CN102255557A - 一种旋转压电发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转压电发电装置，特别适合收集环境中变化的、随机的能量。利用无接触永磁力提高了压电双晶梁响应频率，基于双稳态势能原理提高了压电双晶梁的响应振幅，增加了输出功率。本发明装置主要组成：激励轮、调节轮、压电双晶梁等。环境机械能通过旋转轴传递给激励轮，激励轮利用永磁铁永磁力冲击压电悬臂梁，压电悬臂梁响应频率远大于激励轮频率。调整轮使压电悬臂梁处于双稳态势能状态下，能够提高悬臂梁响应振幅。本发明装置具有结构简单，能量转换效率高等优点，能够适用于复杂无规则的自然环境。

Description

一种旋转压电发电装置
技术领域
本发明是一种新型旋转压电发电装置，特别适合收集低频振动环境中变化的转动机械能，属于微能源技术领域。
背景技术
环境中的振动具有低频、随机变化的特点。目前，利用压电技术获取环境振动能的主要方法包括：共振调节式、联合式、增频式、非线性振动式。其中，增频式压电发电结构简单、效率较高，日益到关注。增频式压电发电的主要特点：利用机械碰撞或无接触冲击提高压电悬臂梁的响应频率，增加压电悬臂梁的输出功率。
Priya提出一种机械接触碰撞式旋转压电发电机(发明专利号：US2010/0052324A1)，能够收集变化的转动能，但机械接触方式存在机械能损失和降低使用寿命的缺点。Rastegar和Murry等提出二阶旋转压电发电机的概念(J.Rastegar and R.Murray.″Novel two-stage piezoelectric-based electrical energygenerators for low and variable speed rotary machinery″.Proc.SPIE 7288，72880B2009)，利用永磁力传递非接触冲击，提高了压电悬臂梁对低频激振的响应频率，但压电悬臂梁在受到非接触冲击力作用时，响应振幅不断衰减。
Cottone等研究了压电悬臂梁处于双稳态势能状态下的振动响应(F.cottone，H.Vocca and L.Gammaitoni.Nolinear Energy Harvesting.Physical Review Letters.2009)，研究结果证实了压电悬臂梁进入双稳态势能状态时，压电悬臂梁响应振幅增大，平均输出功率增加。
本专利基于双稳态势能原理，设计了一种带有轴向永磁力调节装置的新型旋转压电发电机。该发电机能够解决普通旋转压电发电机的压电悬臂梁振幅衰减的问题，能够增加压电悬臂梁的平均输出功率。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服普通旋转压电发电机的压电悬臂梁振幅衰减的缺点，发明一种全新的旋转压电发电装置，特别适合收集低频振动环境中变化的转动机械能。
本发明主要的特征如下：
该旋转压电发电装置，包括：旋转轴、调整轮、激振轮、压电双晶梁及底座、前端支架、后端支架、弹性挡圈、旋转轴、前端盖、后端盖、前端轴承和后端轴承等组成。
前端轴承置于前端支架孔内，前端盖通过前端盖螺钉固定到前端支架上，起到固定前端轴承作用。
后端轴承置于后端支架孔内，后端盖通过后端盖螺钉固定到后端支架上，起到固定后端轴承作用。
激振轮主要有轮毂和汝铁鹏永磁铁组成。轮毂开有键槽，轮毂周向均匀开15个凹槽，凹槽放置汝铁鹏永磁铁。利用普通平键连接旋转轴实现激励轮的周向定位。利用弹性挡圈实现激励轮的轴向定位。
调整轮利用前连接螺栓和前连接螺母固定在前端支架上，圆周均匀分布30个凹槽，凹槽内放置汝铁鹏永磁铁。
压电双晶梁利用螺栓螺母固定在底座上，圆周安装在底座四周。压电双晶悬臂梁主要组成包括：铜梁、压电陶瓷片、永磁铁支撑块、汝铁鹏永磁铁。压电双晶悬臂梁固定端开两圆孔，起到固定作用；压电陶瓷片利用导电胶粘着于铜梁两侧，极性相对；永磁铁支撑块和压电双晶梁用强力胶连接，汝铁鹏永磁铁也利用强力胶固定于永磁铁支撑块。
压电双晶梁底座与后端支架固定是利用后连接螺栓和后连接螺母完成。
利用套筒封闭旋转发电机，利用前套筒连接螺钉、后套筒连接螺钉分别固定前端支架和后端支架上。
本发明的基本原理是：利用无接触永磁力提高了压电双晶梁的响应频率，基于双稳态势能原理提高了压电双晶梁的响应振幅，增加了输出功率。
本发明装置具有结构简单，能量转换效率高等优点，能够适用于复杂无规则的自然环境。
附图说明
图1旋转压电发电三维视图。
图2旋转压电发电机爆炸视图。
图3前端支架示意图。
图4调整轮示意图。
图5激励轮示意图。
图6旋转轴示意图。
图7压电双晶梁示意图。
图8底座示意图。
图9后端支架示意图。
图10永磁铁方位及磁极方向示意图。
图11压电悬臂梁处理电路图。
图12旋转压电发电机应用示例I。
图13旋转压电发电机应用示例II。
图中：1前端板螺钉，2前端盖，3前端轴承，4前连接螺栓，5前套筒连接螺钉，6前端支架，7调整轮，8前连接螺母，9激励轮，10旋转轴，11普通平键，12弹性挡圈，13压电双晶梁，14螺栓、螺母，15后端连接螺母，16底座，17后端支架，18后套筒连接螺钉，19后连接螺栓，20后端轴承，21后端盖，22后端盖螺钉。
a铜梁，b压电陶瓷片，c永磁铁支撑块，d汝铁鹏永磁铁。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
旋转压电发电装置(附图1、附图2)的工作原理为：转动机械能通过旋转轴传递给激振轮，激振轮通过无接触永磁力冲击压电悬臂梁，让压电双晶梁产生高频振动产生电能。利用调整轮使压电悬臂梁处于双稳态能量状态，能够提高压电悬臂梁响应振幅和输出功率。
将激励轮9(附图5)装入旋转轴10(附图6)，利用普通平键11实现周向定位，利用弹性挡圈12实现轴向定位。利用螺栓4和螺母8将调整轮7(附图4)固定在前端支架上。把装配好的轴放入前端支架(附图3)，安装前端轴承3，利用前端盖和前端盖螺钉1实现轴的一端支撑与定位。利用螺栓、螺母14将压电双晶梁13(附图7)固定在压电双晶梁底座(附图8)上，用螺栓19和螺母15固定底座和后端支架(附图9)。将旋转轴已装配部分放入套筒23，后支座装配好的部件放入旋转轴。安装够后端轴承20，利用后端盖21和后端盖螺钉22实现轴承定位。利用螺钉5、18固定套筒与前后支架。
永磁铁方位及磁极方向(附图10)，压电双晶梁端13端部磁铁与调整轮7磁铁磁铁磁极相对，表现为斥力。调整轮7内部永磁铁与压电双晶梁端13端部磁铁磁极方位相同，也表现为斥力。压电双晶梁后处理电路(附图11)采用简单全桥整流电路，直接对负载供电。
当旋转轴10带动激励轮9转动时，压电悬臂梁13受到瞬时永磁力的冲击作用而发生高频冲击振动。调整轮7能够提高压电悬臂梁13的响应振幅，提高旋转压电发电机输出功率。
本发明适合收集环境机械能包括：波浪能、风能，它们具有相同的特点：变化、不稳定。利用波浪能得到往复直线形式机械能，利用齿轮齿条转化为旋转机械能，旋转压电发电机将旋转机械能转换为电能(附图12)。气流推动风轮转动，风轮带动旋转压电发电机发电(附图13)。

Claims (1)

1.一种旋转压电发电装置，其特征在于，该旋转压电发电装置，包括：旋转轴、调整轮、激振轮、压电双晶梁及底座、后端支架、前端支架、弹性挡圈、旋转轴、前端盖、后端盖、前端轴承和后端轴承；
前端轴承(3)置于前端支架(6)孔内，前端盖(2)通过前端盖螺钉(1)固定到前支架(6)上，固定轴承(3)；
后端轴承(20)置于后端支架(17)孔内，后端盖(21)通过后端盖螺钉(22)固定到后端支架(17)上，固定后端轴承(20)；
激振轮(9)主要有轮毂和汝铁鹏永磁铁组成；轮毂开有键槽，轮毂周向均匀开15个凹槽，凹槽放置汝铁鹏永磁铁；利用普通平键(11)连接旋转轴(10)实现激励轮(9)的周向定位；弹性挡圈(12)实现激励轮(9)的轴向定位；
调整轮(7)利用前连接螺栓(4)和前连接螺母(8)固定在前端支架(6)上，圆周均匀分布30个凹槽，凹槽内放置汝铁鹏永磁铁；
压电双晶梁梁(13)利用螺栓螺母(14)固定在压电双晶梁底座(16)上，圆周安装在底座(16)四周；压电双晶悬臂梁(13)包括：铜梁a、压电陶瓷片(b)、永磁铁支撑块(c)、汝铁鹏永磁铁(d)；压电双晶悬臂梁(13)固定端开两圆孔，起到固定作用；压电陶瓷片(b)利用导电胶粘着于铜梁两侧，极性相对；永磁铁支撑块(c)和压电双晶梁(13)用强力胶连接，汝铁鹏永磁铁(d)也利用强力胶固定于永磁铁支撑块(c)上；
底座(16)与后端支架(17)的固定利用后连接螺栓919和后连接螺母(15)完成；
利用套筒(23)封闭旋转发电机，利用前套筒连接螺钉(5)、后套筒连接螺钉(18)分别固定前端支架(6)和后端支架(17)上。
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