)带动连杆滑块机构实现滑块(11)和连杆(12)的往复直线运动。以上所述各构件组成运动输出转换模块。

能量采集模块的组成构件和功能包括：激励永磁铁(18)随连杆滑块机构做直线往复运动，悬臂杆(4)自由端的受激永磁铁(15)受激励永磁铁(18)的作用实现振动，同时激励永磁铁(18)做直线运动时，往复穿过电磁感应线圈(16)的内部。以上所述各构件组成能量采集模块。

运动输入加速模块的装配及安装关系如下：

风轮(5)对称安装在输入转轴(9)的两端，并且利用键连接固定于输入转轴(9)上，输入转轴(9)通过滚动轴承(7)装配定位于大链轮支架(10)的通孔中。大链轮支架(10)通过定位块固定安装在滑轨支架(3)上。滑轨支架(3)通过定位块固定安装在底座(1)上，两个曲轴支座(17)通过定位块对称安装在底座(1)上，曲轴(13)通过滚动轴承(14)装配定位于曲轴支座(17)的通孔中。小链轮(19)通过键连接固定在曲轴(13)的中间位置，大链轮(6)和小链轮(19)通过链条(8)配合安装，组成链传动装配关系。

运动输出转换模块的装配及安装关系如下：

连杆(12)与滑块(11)通过销钉(20)连接配合安装组成连杆滑块机构，曲轴(13)偏心段与连杆滑块机构的连杆(12)端的通孔通过销连接配合安装。

能量采集模块的装配及安装关系如下：

激励永磁铁(18)粘接在连杆滑块机构的末端，受激永磁铁(15)粘接在悬臂杆(4)自由端，变截面柔性压电材料悬臂杆(4)通过顶丝固定安装在滑轨支架(3)的通孔内。在激励永磁铁(18)的正下方固定安装电磁感应线圈(16)。

能量收集模块的具体功能包括：连杆滑块机构末端的激励永磁铁(18)随曲轴(13)做直线往复运动，悬臂杆(4)自由端的受激永磁铁(15)在直线往复运动中受交变磁力的作用实现振动，悬臂杆(4)上的压电材料发生变形，产生电能。连杆滑块机构末端的激励永磁铁(18)做直线运动时往复穿过电磁感应线圈(16)内部，发生电磁感应现象，产生电能。

工作过程为：风轮(5)在风力的作用下带动输入转轴(9)转动，通过链传动大小链轮配合将旋转运动进行加速，并且将旋转运动传递到曲轴(13)上，曲轴(13)上有四段偏心段，在曲轴(13)每段偏心部分上安装连杆滑块机构，连杆滑块机构分别安装在曲轴(13)上相邻偏心段的上下偏心位置，实现相邻偏心段的连杆滑块机构呈180°相位差做往复直线运动。在相邻偏心段中间分别安装柔性压电材料悬臂杆(4)。激励永磁铁(18)安装在连杆滑块机构末端，受激永磁铁(15)安装在悬臂杆(4)自由端，在激励永磁铁(18)往复直线运动轨迹上布置固定的电磁感应线圈(16)。在激励永磁铁(18)的交变磁力下，悬臂杆(4)将发生空间振动变形，输出电能。激励永磁铁(18)往复通过电磁感应线圈内部，产生电磁感应，输出电能。

风轮(5)对称布置在输入转轴(9)两端的轴头上，风轮(5)的叶片数为三个且两个风轮的叶片方向一致。

在两两相邻的曲轴(13)偏心段的中间位置插空放置变截面柔性压电材料悬臂杆(4)，并且分别布置在曲轴(13)两侧，一共布置六根悬臂杆(4)。悬臂杆(4)的材料为介电弹性体。

为保证悬臂杆(4)两侧的激励永磁铁(18)做相位差为180°的往复直线运动，需在曲轴(13)上每两两相邻偏心段的上下偏心处安装连杆滑块机构。

为提高悬臂杆(4)的空间振动幅度，即提高发电效果，应保证每一根压电悬臂杆(4)末端的受激永磁铁(15)在一侧受吸引力，另一侧受排斥力，即应该保证相邻滑轨连杆机构末端的激励永磁体(18)极性相反，且磁化方向沿水平方向。

滑轨支架上(3)的往复运动导轨为圆柱面导轨。

滑轨支架(3)上的激励永磁铁(18)和悬臂杆(4)自由端的受激永磁铁(15)的材料均为钕铁硼。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明利用链传动对较低风速下引起的旋转运动加速输出，传动效率高，能在低速重载和高温条件及露天等不良环境中工作。

2、本发明利用一种变截面柔性压电材料的压电悬臂杆，变截面柔性压电材料悬臂杆在交变磁力的作用下，可以在三维空间各个方向大幅度振动，从而提高发电效果。

3、本发明在曲轴上两两相邻的上下偏置段安装滑轨连杆机构，实现曲轴上两两相邻曲轴段的两个滑轨连杆机构实现180°相位差的往复直线运动。并且保证悬臂杆一侧受吸引磁力，一侧受排斥磁力。从而最大化交变磁力的作用下效果，提高悬臂杆的振幅，提高发电效果。

4、本发明利用电磁感应现象，将电磁感应线圈布置在滑轨连杆的往复直线运动的路径上，在滑轨连杆末端粘接激励永磁铁，从而保证激励永磁铁在直线运动时往复通过感应线圈内部，产生电磁感应现象，从而实现压电电磁复合发电，提高发电效果。

附图说明

图1是本发明一种压电电磁复合发电装置的立体结构示意图；

图2是本发明一种压电电磁复合发电装置中运动转换模块的立体结构示意图；

图3是本发明一种压电电磁复合发电装置中曲轴和滑轨连杆机构的安装示意图；

图4是本发明一种压电电磁复合发电装置中曲轴立体结构示意图；

图5是本发明一种压电电磁复合发电装置中滑轨连杆机构立体结构示意图；

图中，1为底座，2为支撑片，3为滑轨支架。4为变截面柔性压电材料悬臂杆，5为风轮，6为大链轮，7为滚动轴承，8为链条，9为输入转轴，10为风轮支座，11为滑块，12为连杆，13为曲轴，14为滚动轴承，15为受激永磁铁，16为电磁感应线圈，17为曲轴支座，18为激励永磁铁，19为小链轮，20为销钉，21为电磁感应线圈支架。

具体实施方式

为了充分理解本发明的有益效果，下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细地描述，该实施仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1至图5所示，一种风致振动压电电磁复合发电装置，所述底座(1)通过支撑片(2)与滑轨支架(3)连接；所述风轮支座(12)安装在滑轨支架(3)上方，所述曲轴支座(17)安装在底座(1)上；所述输入转轴(9)通过滚动轴承(7)配合安装在风轮支座(10)上。风轮(5)安装在输入转轴(9)两端；所述大链轮(6)通过平键连接安装在输入转轴(9)中部；所述曲轴(13)通过滚动轴承(14)配合安装曲轴支座(17)上。所述滑轨连杆机构分别安装在曲轴(13)上，与曲轴(13)上的偏心段铰接配合，并且滑轨连杆机构的半圆柱滑动面与滑轨支架(3)内部的导轨接触配合。所述滑轨连杆机构的连杆(12)末端粘接激励永磁铁(18)，并且电磁感应线圈支架(21)安装在激励永磁铁(18)的正下方，电磁感应线圈(21)固定安装在电磁感应线圈支架(21)顶端。所述小链轮(19)通过轴套安装在曲轴(13)中部，并且通过链条(8)，与大链轮(6)配合安装，组成链传动。所述变截面柔性材料悬臂杆(4)一端固定安装在滑轨支架(3)的通孔内，另一端粘接有受激永磁铁(15)，并保证悬臂杆(4)自由端的受激永磁铁(15)处于两块相邻激励永磁铁(18)的中间位置。通过导线将变截面柔性压电材料悬臂杆(4)振动时和电磁感应线圈(16)发生电磁感应时产生的电能，输送至能量储存装置。

本实例所述风轮对称布置在输入转轴两端的轴头上，风轮的叶片数为3个且两个风轮的叶片方向一致。

本实例所述链传动的链条和链轮的材料均为钢材。

本实例所述的曲轴有四段偏心段，每段曲轴偏心段按两两相邻关系，上下排列。连杆滑块机构分别安装在曲轴上的每段偏心段处。当风驱动风轮时，安装在曲轴上的相邻段连杆滑块机构按180°相位差做往复交替直线运动。

本实例所述的连杆滑块机构由半圆形截面条状滑块和连杆组成，连杆安装在曲轴偏心段，滑块的半圆柱面与支架上的半圆柱面导轨相接触，滑块与连杆通过销连接组成滑块导轨机构。

本实例所述的悬臂杆为变截面柔性压电材料悬臂杆，其材料为介电弹性体。

本实例所述悬臂杆自由端的受激永磁铁的左右两侧极性不同，连杆末端的激励永磁体左右两侧极性不同，所有永磁铁的极化方向均为水平方向，需保证受激永磁铁受左右两侧激励永磁铁的不同极性磁力作用。

本实例所述的悬臂杆自由端的受激永磁铁和连杆滑块机构末端的激励永磁铁的材料均为汝铁硼。

本实例所述的电磁感应线圈固定放置在连杆滑块机构末端的激励永磁铁的直线运动轨迹上，且激励永磁铁能往返通过电磁感应线圈内部。

本实施例中，风轮(5)在风力的作用下带动输入转轴(9)转动，通过链传动大小链轮配合将旋转运动进行加速，并且将旋转运动传递到曲轴(13)上，曲轴(13)上有四段偏心段，在曲轴(13)每段偏心部分上安装连杆滑块机构，连杆滑块机构分别安装在曲轴(13)上相邻偏心段的上下偏心位置，实现相邻偏心段的连杆滑块机构呈180°相位差做往复直线运动。在相邻偏心段中间分别安装柔性压电材料悬臂杆(4)。激励永磁铁(18)安装在连杆滑块机构末端，受激永磁铁(15)安装在悬臂杆(4)自由端，在激励永磁铁(18)往复直线运动轨迹上布置固定的电磁感应线圈(16)。在激励永磁铁(18)的交变磁力下，悬臂杆(4)将发生空间振动变形，输出电能。激励永磁铁(18)往复通过电磁感应线圈内部，产生电磁感应，输出电能。

综上所述，本发明一种风致振动压电电磁复合发电装置与传统的风致振动发电装置对比，能够利用低风速环境中的低频振动，变截面悬臂杆结构能扩宽振动频带宽，柔性材料变截面杆能增大振动变形程度，并且采用压电电磁复合的发电方式，其风能采集效率和发电量都具有明显提高，且能够适应恶劣环境下的工作方式，维护简单使用寿命长。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护范畴。