CN103259452A - 一种轴端悬垂式压电悬臂梁发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴端悬垂式压电悬臂梁发电机，属于新能源和发电技术领域。左右端盖分别通过螺钉安装在壳体两端，壳体内部下侧通过螺钉安装有半环形配重块；所述左右端盖的上部设有减重孔、底壁内侧镶嵌有磁铁一和轴承；左右端盖与壳体间压接有压电振子，压电振子自由端安装有磁铁二和调频质量块；转子转轴通过轴承安装在左右端盖上，转轴一端通过螺母安装有连接盘，转子转盘上镶嵌有磁铁三。优点是激励压电振子发电，无需外界固定支撑；发电机为集成式独立部件，无需改变旋转体结构、便于安装与维护；可靠性高、发电能力强、速带宽。

Description

一种轴端悬垂式压电悬臂梁发电机

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种轴端悬垂式压电悬臂梁发电机，用于无固定支撑旋转体的健康监测系统供电。

背景技术

为满足直升机螺旋桨/汽车轮胎/航空发动机/高速列车/油气钻主轴等旋转体及其轴承组件的健康监测系统供电需求，国内外学者已经提出了多种形式的旋转式压电及电磁式微小型发电机。相对而言，旋转式电磁发电机已很成熟、且已被广泛应用，但因其在发电过程中会产生电磁干扰而不适于为无线传感监测系统供电，此外，电磁式发电机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、悬臂主轴等无固定支撑的场合。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，早期的旋转式压电发电机主要包括3大类：(i)惯性激励式，利用压电振子转动过程中受力方向的变化使其弯曲变形，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；(ii)拨动式，利用旋转机构拨动压电振子，需二者作相对转动，不适于汽车轮胎等无固定支撑的场合、且高速时冲击/噪音较大；(iii)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、且存在较大冲击/噪音和可能的撞击损毁。显然，上述沿旋转体旋转方向激励，即周向激励压电振子发电的方法已成为制约其实际应用的技术瓶颈，不适于高速、匀速、及使用空间/结构受限的场合。因此，人们又提出了基于磁力耦合激励的新型旋转式压电发电机，如中国专利201210319215.0、201210320165.8、201210318782.4、201210318930.2等，具有无冲击与噪音、转速适应能力强等优点，但这些发电机工作时必须通过轴承座或轴承盖等“固定件”与轴类“旋转体”间的相对转动实现压电振子的有效激励，故无法用于“无固定支撑”的旋转体发电需求，如旋转风力发电机的叶片、汽车轮胎、以及各类外伸的悬臂旋转轴等。

此外，现有悬臂梁式旋转压电发电机采用的压电振子是等宽度的、且其固定端直径小于安装有磁铁的自由端的直径，弊端在于：压电振子弯曲变形时根部应力大，易造成压电振子损毁；发电机半径方向尺度一定时，压电振子的面积小、总体发电能力弱；采用多个压电振子时各压电振子自由端质量相等，仅在某些特定转速时发生共振，转速适应能力低；最关键的是，高转速时磁铁离心力会使压电振子的轴向振动位移减小、甚至无振动，故发电效率低。

发明内容

本发明提供一种轴端悬垂式压电悬臂梁发电机，针对螺旋桨、汽车车轮、悬臂轴等无固定支撑旋或支撑点离轴端距离较远旋转体的健康监测系统供电需求，以解决现有旋转式压电发电机所存在的转速适应能力低，高转速时磁铁离心力会使压电振子的轴向振动位移减小、甚至无振动，发电效率低的问题。

本发明采取的技术方案是：左端盖和右端盖分别通过螺钉安装在壳体的两端，所述壳体的内部下侧通过螺钉安装有半环形配重块；所述左端盖和右端盖的上部分别设有减重孔一和减重孔二，所述左端盖和右端盖的底壁内侧均镶嵌有圆形磁铁一和轴承；所述左端盖及右端盖与壳体之间均压接有金属基板，所述金属基板与粘接在其侧面的压电晶片构成扇形压电振子，所述压电振子的自由端通过螺钉安装有圆形磁铁二和调频质量块，转子的转轴通过轴承安装在左端盖和右端盖上，所述转轴的一端通过螺母安装有连接盘；所述转子的转盘上镶嵌有圆形磁铁三；所述磁铁一、磁铁二和磁铁三的半径r相等，所述各磁铁中心距转轴中心的距离R相等，且转盘圆周方向上两相邻磁铁三中心与转轴中心连线间的夹角为Q₀=4arcsin(r/R)，其中r、R分别为所述磁铁三的半径及其中心到转轴中心间的距离；所述轴向相邻的磁铁二与磁铁一之间、以及磁铁二和磁铁三之间的同性磁极靠近安装；所述磁铁一、质量块及磁铁二的中心线重合；位于磁铁三左右两侧压电振子上的中心相互重合的质量块的质量相等，位于磁铁三同一侧压电振子上的各质量块的质量互不相等，磁铁三和质量块质量之和最大的组和磁铁三和质量块质量之和最小的组相邻，其余相邻两个磁铁三和质量块组的质量之和的差相等。

本发明所述磁铁三和质量块质量之和最大的为：磁铁三和质量块质量之和最小的为：

相邻两个磁铁三和质量块质量之和的差为：

其中，n_高和n_低分别为最高和最低转速，n₀为转盘上圆周方向均布的磁铁和质量块的组数，K为压电振子的刚度。

本发明所述配重块的重力G应满足：其中η_n为安装在配重块一侧压电振子上的磁铁二数量与安装在转盘上磁铁三数量的最大公约数，Q<150°为半环形配重块的中心角，F_y为磁铁三和磁铁二之间产生沿圆周方向的最大排斥力，R为磁铁三及磁铁二中心到转轴中心的距离，R_G为配重块质心到转轴中心的距离。

本发明优点是结构新颖，（1）利用配重块惯性力使压电振子及其端部磁铁一保持相对静止、并与随转盘转动的磁铁二之间产生相对转动，激励压电振子发电，无需外界固定支撑；（2）发电机为集成式独立部件，无需改变旋转体结构、便于安装与维护；3）扇形压电振子变形量受到两侧磁铁的限制、且固定端应力相对较低，故可靠性高；4）采用扇形压电振子时横横截面内压电振子的有效面积等宽度悬臂梁的两倍以上、且压电振子长度方向的应力分布均匀，故发电能力强；5）同一横截面内圆周方向上各压电振子端部磁铁质量不等，发电机的有效速带宽；6）采用两组压电振子轴向对称配置，其振动力相互抵消，不会传递给旋转体；7）采用扇形压电振子、且大端固定，其端部磁铁及质量块的回转半径小及离心力小，对压电振子轴向弯曲变形影响小，可实现高转速下的有效发电。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电装置的结构剖面图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的I部放大图；

图4是本发明中扇形压电振子的布局方式；

图5是传统发电机中等宽度悬臂梁型压电振子的布局示意图；

图6是压电振子端部总体质量不同时的电压-转速特性曲线对比图。

具体实施方式

左端盖3和右端盖1分别通过螺钉安装在壳体2的两端，所述壳体2的内部下侧通过螺钉安装有半环形配重块10；所述左端盖3和右端盖1的上部分别设有减重孔一301和减重孔二101，所述左端盖3和右端盖1的底壁内侧均镶嵌有圆形磁铁一11和轴承7；所述左端盖3及右端盖1与壳体2之间均压接有金属基板401，所述金属基板401与粘接在其侧面的压电晶片402构成扇形压电振子4，所述压电振子4的自由端通过螺钉安装有圆形磁铁二5和调频质量块6，转子8的转轴801通过轴承7安装在左端盖3和右端盖1上，所述转轴801的一端通过螺母13安装有连接盘12；所述转子8的转盘802上镶嵌有圆形磁铁三9；所述磁铁一11、磁铁二5和磁铁三9的半径r相等，所述各磁铁中心距转轴801中心的距离R相等，且转盘802圆周方向上两相邻磁铁三9中心与转轴801中心连线间的夹角为Q₀=4arcsin(r/R)，其中r、R分别为所述磁铁三9的半径及其中心到转轴801中心间的距离；所述轴向相邻的磁铁二5与磁铁一11之间、以及磁铁二5和磁铁三9之间的同性磁极靠近安装；所述磁铁一11、质量块6及磁铁二5的中心线重合；位于磁铁三9左右两侧压电振子4上的中心相互重合的质量块6的质量相等，位于磁铁三9同一侧压电振子4上的各质量块6的质量互不相等，磁铁三和质量块6质量之和最大的组和磁铁三和质量块6质量之和最小的组相邻，其余相邻两个磁铁三和质量块组的质量之和的差相等。

其中磁铁三和质量块6质量之和最大的为：磁铁三和质量块6质量之和最小的为：

相邻两个磁铁三和质量块6质量之和的差为：其中，n_高和n_低分别为最高和最低转速，n₀为转盘上圆周方向均布的磁铁和质量块的组数，K为压电振子的刚度。

所述配重块的重力G应满足：其中η_n为安装在配重块一侧压电振子上的磁铁二数量与安装在转盘上磁铁三数量的最大公约数，Q<150°为半环形配重块的中心角，F_y为磁铁三和磁铁二之间产生沿圆周方向的最大排斥力，R为磁铁三及磁铁二中心到转轴中心的距离，R_G为配重块质心到转轴中心的距离。

工作过程中，连接盘12通过螺钉安装在旋转体14的端部、并带动转子8随所述旋转体14一起旋转。当磁铁三9在圆周方向上靠近磁铁二5、且所述两个磁铁在圆周方向上未重叠时，磁铁三9和磁铁二5之间产生沿圆周方向的排斥力F_y，从而产生使磁铁二5沿转轴801转动的驱动转矩M_y，当磁铁三9与磁铁二5在圆周方向“相切”时驱动力矩最大，即为M_y=RF_y，其中R为磁铁三9及磁铁二5的中心到转轴801中心的距离；由于壳体2下侧安装有配重块10，当配重块10因受驱动转矩M_y作用转过一定角度Q₁时，配重块10的重力G产生一个反向的制动转矩M_G=GR_GcosQ₁，其中R_G为配重块10质心到转轴801中心的距离。

为确保发电机工作过程中配重块10的质心始终处于转轴801中心的下方，应使当配重块10转角为Q₁=(180-Q)/2时各磁铁三9与磁铁二5之间驱动转矩之和小于或等于制动转矩，即

由此得配重块10的重力应满足：其中η_n为安装在配重块10一侧压电振子4上的磁铁二5的数量n_a与安装在转盘802上的磁铁三9的数量n_b的最大公约数，Q<150°为半环形配重块10的中心角。

当配重块10不随转子8转动时，压电振子4及其端部磁铁二5与置于转盘802上的磁铁三9之间产生相对转动，改变磁铁二5与磁铁三9的重叠面积、并使它们之间的作用力按照由小到大、再由大到小的规律变化；压电振子4受交替变化磁力的作用时即产生往复的轴向弯曲变形、并将机械能转换成电能。

在发电机的上述工作过程中，磁铁三9提供使磁铁二5产生轴向振动的激振力，磁铁一11提供磁铁二5的回复力并限制其振动位移以免相互碰撞。为使磁铁二5与磁铁一11及磁铁三9之间产生交替变化的双向作用力，本发明中磁铁二5不应与转盘802圆周上两相邻磁铁三9同时重合，即转盘802圆周方向上两相邻磁铁三9中的一个与磁铁二5“切出”时另一个“切入”，即存在使磁铁二5与磁铁三9之间重叠面积为0的瞬间，故转盘802圆周方向上两相邻磁铁三9中心与转轴801中心连线间的夹角应为Q₀=4arcsin(r/R)，其中r、R分别为所述磁铁三9的半径及其中心到转轴801中心间的距离。

本发明中采用压电振子4是扇形的，且固定端的宽度大于自由端的宽度。根据材料力学知识，扇形压电振子长度方向上的应力分布比等宽度悬臂梁压电振子的应力分布均匀、且固定端的最大应力相对较小，从而提高发电机的强度及可靠性；同时，采用扇形压电振子时，发电机横截面内压电振子的有效面积为采用等宽度悬臂梁压电振子时的ξ=(R_d/r_x+1)/2倍，其中R_d和r_x分别为装配后压电振子大半径和小半径，如R_d/r_x=5则ξ=3；因此在压电振子所受平均应力相等的情况下，扇形悬臂梁压电振子的发电量为等宽度悬臂梁压电振子的ξ=(R_d/r_x+1)/2倍；此外，采用扇形压电振子时，其端部磁铁的回转半径小，故离心力自身及其对磁铁轴向运动的影响小，可实现高转速下的有效发电。

本发明中，位于磁铁三9左右两侧压电振子4上的中心相互重合的质量块6的质量相等，因此位于磁铁三9两侧压电振子及其端部的质量块6和磁铁二5振动过程中产生的轴向力相互抵消，不会通过转轴801传递到旋转体上；此外，位于磁铁三9同一侧压电振子4上的各质量块6的质量互不相等，根据振动学理论，在其它参数确定的情况下，改变压电振子4端部质量块6的质量即可改变压电振子4的固有频率，即使其产生最大振幅及电压的转速。因此，本发明中同一横截面上压电振子4端部的质量块6的质量互不相等时可有效提高发电机的速带宽度，从而使压电发电机在较大的转速范围内都能有效发电。

图6给出的是质量块质量不等时压电振子4的电压-转速特性曲线，其中各质量块质量间的相互关系为M₁>M₂>M₃>M₄。显然，端部质量块6的质量不同时压电振子4的输出电压特性曲线不同，每个质量块都对应多个最佳转速使压电振子4的输出电压最大，且各最佳转速随质量块质量的增加而降低。因此，采用多个端部质量块质量不同的压电振子构造的发电机具有较宽的速带。

Claims (3)

1.一种轴端悬垂式压电悬臂梁发电机，其特征在于：左端盖和右端盖分别通过螺钉安装在壳体的两端，所述壳体的内部下侧通过螺钉安装有半环形配重块；所述左端盖和右端盖的上部分别设有减重孔一和减重孔二，所述左端盖和右端盖的底壁内侧均镶嵌有圆形磁铁一和轴承；所述左端盖及右端盖与壳体之间均压接有金属基板，所述金属基板与粘接在其侧面的压电晶片构成扇形压电振子，所述压电振子的自由端通过螺钉安装有圆形磁铁二和调频质量块，转子的转轴通过轴承安装在左端盖和右端盖上，所述转轴的一端通过螺母安装有连接盘；所述转子的转盘上镶嵌有圆形磁铁三；所述磁铁一、磁铁二和磁铁三的半径r相等，所述各磁铁中心距转轴中心的距离R相等，且转盘圆周方向上两相邻磁铁三中心与转轴中心连线间的夹角为Q₀=4arcsin(r/R)，其中r、R分别为所述磁铁三的半径及其中心到转轴中心间的距离；所述轴向相邻的磁铁二与磁铁一之间、以及磁铁二和磁铁三之间的同性磁极靠近安装；所述磁铁一、质量块及磁铁二的中心线重合；位于磁铁三左右两侧压电振子上的中心相互重合的质量块的质量相等，位于磁铁三同一侧压电振子上的各质量块的质量互不相等，磁铁三和质量块质量之和最大的组和磁铁三和质量块质量之和最小的组相邻，其余相邻两个磁铁三和质量块组的质量之和的差相等。

2.根据权利要求1所述的一种轴端悬垂式压电悬臂梁发电机，其特征在于：所述配重块的重力G应满足：

其中η_n为安装在配重块一侧压电振子上的磁铁二数量与安装在转盘上磁铁三数量的最大公约数，Q<150°为半环形配重块的中心角，F_y为磁铁三和磁铁二之间产生沿圆周方向的最大排斥力，R为磁铁三及磁铁二中心到转轴中心的距离，R_G为配重块质心到转轴中心的距离。

3.根据权利要求1所述的一种轴端悬垂式压电悬臂梁发电机，其特征在于：所述磁铁三和质量块质量之和最大的为：

磁铁三和质量块质量之和最小的为：

相邻两个磁铁三和质量块质量之和的差为：

其中，n_高和n_低分别为最高和最低转速，n₀为转盘上圆周方向均布的磁铁和质量块的组数，K为压电振子的刚度。

Images