CN102832846A

CN102832846A - 基于悬臂梁压电振子轴向弯曲振动的轴式发电机

Info

Publication number: CN102832846A
Application number: CN2012103193079A
Authority: CN
Inventors: 阚君武; 王淑云; 凌荣华; 程光明; 马继杰; 陈宇航
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2012-09-01
Filing date: 2012-09-01
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-09-01
Also published as: CN102832846B

Abstract

本发明涉一种基于悬臂梁压电振子轴向弯曲振动的轴式发电机，属于压电发电领域。机架侧壁上镶有轴承和第一定磁铁，机架箱体端部装有磁铁架，磁铁架上镶有第二定磁铁；旋转轴的一端通过轴承安装在机架上，轴肩上装有压电振子和监测系统，压电振子自由端装有第一、第二动磁铁；所述动磁铁的异性磁极相对安装，所述动磁铁与定磁铁的同性磁极相对安装；所述第一定磁铁与第二定磁铁的数量相等，所述定磁铁与所述动磁铁的几何中心至旋转轴中心的距离相等。优点是无接触冲击、噪音及冲击破坏，便于将电能提供给随轴转动的监测系统，匀速及高速时均可发电。

Description

基于悬臂梁压电振子轴向弯曲振动的轴式发电机

技术领域

本发明属于压电发电及自供电应用技术领域，具体涉及一种基于悬臂梁压电振子轴向弯曲振动的轴式发电机。

背景技术

利用薄片型压电振子构造微小型压电发电机的研究已经成为国内外持续多年的热点。针对发电机原动力来源及应用目的的不同，目前国内外均已提出了多种结构形式的悬臂梁式压电发电机，主要包括振动式和旋转式两大类型。其中，旋转式压电发电机最初是为解决直升机螺旋桨、汽车轮胎压力、航空发动机、高速列车、油气钻主轴等旋转体的自供电传感监测而提出的；此外，微型风力发电机的需求也是催生旋转式压电发电机的关键要素。就发电、供电能力而言，旋转式电磁发电机已很成熟、且已被广泛应用，但因其需要动子与定子作相对运动、且动、定子尺寸相当，故结构复杂、体积大，无法或不便用于某些需要将发电机与旋转体相集成的微小及远程控制系统，尤其不适于汽车轮胎压力监测系统等无相对运动的场合。与之相比，薄片型压电振子因结构简单、体积小、且可与旋转体集成，故被认为是构造微小型旋转发电机的有效方法。

根据激励方式的不同，现有旋转式压电发电机可分为3大类：① 惯性激励式，利用压电振子随轴转动过程中受力方向的变化使其沿旋转方向弯曲变形，该方法结构简单，但仅适于低速，高速、尤其是匀高速转动时因离心力过大而无法产生交替的双向变形、且转动状态骤变将使压电振子因受力/变形过大而损毁；②拨动式，利用带有拨齿的旋转机构拨动固定的压电振子、或利用固定的拨齿拨动旋转的压电振子使其沿旋转方向的变形，该方法需二者作相对转动，不适于汽车轮胎、独立的悬臂主轴等无固定支撑的场合、且高速时冲击/噪音较大；③撞击式，利用旋转坠落的钢球撞击压电振子，该方法也仅适用于转速较低的场合，且存在较大的接触冲击与噪音、还可使压电振子因接触冲击而损毁。

上述已有的3类旋转式压电发电机的共同特点是压电振子均沿旋转体的旋转方向变形，其变形量和发电量完全取决于旋转体的转速及转动状态，由此所带来的弊端在于：①压电振子变形量不可控，过大的变形会导致压电振子碎裂，故可靠性低；②在高速、匀速、尤其是匀-高速时，压电振子不会被有效激励，环境适应能力及频带宽度有限。可见，现有旋转式压电发电机并不适于直升机螺旋桨、汽车轮胎、航空发动机、高速列车、油气钻主轴等高转速或使用空间、结构受限的场合。因此，结构简单、可靠性高、频带宽、无冲击、噪音、且适用于匀速、高速、尤其是匀高速转动的新型旋转式压电发电机依然是很多领域所急需的。

发明内容

本发明提供一种基于悬臂梁压电振子轴向弯曲振动的轴式发电机，针对各类旋转构件健康监测系统自供电的需求现状、以解决现有旋转压电发电机在可靠性及转速适应能力等方面所存在的问题。

本发明采取的技术方案是：机架的侧壁上镶嵌有轴承和第一定磁铁，机架的箱体端部通过螺钉安装有磁铁架，所述磁铁架上镶嵌有第二定磁铁；旋转轴的一端通过轴承安装在所述机架上，所述旋转轴的轴肩上通过螺钉安装有悬臂梁压电振子、挡圈和监测系统；所述压电振子和监测系统通过导线组连接；所述悬臂梁压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；第一动磁铁和第二动磁铁通过螺钉固定在所述悬臂梁压电振子自由端的两侧；所述第一动磁铁、第二动磁铁的异性磁极相对安装，所述第一动磁铁与位于机架侧壁上的第一定磁铁的同性磁极相对安装，所述第二动磁铁与位于磁铁架上的第二定磁铁的同性磁极相对安装；所述第一定磁铁、第二定磁铁的数量相等，所述第一定磁铁和第二定磁铁与所述第一动磁铁和第二动磁铁的几何中心至旋转轴中心的距离相等；所述第一定磁铁、第二定磁铁几何中心与旋转轴中心的连线之间的夹角为Q=360o/n,其中n=2-20为所述各定磁铁的数量之和。

在本发明中，位于机架侧壁上的第一动磁铁和位于磁铁架上的第二动磁铁作用是对随旋转轴转动的第一、第二动磁铁产生交替的推力，从而是悬臂梁压电振子产生沿旋转轴轴向的弯曲振动、并将机械能转换成电能；悬臂梁压电振子固定旋转轴上且随其转动，便于将其生成的电能提供给随旋转轴一同旋转的传感监测系统。

在旋转轴连续转动的情况下，悬臂梁压电振子以及安装于所述压电振子上的第一动磁铁、第二动磁铁随旋转轴一起转动，而安装在机架侧壁上的第一定磁铁和安装在磁铁架上的第二定磁铁相对静止。当转动的第一动磁铁与位于机架侧壁上的第一定磁铁靠近时，两个同性的磁极之间产生排斥力、并使压电振子沿旋转轴的轴线方向向右弯曲；相反，当转动的第二动磁铁与位于磁铁架上的第二定磁铁靠近时时，两个同性磁极间产生排斥力、并使使压电振子沿旋转轴的轴线方向向左弯曲。随着旋转轴的连续转动，压电振子在两个相反方向磁力的推动下即产生连续的轴向往复弯曲振动，并将机械能转换成电能。

本发明的特色在于：采用动磁铁与定磁铁之间同性磁极靠近时产生的排斥力激励压电振子轴向变形，动-定磁铁间不会因相吸而接触，从而提高压电振子的可靠性；压电振子的弯曲变形量及发电量主要由磁极间的磁场强度决定，旋转轴增速、减速、及转速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。

本发明优势在于：①压电振子置于旋转轴上，通过磁力耦合实现非接触激励，无接触冲击、噪音及接触激励可能造成的压电振子损毁，且便于将电能提供给随旋转轴转动的监测系统；② 压电振子沿旋转轴的轴向弯曲变形，变形量及发电量不受旋转轴转动状态影响，匀速及高速时均可发电。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖视简图；

图2是图1的A-A视图。

具体实施方式

机架1的侧壁101上镶嵌有轴承2和第一定磁铁4，机架1的箱体102的端部通过螺钉安装有磁铁架8，所述磁铁架8上镶嵌有第二定磁铁4’；旋转轴3的一端301通过轴承2安装在所述机架1上，所述旋转轴3的轴肩302上通过螺钉安装有悬臂梁压电振子6、挡圈7和监测系统9；所述压电振子6和监测系统9通过导线组10连接；所述悬臂梁压电振子6由金属基板601和压电晶片602粘接而成；第一动磁铁5和第二动磁铁5’ 通过螺钉固定在所述悬臂梁压电振子6的自由端的两侧；所述第一动磁铁5和第二动磁铁5’异性磁极相对安装，所述第一动磁铁5与位于机架1侧壁101上的第一定磁铁4的同性磁极相对安装，所述第二动磁铁5’与位于磁铁架8上的第二定磁铁4’的同性磁极相对安装；所述第一定磁铁4与第二定磁铁4’的数量相等，所述第一定磁铁4和第二定磁铁4’与所述第一动磁铁5和第二动磁铁5’的几何中心至旋转轴中心的距离相等；所述第一定磁铁、第二定磁铁几何中心与旋转轴中心的连线之间的夹角为Q=360o/n,其中n=2-20为所述各定磁铁的数量之和。

第一定磁铁4和第二定磁铁4’的几何中心位于以旋转轴3的轴心为圆心的同一圆周上、且二者的几何中心与旋转轴3中心的连线之间的夹角Q大于零。

在本发明中，位于机架1侧壁101上的第一动磁铁4和位于磁铁架8上的第二动磁铁4’作用是对随旋转轴3转动的第一动磁铁5和第二动磁铁5’产生交替的推力，从而是悬臂梁压电振子6产生沿旋转轴3的轴向的弯曲振动，从而将机械能转换成电能；悬臂梁压电振子6固定在旋转轴3上且随其转动，便于将所生成的电能直接供给随旋转轴3一同旋转的传感监测系统9。

当旋转轴3连续转动时，悬臂梁压电振子6以及安装于所述压电振子6上的动磁铁5和5’随旋转轴3一起转动，而安装在机架1侧壁101上的第一定磁铁4和安装在磁铁架8上的第二定磁铁4’相对静止。当转动的第一动磁铁5与位于机架1侧壁101上的第一定磁铁4靠近时，两个同性的S磁极之间产生排斥力、并使压电振子6沿旋转轴3的轴线方向向右弯曲变形；相反，当转动的第二动磁铁5’与位于磁铁架8上的第二定磁铁4’靠近时，两个同性N磁极间产生排斥力、并使压电振子6沿旋转轴3的轴线向左弯曲。随着旋转轴3的连续转动，压电振子6在两个相反方向磁力的推动下将产生连续的轴向往复弯曲振动，并将机械能转换成电能。

采用动磁铁与定磁铁之间同性磁极靠近时产生的排斥力激励压电振子轴向变形，动-定磁铁间不会因相吸而接触，压电振子的弯曲变形量及发电量可通过动-定磁铁间的磁场强度加以控制，从而避免因变形量过大而损毁，具有较高的可靠性及发电能力。

Claims

1.一种基于悬臂梁压电振子轴向弯曲振动的轴式发电机，其特征在于：机架的侧壁上镶嵌有轴承和第一定磁铁，机架的箱体端部通过螺钉安装有磁铁架，所述磁铁架上镶嵌有第二定磁铁；旋转轴的一端通过轴承安装在所述机架上，所述旋转轴的轴肩上通过螺钉安装有悬臂梁压电振子、挡圈和监测系统；所述压电振子和监测系统通过导线组连接；所述悬臂梁压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；第一动磁铁和第二动磁铁通过螺钉固定在所述悬臂梁压电振子自由端的两侧；所述第一动磁铁、第二动磁铁的异性磁极相对安装，所述第一动磁铁与位于机架侧壁上的第一定磁铁的同性磁极相对安装，所述第二动磁铁与位于磁铁架上的第二定磁铁的同性磁极相对安装；所述第一定磁铁、第二定磁铁的数量相等，所述第一定磁铁和第二定磁铁与所述第一动磁铁和第二动磁铁的几何中心至旋转轴中心的距离相等；所述第一定磁铁、第二定磁铁几何中心与旋转轴中心的连线之间的夹角为Q=360o/n,其中n=2-20为所述各定磁铁的数量之和。