CN103269182B - 基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机，属新能源和发电领域。左右端盖安装在装有配重块的壳体两端；镶有轴承的左右端盖与壳体间压接压电振子一；设有辐板和轮缘的转轴通过轴承安装在左右端盖上，轮缘两侧固定有压电振子二；压电振子一和二的端部均装有磁铁；电刷内外圈分别固定在转轴和右端盖上，压电振子一、二通过导线组一和二与电刷外圈及内圈相连，电刷内圈经导线组三与连接盘上的接线柱相连。优点是无需外界固定支撑；所构成的发电机为独立部件，无需改变旋转体结构、便于安装维护，可靠性高、发电能力及转速适应能力强。

Description

基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机，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；同时，上述旋转式压电发电机仅在“固定件”或“旋转体”上安装压电振子，未能充分利用发电机的轴向空间，发电机的体积能量密度低。

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；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

本发明提供一种基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机，针对螺旋桨/汽车车轮/悬臂轴等无固定支撑或支撑点离轴端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，所述壳体外部下侧通过螺钉安装有配重块；所述左端盖、右端盖、壳体以及安装于壳体上的配重块共同构成定子；所述左右端盖内侧壁上均镶嵌有轴承，所述左右端盖与壳体之间均压接有金属基板一；所述金属基板一与其侧面粘接的压电晶片一构成扇形压电振子一，所述压电振子一的自由端通过螺钉安装有磁铁一；转子的转轴通过轴承安装在左右端盖上，所述转轴的一端通过螺母安装有连接盘，转轴上设有辐板和轮缘；所述轮缘的左右两侧通过螺钉固定有金属基板二，所述金属基板二与其表面粘接的压电晶片二构成扇形压电振子二，所述压电振子二的自由端通过螺钉安装有磁铁二；轴向相邻的所述磁铁一与磁铁二之间、以及两个磁铁二之间的同性磁极靠近安装，所述磁铁一的磁矩m₁和磁铁二的磁矩m₂之间的关系为m₁>m₂(l/L)⁴，其中l和L分别为磁铁一和磁铁二之间、以及两个磁铁二之间的相邻磁极间的初始轴向距离；电刷的内圈和外圈分别通过螺钉固定在转轴和右端盖上，压电振子一和压电振子二分别通过导线组一和导线组二与电刷的外圈及内圈相连，电刷的内圈通过导线组三与置于连接盘上的接线柱相连，所述导线组三通过转轴上的导线槽穿出。

本发明所述配重块的重力应满足：其中G为配重块的重力，η_n为磁铁二数量与磁铁一数量的最大公约数，Q<150°为配重块的中心角，F_y为磁铁二和磁铁一之间沿圆周方向的最大排斥力，R为磁铁二及磁铁一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。

为确保发电机工作过程中配重块的质心始终处于转轴中心的下方，应使当配重块转角为Q₁＝(180-Q)/2时各磁铁二与磁铁一之间驱动转矩之和小于或等于制动转矩，即 ${2\mathrm{\&eta;}}_n{M}_y\&le;{\mathrm{GR}}_G\cos \left(\frac{180-Q}{2}\right),$ 由此得配重块的重力应满足： $G\&GreaterEqual;\frac{{2\mathrm{\&eta;}}_n{\mathrm{RF}}_y}{R_G\cos (90-Q/2)},$ 其中η_n为磁铁二数量与磁铁一数量的最大公约数，Q<150°为配重块的中心角。

本发明的优点是结构新颖，(1)利用配重块构造定子，使安装在壳体上的扇形压电振子一及其端部磁铁一保持相对静止、并与随转子上压电振子二转动的磁铁二之间产生相对转动，实现压电振子间的相互激励，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)采用扇形压电振子、且其固定端半径大于自由端半径，压电振子的有效工作面积大、应力分布均匀、压电振子自由端磁铁离心力及其对旋转的压电振子轴向振动影响小，故发电机的可靠性高、发电能力大、转速适应性强且可实现高转速发电；(4)压电振子轴向对称配置，其轴向振动力属于内力且相互抵消，对旋转体无影响。

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I部放大图；

图3是图1的A-A视图；

图4是图1的B-B视图。

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的外部下侧通过螺钉安装有配重块17；所述左端盖3、右端盖1、壳体2以及安装于壳体2上的配重块17共同构成定子；所述左端盖3和右端盖1的内侧壁上均镶嵌轴承8；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一401，所述金属基板一401与其侧面粘接的压电晶片一402构成扇形压电振子一4，所述压电振子一4的自由端通过螺钉安装有磁铁一7；转子9的转轴901通过轴承8安装在左端盖3和右端盖1上，所述转轴901的一端通过螺母12安装有连接盘11，所述转轴901上设有辐板902和轮缘903；所述轮缘903的左右两侧通过螺钉固定有金属基板二501，所述金属基板二501与其表面粘接的压电晶片二502构成扇形压电振子二5，所述压电振子二5的自由端通过螺钉安装有磁铁二6；所述轴向相邻的磁铁一7与磁铁二6之间、以及两个磁铁二6之间的同性磁极靠近安装，所述磁铁一7的磁矩m₁和磁铁二6的磁矩m₂之间的关系为m₁>m₂(l/L)⁴，其中l和L分别为磁铁一7和磁铁二6之间、以及两个磁铁二6之间的相邻磁极间的初始轴向距离；电刷10的内圈和外圈分别通过螺钉固定在转轴901和右端盖1上，压电振子一4和压电振子二5分别通过导线组一15和导线组二13与电刷10的外圈及内圈相连，电刷10的内圈通过导线组三14与置于连接盘11上的接线柱16相连，所述导线组三14通过转轴901上的导线槽904穿出。

本发明所述配重块的重力应满足：其中η_n为磁铁二数量与磁铁一数量的最大公约数，Q<150°为配重块的中心角，F_y为磁铁二和磁铁一之间沿圆周方向的最大排斥力，R为磁铁二及磁铁一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11通过螺钉安装在旋转体II的端部、并带动转子9以及安装于转子9的轮缘903上的压电振子二5和磁铁二6随所述旋转体II一起旋转；当磁铁二6在圆周方向上靠近磁铁一7、且所述两个磁铁在圆周方向上未重叠时，磁铁二6和磁铁一7之间产生沿圆周方向的排斥力F_y，从而产生使磁铁一7沿转轴901转动的驱动转矩M_y，当磁铁二6与磁铁一7在圆周方向“即将重叠”时驱动力矩最大，即为M_y＝RF_y，其中R为磁铁二6及磁铁一7的中心到转轴901中心的距离；由于本发明中壳体2的外部下侧通过螺钉安装有配重块17，当配重块17因受驱动转矩M_y作用转过一定角度Q₁时，配重块17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17质心到转轴901中心的距离。

为确保发电机工作过程中配重块17的质心始终处于转轴901中心的下方，应使当配重块17转角为Q₁＝(180-Q)/2时各磁铁二6与磁铁一7之间驱动转矩之和小于或等于制动转矩，即由此得配重块17的重力应满足：其中η_n为磁铁二6数量n_a与磁铁一7数量n_b的最大公约数，Q<150°为配重块17的中心角。

当配重块17不随转子9转动时，磁铁二6与磁铁一7之间产生相对转动，它们之间的重叠面积及作用力按照由小到大、再由大到小的规律变换，从而使压电振子一4和压电振子二5产生往复的轴向弯曲变形并将机械能转换成电能。根据电磁学理论，在初始状态下磁铁一7和磁铁二6之间、以及两个磁铁二6之间的轴向排斥力分别为和其中m₁、m₂分别为磁铁一7和磁铁二6的磁矩，l和L分别为磁铁一7和磁铁二6之间、以及两个磁铁二6之间的相邻磁极间的初始轴向距离，λ为与磁铁材料有关的系数，η_S＝0～1为磁铁一7和磁铁二6的重叠面积系数；因此，为使压电振子一4和压电振子二5同时产生往复的轴向弯曲振动，磁铁一7和磁铁二6重叠面积最大即η_S＝1时应有： $F=F_{12}-F_{22}=\mathrm{\&lambda;}\frac{m_1{m}_2}{l^4}{\mathrm{\&eta;}}_S-\mathrm{\&lambda;}\frac{m_2^2}{L^4}>0,$ 即需满足 $m_1>m_2{\left(\frac{l}{L}\right)}^4.$

本发明中采用压电振子一4和压电振子二5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；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；同时，由于扇形压电振子固定端的半径大于自由端的半径，即压电振子自由端的磁铁的回转半径小，故离心力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。

此外，本发明中由左端盖3、右端盖1、壳体2及配重块17所构成的“定子”上，以及转子9的轮缘903上分别安装有压电振子一4和压电振子二5，故在发电机轴向尺寸一定的情况下发电量可大幅度提高；同时，因所述压电振子一4和压电振子二5在轴向上对称安装，故其轴向振动力属内力、相互抵消，对旋转体II无影响。

Claims (2)

1.一种基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机，其特征在于：左端盖和右端盖分别通过螺钉安装在壳体两端，壳体外部下侧通过螺钉安装有配重块；所述左端盖、右端盖、壳体以及配重块共同构成定子；左端盖和右端盖内侧壁上均镶嵌轴承，左端盖、右端盖与壳体之间均压接有金属基板一；金属基板一与其侧面粘接的压电晶片一构成扇形压电振子一，压电振子一的自由端通过螺钉安装有磁铁一；转子的转轴通过轴承安装在左右端盖上，转轴的一端通过螺母安装有连接盘，转轴上设有辐板和轮缘；轮缘的左右两侧通过螺钉固定有金属基板二，金属基板二与其表面粘接的压电晶片二构成扇形压电振子二，压电振子二的自由端通过螺钉安装有磁铁二；轴向相邻的所述磁铁一与磁铁二之间、以及两个磁铁二之间的同性磁极靠近安装，所述磁铁一的磁矩m₁和磁铁二的磁矩m₂之间的关系为m₁>m₂(l/L)⁴，其中l和L分别为磁铁一和磁铁二之间、以及两个磁铁二之间的相邻磁极间的初始轴向距离；电刷内圈和外圈分别通过螺钉固定在转轴和右端盖上，压电振子一和压电振子二分别通过导线组一和导线组二与电刷的外圈及内圈相连，电刷内圈通过导线组三与置于连接盘上的接线柱相连，所述导线组三通过转轴上的导线槽穿出。

2.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机，其特征在于：所述配重块的重力应满足：其中G为配重块的重力，为η_n为磁铁二数量与磁铁一数量的最大公约数，Q为配重块的中心角，且Q<150°，F_y为磁铁二和磁铁一之间沿圆周方向的最大排斥力，R为磁铁二及磁铁一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。