一种可自动变桨的风机模型

摘要

本发明所述的一种可自动变桨的风机模型，支撑板上固定设置有风速仪，支座底部固定安装有PLC控制器和灯泡，电机通过导线与灯泡电连接，轮毂表面均匀分布有若干叶片，叶片后缘通过合页与轮毂固定连接，叶片内侧固定设置有行程开关A和电磁铁A，行程开关A与电磁铁A为电连接，在轮毂表面上且在叶片位置下方固定安装有滑轨，滑轨上设置有可延该滑轨滑动的移动凸轮和凸轮移动装置，凸轮移动装置可带动移动凸轮行走，移动凸轮顶部与行程开关A、电磁铁A接触，风速仪、步进电机、行程开关A均受控于PLC控制器；此装置结构简单、操作简便，在删繁就简的基础上，能够清楚直观的展示风机变桨的工作原理，起到了很好的教学实验效果。

权利要求

1.一种可自动变桨的风机模型，包括支座(25)，其特征在于：所述支座(25)顶部固定安装有支撑板(23)，所述支撑板(23)上固定设置有齿轮箱(15)、电机(17)、风速仪(22)，所述齿轮箱(15)与所述电机(17)之间通过动力输出轴(19)固定连接，所述齿轮箱(15)与轮毂(2)圆心之间通过动力输入轴(18)固定连接，所述支座(25)底部固定安装有PLC控制器(24)和灯泡(21)，所述灯泡(21)通过导线(20)与所述电机(17)电连接；所述轮毂(2)表面均匀分布有若干叶片(1)，所述叶片(1)后缘通过合页(7)与所述轮毂(2)固定连接，所述叶片(1)内侧固定设置有行程开关A(6)和电磁铁A(5)，所述行程开关A(6)与所述电磁铁A(5)为一体并电连接，所述轮毂(2)表面固定安装有滑轨(4)，所述滑轨(4)上滑动设置有移动凸轮(8)和凸轮移动装置(26)，所述凸轮移动装置(26)可带动所述移动凸轮(8)行走，所述移动凸轮(8)顶部与所述行程开关A(6)和电磁铁A(5)接触；所述风速仪(22)、凸轮移动装置(26)、行程开关A(6)均受控于所述PLC控制器(24)；所述凸轮移动装置(26)包括移动齿条(11)、齿轮(10)、步进电机(3)，所述移动齿条(11)与所述移动凸轮(8)的一端固定连接，所述步进电机(3)固定安装在所述轮毂(2)表面，该步进电机(3)的转动轴上固定设置有所述齿轮(10)，该齿轮(10)与所述移动齿条(11)相啮合，所述移动凸轮(8)与所述移动齿条(11)嵌于所述滑轨(4)内，所述步进电机(3)受控于所述PLC控制器(24)；所述移动凸轮(8)与所述移动齿条(11)之间固定设置有行程开关B(9)，所述移动凸轮(8)底部固定设置有电磁铁B(13)，该电磁铁B(13)与所述行程开关B(9)为电连接，所述行程开关B(9)受控于所述PLC控制器(24)；

所述叶片(1)前缘固定连接有棘爪(26)，该棘爪(26)通过弹簧(27)与所述轮毂(2)连接，所述滑轨(4)设置于所述弹簧(27)、合页(7)与所述轮毂(2)连接点之间；

所述叶片(1)的倾斜角度会随着移动凸轮(8)的形状变化而逐渐变化。

2.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述轮毂(2)表面设有强磁铁(12)，该强磁铁(12)位于所述叶片(1)下方。

3.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述动力输出轴(19)由连接轴A(19‑1)通过联轴器A(16)与连接轴B(19‑2)固定组合而成，所述动力输入轴(18)由连接轴C(18‑1)通过联轴器B(14)与连接轴D(18‑2)固定组合而成。

4.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述滑轨(4)长度小于所述轮毂(2)的半径。

5.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述移动凸轮(8)、滑轨(4)、叶片(1)均为磁性材料。

6.根据权利要求1所述的一种可自动变桨的风机模型，其特征在于：所述叶片(1)至少有两个。

说明书

一种可自动变桨的风机模型

技术领域

[0001] 本发明涉及用于展示风力发电机的教学模型领域，具体是一种可自动变桨的风机模型。

背景技术

[0002] 风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备，风力发电机一般有风轮、发电机、调向器（尾翼）、塔架和限速安全机构和储能装置
等构件组成，风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转
变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电，广义地说，风能也是太阳能，所
以也可以说风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机。

[0003] 目前市场上的风力发电机，能够有效的将风能转化为日常使用的电能，具有节能环保的意义，在使用过程中，当风力过大时，容易使其转速过快，最后导致电机烧毁，而变桨
控制可使风机在低风速时即可获得电能，在风速大于额定风速时截获到固定大小的风能，
有效的减少了风力发电机的过程隐患。

[0004] 由于缺乏风机变桨直观的教学仪器装置，在科普教育及教学中很难让人理解其工作原理和流程，随着科学技术的发展和人们对教学要求的提高，为了能够更好的在教学中
进行演示，提高教学效果，人们需要一种模型仪器来直观的演示风机变桨并与教材知识紧
密的结合，来取得良好的教学效果，模型需能够在反应主要结构及流程的基础上删繁就简，
让观看者清晰直观的了解风机变桨的工作原理及其主要结构，是风机模型制作现在所要解
决的问题。

发明内容

[0005] 针对以上技术问题，本发明所要达到的技术效果是提供具有结构简单、操作简便、具有较好展示效果的可自动变桨的风机模型。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明所提供的一种可自动变桨的风机模型，包括支座，所述支座顶部固定安装有支撑板，所述支撑板上固定设置有齿轮箱、电机、风速仪，所述齿轮
箱与所述电机之间通过动力输出轴固定连接，所述齿轮箱与轮毂圆心之间通过动力输入轴
固定连接，所述支座底部固定安装有PLC控制器和灯泡，所述灯泡通过导线与所述电机电连
接；所述轮毂表面均匀分布有若干叶片，所述叶片后缘通过合页与所述轮毂固定连接，所述
叶片内侧固定设置有行程开关A和电磁铁A，所述行程开关A与所述电磁铁A为一体并电连
接，所述轮毂表面固定安装有滑轨，所述滑轨上滑动设置有移动凸轮和凸轮移动装置，所述
凸轮移动装置可带动所述移动凸轮行走，所述移动凸轮顶部与所述所述行程开关A和电磁
铁A接触；所述风速仪、凸轮移动装置、行程开关A均受控于所述PLC控制器。

[0007] 进一步，所述凸轮移动装置包括移动齿条、齿轮、步进电机，所述移动齿条与所述移动凸轮的一端固定连接，所述步进电机固定安装在所述轮毂表面，该步进电机的转动轴
上固定设置有所述齿轮，该齿轮与所述移动齿条相啮合，所述移动凸轮与所述移动齿条嵌
于所述滑轨内，所述步进电机受控于所述PLC控制器。

[0008] 进一步，所述移动凸轮与所述移动齿条之间固定设置有行程开关B，所述移动凸轮底部固定设置有电磁铁B，该电磁铁B与所述行程开关B为电连接，所述行程开关B受控于所
述PLC控制器。

[0009] 进一步，所述滑轨设置于所述弹簧、合页与所述轮毂连接点之间。

[0010] 进一步，所述滑轨靠近所述轮毂边缘的一端固定设有强磁铁。

[0011] 进一步，所述轮毂表面设有强磁铁，该强磁铁位于所述叶片下方。

[0012] 进一步，所述动力输出轴由连接轴A通过联轴器A与连接轴B固定组合而成，所述动力输入轴由连接轴C通过联轴器B与连接轴D固定组合而成。

[0013] 进一步，所述滑轨长度小于所述轮毂的半径。

[0014] 进一步，所述移动凸轮、滑轨、叶片均为磁性材料。

[0015] 进一步，所述叶片至少有两个。

[0016] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0017] 1、本发明中设置有凸轮移动装置，同时结合步进电机，通过PLC控制器的信号控制，移动凸轮可自动向前行进或后退，移动凸轮的行进可使叶片呈不同角度的变化，以此来
达到风机模型在叶片转动过程中叶片自动变桨的过程展示。

[0018] 2、本发明中设置有风速仪，且该风速仪与PLC控制器连接，通过风速仪对外界风速的实时监测，当风速达到设定值时，将信号值反馈给PLC控制器，PLC控制器可控制步进电机
工作，以此来带动移动凸轮行走，使叶片进行角度变化，即实现了风机模型可根据外界风力
的大小进行变桨过程展示。

[0019] 3、本发明通过导线将电机与灯泡电连接，可通过灯泡明暗程度，更加直观的观察风电叶片功率测试实验。

[0020] 4、本发明中设置有行程开关A和电磁铁A，当行程开关A启动后，电磁铁A可吸住移动凸轮，使叶片呈现一定角度时不会晃动，保证了风机模型在实验过程中叶片角度的稳定
性。

[0021] 5、本发明中设置有行程开关B和电磁铁B，当移动凸轮向轮毂圆心处行进时，齿轮触碰行程开关B启动，电磁铁B将移动凸轮紧紧吸附于滑轨内，更进一步的保证了移动凸轮
在轮毂转动时的稳定性。

[0022] 6、本发明中在轮毂上设置有强磁铁，当外界风速减小，叶片变桨，角度无变化时，此强磁铁可将叶片吸附于轮毂表面，以避免轮毂在转动过程时叶片出现乱摆的情况，提高
了风机模型在实验过程中的安全性。

[0023] 7、本发明中，棘爪与轮毂上的弹簧固定连接，由于移动凸轮将叶片顶起或放下，弹簧产生一定的拉力，此拉力可避免了叶片在转动过程中，出现叶片乱摆的问题，提高了装置
的展示效果。

[0024] 8、本发明在动力输入轴和动力输出轴上均设置有联轴器，通过鼓风机模拟外界风力吹动叶片转动时，可有效保护动力输入轴和动力输出轴在转动过程中承受过大的载荷，
起到过载保护的作用。

附图说明

[0025] 图1为本发明的主视图；

[0026] 图2为图1的左视图；

[0027] 图3为本发明叶片与滑轨的位置结构示意图；

[0028] 图4为本发明移动凸轮与移动齿条的侧视结构示意图。

[0029] 图中：1、叶片，2、轮毂，3、步进电机，4、滑轨，5、电磁铁A，6、行程开关A，7、合页，8、移动凸轮，9、行程开关B，10、齿轮，11、移动齿条，12、强磁铁，13、电磁铁B，14、联轴器B，15、
齿轮箱，16、联轴器A，17、电机，18、动力输入轴，18‑1、连接轴C，18‑2、连接轴D，19、动力输出
轴，19‑1、连接轴A，19‑2、连接轴B，20、导线，21、灯泡，22、风速仪，23、支撑板，24、PLC控制
器，25、支座，26、凸轮移动装置，27、棘爪，28、弹簧。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图说明对本发明做进一步说明。

[0031] 如图1、2、3、4所示的一种可自动变桨的风机模型，包括支座25，支座25顶部固定安装有支撑板23，支撑板23上固定设置有齿轮箱15、电机17、风速仪22，齿轮箱15与电机17之
间通过动力输出轴19固定连接，齿轮箱15与轮毂2圆心之间通过动力输入轴18固定连接，支
座25底部固定安装有PLC控制器24和灯泡21，灯泡21通过导线20与电机17电连接，轮毂2表
面均匀分布有若干叶片1，叶片1后缘通过合页7与轮毂2固定连接，叶片1内侧固定设置有行
程开关A6和电磁铁A5，行程开关A6与电磁铁A5为一体并电连接，轮毂2表面固定安装有滑轨
4，滑轨4上滑动设置有移动凸轮8和凸轮移动装置26，凸轮移动装置26可带动移动凸轮8行
走，移动凸轮8顶部与行程开关A6和电磁铁A5接触，风速仪22、凸轮移动装置26、行程开关A6
均受控于所述PLC控制器24；凸轮移动装置26包括移动齿条11、齿轮10、步进电机3，移动齿
条11与移动凸轮8的一端固定连接，步进电机3固定安装在轮毂2表面，该步进电机3的转动
轴上固定设置有齿轮10，齿轮10与移动齿条11相啮合，移动凸轮8与移动齿条11嵌于滑轨4
内，步进电机3受控于所述PLC控制器24；移动凸轮8与移动齿条11之间固定设置有行程开关
B9，移动凸轮8底部固定设置有电磁铁B13，该电磁铁B13与行程开关B9为电连接，行程开关
B9受控于PLC控制器24；滑轨4设置于弹簧、合页与轮毂2连接点之间；轮毂2表面设有强磁铁
12，该强磁铁12位于叶片1下方；叶片1前缘固定连接有棘爪26，该棘爪26通过弹簧27与轮毂
2连接；动力输出轴19由连接轴A19‑1通过联轴器A16与连接轴B19‑2固定组合而成，动力输
入轴18由连接轴C18‑1通过联轴器B14与连接轴D18‑2固定组合而成；滑轨4长度小于轮毂2
的半径；移动凸轮8、滑轨4、叶片1均为磁性材料；叶片1至少有两个。

[0032] 本发明的工作过程为：在装置使用前，确保装置完好，同时确保PLC控制器24分别与步进电机3（42BYGH34）、风速仪22（AZ8908）、行程开关A6（德力西JLXK1‑511）、行程开关B9
（德力西JLXK1‑511）双向信号连接，确保行程开关A6（德力西JLXK1‑511）、行程开关B9（德力
西JLXK1‑511）、步进电机3（42BYGH34）、风速仪22（AZ8908）、PLC控制器24均与电源连接，行
程开关A6（德力西JLXK1‑511）与电磁铁A5（伊莱科ELE‑P100/40 24V）电连接，行程开关B9
（德力西JLXK1‑511）与电磁铁B13（伊莱科ELE‑P100/40 24V）电连接，行程开关A6（德力西
JLXK1‑511）的开启和关闭与电磁铁A5（伊莱科ELE‑P100/40 24V）的有磁性和无磁性相对
应，行程开关B9（德力西JLXK1‑511）的开启和关闭与电磁铁B13（伊莱科ELE‑P100/40 24V）
的有磁性和无磁性相对应，在PLC控制器24上设定风速值V，设定步进电机3（42BYGH34）正转
方向为移动齿条11向轮毂2边缘移动的方向，步进电机3（42BYGH34）反转方向为移动齿条11
向轮毂2圆心移动的方向；开启外置鼓风机，鼓风机模拟外界风力吹动叶片1及轮毂2转动，
同时风速仪22（AZ8908）实时监测吹向叶片1的风速，当外界风速逐渐达到V时，风速仪22
（AZ8908）将信号传输至PLC控制器24，PLC控制器24控制步进电机3（42BYGH34）正转，步进电
机3（42BYGH34）转动带动了齿轮10转动，齿轮10与移动齿条11相啮合，移动齿条11会在齿轮
10正转的情况下沿滑轨4向轮毂2边缘移动，移动凸轮8随移动齿条11沿滑轨4同向移动，当
移动凸轮8向轮毂2边缘移动过程中，移动凸轮8边缘最低端处顶起叶片1，叶片1相对于轮毂
2会有一定的倾斜角度，随着移动凸轮8向轮毂2边缘处的移动，叶片1的倾斜角度会随着移
动凸轮8的型状变化而逐渐变化，当移动凸轮8顶端触碰到叶片1内侧的行程开关A6（德力西
JLXK1‑511）时，行程开关A6（德力西JLXK1‑511）开启，从而电磁铁A5（伊莱科ELE‑P100/40 
24V）带有磁性，电磁铁A5（伊莱科ELE‑P100/40 24V）会将金属材质的移动凸轮8顶端紧紧吸
住，行程开关A6（德力西JLXK1‑511）开启的同时会传输信号至PLC控制器24，PLC控制器24会
控制步进电机3（42BYGH34）停止正转，使叶片1一直呈现稳定的角度，保持风机模型发电稳
定；当外界风速小于V时，风速仪22（AZ8908）将信号传输至PLC控制器24，PLC控制器24会关
闭行程开关A6（德力西JLXK1‑511），使电磁铁A5（伊莱科ELE‑P100/40 24V）无磁性，电磁铁
A5（伊莱科ELE‑P100/40 24V）不在吸住叶片，同时PLC控制器24启动步进电机3（42BYGH34）
反转，步进电机3（42BYGH34）转动带动了齿轮10转动，移动齿条11会在齿轮10反转的情况下
沿滑轨4向轮毂2圆心处移动，移动凸轮8随移动齿条11沿滑轨4同向移动，在移动凸轮8向轮
毂2圆心处移动过程中，移动凸轮8会从顶端向低端处逐渐远离叶片，叶片1相对轮毂2的倾
斜角度逐渐变小，直至移动凸轮8最低端边缘处离开叶片，同时在弹簧28的拉力作用下，叶
片1贴近轮毂2表面，同时轮毂2表面的强磁铁12将金属材质的叶片1吸附住，避免叶片1在轮
毂2转动过程中出现乱摆的情况，提高了风机模型实验的安全性，随着移动齿条11向轮毂2
圆心处移动，齿轮10也逐渐向移动齿条11与移动凸轮8的中间靠近，当移动凸轮8完全移出
叶片1位置下方时，齿轮10将触碰到移动齿条11与移动凸轮8中间的行程开关B9（德力西
JLXK1‑511），行程开关B9（德力西JLXK1‑511）开启，使电磁铁B13（伊莱科ELE‑P100/40 24V）
有磁性，电磁铁B13（伊莱科ELE‑P100/40 24V）将移动凸轮8紧紧吸附于滑轨4内侧，在移动
凸轮8嵌于滑轨4内侧的同时，更进一步的确保移动凸轮8在轮毂0转动时的稳定性，提高了
实验装置的安全性；外置鼓风机模拟外界风力吹动叶片1及轮毂2转动，从而带动动力输入
轴18转动，动力输入轴18通过齿轮箱15（PLS36行星增速器PLS‑LLL）又带动了动力输出轴19
转动，从而带动电机17（佳宝丽XD_mnv6w_78y61rqb风力发电机）发电，电机17（佳宝丽XD_
mnv6w_78y61rqb风力发电机）通过导线20与灯泡21（12V的3W的LED灯）电连接，灯泡21根据
叶片由慢至快的转动，其亮度也是由暗变亮，当叶片1角度调整至不同程度时，通过观察灯
泡21的明暗程度，直观的了解叶片风机变桨模型教学中功率测试实验；此装置结构简单、操
作简便，在删繁就简的基础上，能够清楚直观的展示风机变桨的工作原理，起到了很好的教
学展示效果。