CN102790550B - 与螺旋桨主轴随动的发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种与螺旋桨主轴随动的发电装置，属于螺旋桨监测及压电发电领域。轴承座上嵌有定磁铁一和轴承；螺旋桨主轴通过轴承安装在轴承座上，主轴的花键上依次安装限位环一、压电换能器和限位环二；磁铁架固定在轴承座侧壁上，其底端内侧嵌有定磁铁二，且所述两相邻定磁铁二的磁极方向相反；所述定磁铁一与定磁铁二的数量相等、且其同性磁极相对安装。优点是通过限位环凸曲面与磁力耦合作用迫使旋转的压电换能器沿轴向弯曲变形，变形量及发电量不受转动状态影响，匀速及高速时均可发电；压电换能器弯曲变形时各点应力相等，故发电量及可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于螺旋桨健康监测及压电发电技术领域，具体涉及一种与螺旋桨主轴随动的发电装置，以便为螺旋桨健康监测系统提供实时的电力供应。
背景技术
螺旋桨是飞机及轮船动力系统的核心部件，螺旋桨叶片、轴及轴承等的过度磨损或损毁都直接影响到飞机与轮船的安全行驶，严重时将造成毁灭性的空难或海难。以往，螺旋桨叶片、轴及轴承等关键运转部件的健康状况是以定期维护、检修加以保障的，不仅周期长、费用高，同时也影响了飞机与轮船的正常运行。因此，国内外目前均已提出进行螺旋桨的在线健康监测与故障诊断，从而提高可靠性与安全性。对于螺旋桨叶片、轴及轴承等的监测系统而言，理想的方法是使各类传感及监测系统与被测物随动或靠近被测物安装，以便实现其运行状态的直接接触测量。但实际中由于无法为与上述旋转类构件随动的监测系统提供可靠、充足、便利的电力供应，这种较理想的接触性在线监测与故障诊断方案尚未得到广泛的应用。虽然旋转式电磁发电机已很成熟、且已被广泛应用，但因其结构复杂、体积及重量相对较大，难于与旋转的螺旋桨主轴相集成。与之相比，薄片型压电振子因结构简单、体积小、且便于与螺旋桨主轴集成。
发明内容
本发明提供一种与螺旋桨主轴随动的发电装置，以解决飞机及轮船螺旋桨接触性在线监测系统所面临的供电难题，本发明所提出的发电装置是基于螺旋桨主轴旋转激励的、且随螺旋桨主轴旋转，因此可以直接为随螺旋桨转动的监测系统提供电力。
本发明采取的技术方案是：轴承座侧壁上镶嵌有定磁铁一和轴承；螺旋桨主轴通过轴承安装在轴承座侧壁上，所述螺旋桨主轴的花键上依次套有限位环一、压电换能器和限位环二；所述的限位环一、压电换能器和限位环二通过卡簧和挡圈压接在螺旋桨主轴的轴肩上，且所述压电换能器位于所述两个限位环的凸曲面之间；所述压电换能器由金属基板上的悬臂梁和压电晶片粘接而成，所述金属基板中心处设有花键孔；一对儿动磁铁通过螺钉固定在所述金属基板的悬臂梁的自由端、且所述两个动磁铁的异性磁极相对；磁铁架的法兰端通过螺钉固定在轴承座侧壁上，在所述磁铁架的底端内侧镶嵌有定磁铁二，且所述两个相邻的定磁铁二的磁极配置方向相反；所述定磁铁一和定磁铁二的数量相等、且其同性磁极相对安装。
不同于固定安装的机床主轴等，飞机及轮船螺旋桨的主轴在绕其回转中心转动的同时，还随飞机或轮船运动，当飞机及轮船加速或减速运动时，压电换能器在其自身及动磁铁惯性力的作用下也会产生沿螺旋桨主轴轴线方向的弯曲变形，故此本发明采用一对儿限位环限制压电换能器的弯曲变形量；此外，当压电换能器在磁力的作用下完全贴靠在所述限位环的凸曲面上时，具有最大的发电能力。为确保压电换能器不因变形过大而损毁、且具有最大的发电能力，所述限位环凸曲面的最小半径R*应根据压电换能器的结构尺寸及材料确定，即：，式中：h=2hp+hm，hp、hm分别为压电晶片和金属基板的厚度，α=hm/h，为压电晶片材料的介电隔离率，Ep为压电材料杨氏模量，g31为压电常数，，为压电陶瓷材料的许用拉应力。相应地，最大发电量的计算公式为：，式中：W和L分别为压电换能器的宽度和长度。
在本发明中，所述定磁铁一和定磁铁二的作用是给所述动磁铁一及动磁铁二施加交变的推力或吸引力，从而使压电换能器产生轴向弯曲变形，进而将机械能转换成电能。
当螺旋桨主轴连续转动时， 所述压电换能器及动磁铁也随之转动，而安装在轴承座上的定磁铁一和安装在磁铁架上的定磁铁二相对静止。
当动磁铁一和动磁铁二旋转靠近某一对儿定磁铁一和定磁铁二时，定磁铁一与动磁铁一的同性磁极之间产生排斥力，定磁铁二与动磁铁二的异性磁极之间产生吸引力，从而使压电换能器沿螺旋桨主轴轴线方向向某一方向弯曲变形；相反，当动磁铁一和动磁铁二旋转靠另一对儿定磁铁一和定磁铁二时，定磁铁一与动磁铁一的异性磁极之间产生吸引力，定磁铁二与动磁铁二的同性磁极之间产生排斥力，从而使压电换能器沿螺旋桨主轴轴线方向向另一方向弯曲变形。随着螺旋桨主轴的连续转动，压电换能器将产生交替的轴向往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能，所产生的电能经一定的转换处理后直接用于驱动监测系统。
本发明的特色在于：压电换能器的弯曲变形量及单次激励发电量是由磁极间的磁场强度及限位环凸曲面共同决定的，螺旋桨主轴增速、减速、及速度高低等状态变化对其无直接影响，因此对转速适应能力强，在各种转动状态下都有较强的发电能力；同时，通过限位环凸曲面限定压电换能器的变形量，从而提高压电换能器的发电能力和可靠性。
本发明优势在于：①发电装置与螺旋桨主轴随动，便于为随螺旋桨主轴旋转的传感监测系统供电；②由限位环凸曲面与磁场力耦合作用实现压电换能器的轴向激励，其变形量及发电量不受轮轴转动状态影响，转速适应能力及发电能力强、匀速及高速时均可发电；③压电换能器沿限位环凸曲面变形，各点应力相等，发电量及可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中压电发电装置的结构剖视简图；
图2是图1的A-A视图；
图3是本发明压电换能器的结构示意图；
图4是图3的B-B剖面图。
具体实施方式
轴承座1的侧壁上镶嵌有定磁铁一2和轴承3；螺旋桨主轴4的一端401通过轴承2安装在轴承座1的侧壁上，所述螺旋桨轴4的花键402上依次套有限位环一5、压电换能器6和限位环二5’，所述的限位环一5、压电换能器6和限位环二5’通过卡簧10和挡圈9压接在所述螺旋桨主轴4的轴肩403上，且所述压电换能器6位于所述限位环一5的凸曲面501和限位环二5’的凸曲面501’之间；所述压电换能器6由金属基板601上的悬臂梁6011和压电晶片602粘接而成，所述金属基板601的对称中心处设有花键孔6012；动磁铁一7和动磁铁二7’通过螺钉固定在所述金属基板601的悬臂梁6011的自由端、且所述动磁铁一7与动磁铁二7’的异性磁极相对；磁铁架8的法兰端801通过螺钉固定在所述轴承座1的侧壁上，在所述磁铁架8的底端802的内侧镶嵌有定磁铁二2’，且所述两个相邻的定磁铁二2’的磁极配置方向相反；所述定磁铁一2和定磁铁二2’的数量相等、且其同性磁极相对安装。
不同于固定安装的机床主轴等，飞机及轮船螺旋桨的主轴在绕其回转中心转动的同时，还随飞机或轮船运动，当飞机及轮船加速或减速运动时，压电换能器6在其自身及动磁铁一7和动磁铁二7’的惯性力作用下也会产生沿螺旋桨主轴4轴线方向的弯曲变形，故此本发明采用一对儿限位环5和5’限制压电换能器6的弯曲变形量；此外，当压电换能器6在磁力的作用下完全贴靠在所述限位环的凸曲面501或501’上时，具有最大的发电能力。为确保压电换能器6不因变形过大而损毁、且具有最大的发电能力，所述限位环凸曲面501及501’的最小半径R*应根据压电换能器6的结构尺寸及材料确定，即：，式中：h=2hp+hm，hp、hm分别为压电晶片和金属基板的厚度，α=hm/h， 为压电晶片材料的介电隔离率，Ep 为压电材料杨氏模量，g31为压电常数，，为压电陶瓷材料的许用拉应力。相应地，最大发电量的计算公式为：，式中：W和L分别为压电换能器6的宽度和长度。
在本发明中，所述定磁铁一2和定磁铁二2’作用是给所述动磁铁一7和动磁铁二7’施加交变的推力或吸引力，从而使压电换能器6产生轴向弯曲变形，进而将机械能转换成电能。
当螺旋桨主轴4连续转动时， 所述压电换能器6及动磁铁一7和动磁铁二7’也随之转动，而安装在轴承座1上的定磁铁一2和安装在磁铁架8上的定磁铁二2’相对静止。
如图1所示，当动磁铁一7和动磁铁二7’旋转靠近上方的一对定磁铁一2和定磁铁二2’时，定磁铁一2的N及与动磁铁一7的N极之间产生排斥力，定磁铁二2’的N极与动磁铁二2’的S极之间产生吸引力，从而使压电换能器6沿螺旋桨主轴4轴线方向向右弯曲变形；相反，当动磁铁一7和动磁铁二7’旋转靠近下方的一对定磁铁铁一2和定磁铁二2’时，定磁铁一2的N及与动磁铁一7的S极之间产生吸引力，定磁铁二2’的S极与动磁铁二2’的S极之间产生排斥力，从而使压电换能器6沿螺旋桨主轴4轴线方向向左弯曲变形。随着螺旋桨主轴4的连续转动，压电换能器6将产生交替的轴向往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能。
Claims (2)
1.一种与螺旋桨主轴随动的发电装置，其特征在于：轴承座侧壁上镶嵌有定磁铁一和轴承；螺旋桨主轴通过轴承安装在轴承座侧壁上，所述螺旋桨主轴的花键上依次套有限位环一、压电换能器和限位环二；所述的限位环一、压电换能器和限位环二通过卡簧和挡圈压接在螺旋桨主轴的轴肩上，且所述压电换能器位于所述两个限位环的凸曲面之间；所述压电换能器由金属基板上的悬臂梁和压电晶片粘接而成，所述金属基板中心处设有花键孔；一对儿动磁铁通过螺钉固定在所述金属基板的悬臂梁的自由端、且所述两个动磁铁的异性磁极相对；磁铁架的法兰端通过螺钉固定在轴承座侧壁上，在所述磁铁架的底端内侧镶嵌有定磁铁二，且两个相邻的定磁铁二的磁极配置方向相反；所述定磁铁一和定磁铁二的数量相等、且其同性磁极相对安装。
2.根据权利要求1所述的与螺旋桨主轴随动的发电装置，其特征在于：所述限位环凸曲面的最小半径R*应根据压电换能器的结构尺寸及材料确定，即：式中：h＝2hp+hm，hp、hm分别为压电晶片和金属基板的厚度，a＝hm/h，为压电晶片材料的介电隔离率，Ep为压电材料杨氏模量，g31为压电常数， 为压电陶瓷材料的许用拉应力。
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