CN103414377B - 一种可调频旋转式压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种可调频旋转式压电发电装置属于新能源技术领域，涉及一种可调频旋转式压电发电装置，适合收集环境中频率较宽的转动机械能。该发电装置由调频部件及能量转换部件组成，调频部件为一级调频部件或二级调频部件或一级和二级调频部件共同作用的调频部件。一级调频部件由基座、一级调频螺栓、上、下导杆、左支架和圆盘组成。二级调频部件由二级调频螺栓、滑块、定位块、定位块螺钉组成。本发明涉及的可调频旋转式压电发电装置共有4种结构形式。本发明利用调频部件调整旋转式压电发电机的工作频带宽，扩宽了旋转式压电发电机的应用范围和场合。

Description

一种可调频旋转式压电发电装置

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及一种可调频旋转式压电发电装置，适合收集环境中频率较宽的转动机械能。

背景技术

环境中的振动具有低频、随机变化的特点，传统的压电技术很难高效地获取这些能量。主要的原因是：常见的压电换能结构如压电悬臂梁，它的外激励频率要到达到其共振频率附近才能高效地获地产生电能，通常压电悬臂梁的共振频率比环境的振动频率高很多，带宽较窄，但环境中的振动频率分布较宽，因此传统的压电换能结构无法高效地收集环境中的低频转动机械能。旋转压电发电机具有良好的增频特性和固定的带宽，对收集环境中的振动能具有一定的效果。

Shashank Priya发明了利用压电材料设计的微型的压电风车，发明专利号：US 20100052324 A1，发明名称：Piezoelectric windmill apparatus。该发电装置的工作频带宽不可调，难以高效地获取不同风速情况的风能。褚金奎等发明了两种旋转式压电发电装置，一种发明的申请号为201110203878.1，发明名称为一种旋转压电发电装置；另一种发明的申请号为201110274652.0，发明名称为一种对称旋转压电发电装置。这两种旋转式压电发电机工作频带宽不可调，应用场合受到限制。综合来看，旋转压电发电机研究的存在的主要问题是发电机的工作频带宽不可调，其应用的场合和条件受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服旋转式压电发电机工作频带宽不可调的缺点，发明一种可调频带宽的旋转压电发电装置。该装置采用调频部件来改变发电装置的工作频带宽，提高了旋转式压电发电机的应用范围和适用场合。

本发明采用的技术方案是一种可调频旋转压电发电装置，其特征在于，该发电装置由调频部件及能量转换部件组成，所述调频部件为一级调频部件或二级调频部件或一级和二级调频部件共同作用的调频部件；所述一级调频部件由基座1、一级调频螺栓4、上、下导杆6、3、左支架和圆盘组成；所述左支架为第一种左支架2或第二种左支架2′或第三种左支架2″；所述圆盘为第一种圆盘5或第二种圆盘5′或第三种圆盘5a′或第四种圆盘5a″；所述二级调频部件由二级调频螺栓7、滑块8、定位块9、定位块螺钉9′组成；所述能量转换部件，由永磁铁10、驱动轮12、压电悬臂梁13阵列、电机支架15、轴14、右支架16、紧固螺栓17a、紧固螺母17b、左、右轴承支架11、18、和整流桥19组成；

在所述的一级调频部件中，左支架与基座1刚性连接；上、下导杆6、3与左支架刚性连接；上、下导杆6、3限制圆盘转动，圆盘仅能在上、下导杆6、3上滑动；一级调频螺栓4与左支架和圆盘利用螺纹副连接；

在所述的二级调频部件中，二级调频螺栓7与圆盘和滑块8利用螺纹副连接；利用定位块9和定位块螺钉9′将滑块8限制在圆盘的凹槽中；滑块8仅能在圆盘的凹槽中轴向移动。滑块8端部固定有永磁铁10或压电悬臂梁13；在圆盘的四周均与分布若干个二级调频部件；

在所述能量转换部件中，左、右轴承支架11、18对轴14进行定位；驱动轮12和轴14刚性连接；驱动轮12四周均匀阵列若干个永磁铁10；右支架16与基座1刚性连接；利用紧固螺栓17a、紧固螺母17b把电机支架15和右支架16固定在一起；右支架16和轴14同轴线；若干个压电悬臂梁13均匀阵列在电机支架15四周，每个压电悬臂梁13自由端均固定有永磁铁10；利用整流桥19将压电悬臂梁13产生的交流电转换为直流电为负载R供能。

所述的左支架共有三种结构形式，第一种左支架2有螺纹孔和无通孔；第二种左支架2′在轴线上、下两侧有通孔；第三种左支架2″在轴线及上、下两侧均有通孔；所述的圆盘共有四种结构形式，第一种圆盘5有螺纹孔和通孔，四周均匀阵列若干个二级调频部件；第二种圆盘5′有螺纹孔和通孔，四周均匀阵列若干个永磁铁10；第三种圆盘5a′在轴线上、下两侧有通孔，四周均匀阵列若干个二级调频部件；第四种圆盘5a″在轴线及轴线上、下两侧均有通孔，四周均匀阵列若干个二级调频部件；

所述的一种可调频旋转式压电发电装置共有4种结构形式，分别为Ⅰ型可调频旋转式压电发电机装置、Ⅱ型可调频旋转式压电发电机装置、Ⅲ型可调频旋转式压电发电机装置和Ⅳ型可调频旋转压电发电机装置；

Ⅰ型可调频旋转式压电发电机装置中，所述调频部件为一级调频部件和二级调频部件；一级调频螺栓4与第一种左支架2和第一种圆盘5利用螺纹副连接；滑块8端部固定有永磁铁10；第一种左支架2与基座1刚性连接；二级调频螺栓7与第一种圆盘5和滑块8利用螺纹副连接；利用定位块9和定位块螺钉9′将滑块8限制在第一种圆盘5的凹槽中；滑块8仅能在第一种圆盘5的凹槽中轴向移动；固定在滑块8上的永磁铁10与对应的固定在压电悬臂梁13自由端的永磁铁10轴向对齐；均匀阵列在驱动轮12四周的永磁铁10与对应的固定在压电悬臂梁13自由端的永磁铁10径向对齐；

Ⅱ型可调频旋转式压电发电机装置中，所述调频部件为一级调频部件；一级调频螺栓4与第一种左支架2和第二种圆盘5′利用螺纹副连接；第一种左支架2与基座1刚性连接；均匀阵列在第二种圆盘5′四周的永磁铁10与对应的固定在压电悬臂梁13自由端的永磁铁10轴向对齐；均匀阵列在驱动轮12四周的永磁铁10与对应的固定在压电悬臂梁13自由端的永磁铁10径向对齐；

Ⅲ型可调频旋转式压电发电机装置中，所述调频部件为二级调频部件；第二种左支架2′与基座1刚性连接；利用紧固螺栓17a和紧固螺母17b将第二种左支架2′和第三种圆盘5a′固定在一起；二级调频螺栓7与第三种圆盘5a′和滑块8利用螺纹副连接；利用定位块9和定位块螺钉9′将滑块8限制在第三种圆盘5a′的凹槽中；滑块8仅能在第三种圆盘5a′的凹槽中轴向移动；固定在滑块8上的永磁铁10与对应的固定在压电悬臂梁13自由端的永磁铁10轴向对齐；均匀阵列在驱动轮12四周的永磁铁10与对应的固定在压电悬臂梁13自由端的永磁铁10径向对齐；

Ⅳ型可调频旋转式压电发电机装置中，所述调频部件为二级调频部件；第三种左支架2″与基座1刚性连接；利用紧固螺栓17a和紧固螺母17b将第三种左支架2″和第四种圆盘5a″固定在一起；二级调频螺栓7与第四种圆盘5a″和滑块8利用螺纹副连接；利用定位块9和定位块螺钉9′将滑块8限制在第四种圆盘5a″的凹槽中；滑块8一端固定有压电悬臂梁13；二级调频部件、压电悬臂梁13阵列关于驱动轮12左右对称分布。

本发明的显著效果是利用调频部件调整旋转式压电发电机的工作频带宽，扩宽了旋转式压电发电机的应用范围和场合。本发明的一种可调频旋转式压电发电装置特别适合收集环境中频率较宽的转动机械能。

附图说明

附图1Ⅰ型可调频旋转式压电发电机结构简图；附图2二级调频部件K向视图；附图3Ⅱ型可调频旋转式压电发电机结构简图；附图4Ⅲ型可调频旋转式压电发电机结构简图；附图5Ⅳ型可调频旋转式压电发电机结构简图；附图6后处理电路示意图；图中：1、基座；2、第一种左支架；2′、第二种左支架；2″、第三种左支架；3、下导杆；4、一级调频螺栓；5、第一种圆盘；5′、第二种圆盘；5a′、第三种圆盘；5a″、第四种圆盘；6、上导杆；7、二级调频螺栓；8、滑块；9、定位块；9′、定位块螺钉；10、永磁铁；11、左轴承支架；12、驱动轮；13、压电悬臂梁；14、轴；15、电机支架；16、右支架；17a、紧固螺栓；17b、紧固螺母；18、右轴承支架；19、整流桥。

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。本发明是一种可调频旋转式压电发电装置，由调频部件及能量转换部件组成。利用调频部件调整发电机的工作频带宽，扩宽了本发明的应用范围和场合。

结合附图1、附图2说明Ⅰ型可调频旋转式压电发电机的工作原理。当外部旋转激励从轴14右端输入时，轴14带动驱动轮12共同旋转，均匀分布在驱动轮12四周的永磁铁10在压电悬臂梁13自由端位置产生的磁场不断变化。压电悬臂梁13自由端的永磁铁10在变化磁场作用下受到的永磁力不断变化，导致压电悬臂梁13不断地产生交变应力。根据正压电效应，压电悬臂梁13压电层的上、下电极不断产生电流。可通过各自的整流桥19将电能供给负载R。

当外激励频率接近压电悬臂梁13的一阶固有频率时，压电悬臂梁13输出能量最大；当外激励频率远离压电悬臂梁13的一阶固有频率时，压电悬臂梁13输出能量迅速减小，因此，压电悬臂梁13的一阶固有频率尽可能接近外激励频率才能获得较好的效率，此时，压电悬臂梁13的共振响应频率等于其一阶固有频率。为说明对压电悬臂梁13施加长度方向的非接触永磁力可以改变其共振响应频率的原理，进行如下说明。施加到压电悬臂梁13自由端的非接触永磁力由固定在调频部件上的永磁铁10提供，根据磁铁同极相斥、异极相吸的原理，施加到压电悬臂梁13自由端的非接触永磁力可以为拉力或压力。施加到压电悬臂梁13自由端的非接触永磁力可视为磁性弹簧，此时，压电悬臂梁13的共振响应频率ω_n可用下式表达：

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{(K_{beam}+K_{magnet})}{M}}---\left(1\right)$

其中，K_beam为压电悬臂梁13的弹性刚度，K_magnet为非接触永磁力的磁性刚度，M为等效质量。K_magnet可用(2)式表示：

$K_{beam}=(\frac{15}{14l}+\frac{1}{d})F---\left(2\right)$

其中，l为压电悬臂梁的长度，d为固定在调频部件上的永磁铁10和固定在压电悬臂梁13自由端的永磁铁10之间的距离，F为施加到压电悬臂梁13自由端的非接触永磁力。联合(1)式和(2)式可以看出，改变d的大小，可以改变共振响应频率ω_n的大小，即调频部件利用改变固定在调频部件上的永磁铁10和固定在压电悬臂梁13自由端的永磁铁10之间的距离可以调整共振响应频率。固定在调频部件上的永磁铁10和固定在压电悬臂梁13自由端的永磁铁10的N-S极方向在一条直线上。

Ⅰ型可调频旋转压电发电机的调频功能由一级调频部件和二级调频部件共同完成。第一种圆盘5由于受到上、下导杆6、3限制圆盘转动，圆盘仅能在上、下导杆6、3上滑动。旋转一级调频螺栓4，能够让第一种圆盘5相对基座1左右移动。改变一级调频螺栓4的旋转方向，可改变第一种圆盘5的移动方向。由于滑块8被定位块9和定位块螺钉9′限制在第一种圆盘5的凹槽中，滑块8仅能在第一种圆盘5的凹槽中轴向移动。当一级调频部件作用时，通过旋转一级调频螺栓4可改变固定在滑块8上的永磁铁10和固定在压电悬臂梁13端部永磁铁10的距离。旋转一级调频螺栓4可改变全体压电悬臂梁13的共振响应频率。旋转二级调频螺栓7，能够让滑块8相对第一种圆盘5左右移动。改变二级调频螺栓7的旋转方向，可改变滑块8的移动方向。通过旋转二级调频螺栓7改变固定在滑块8上的永磁铁10和固定在压电悬臂梁13端部永磁铁10的距离。旋转二级调频螺栓7可单独调整各压电悬臂梁13的共振响应频率。一级调频部件和二级调频可共同调整Ⅰ型可调频旋转压电发电机的工作带宽。

参照图3，对Ⅱ型可调频旋转式压电发电机装置进行说明。Ⅱ型可调频旋转式压电发电机装置仅利用一级调频部件调整工作频带宽。第二种圆盘5′受到上、下导杆6、3限制圆盘转动，圆盘仅能在上、下导杆6、3上滑动。旋转一级调频螺栓4，能够让第二种圆盘5′相对基座1左右移动。改变一级调频螺栓4的旋转方向，可改变第二种圆盘5′的移动方向。通过旋转一级调频螺栓4可改变固定在第二种圆盘5′的永磁铁10和固定在压电悬臂梁13端部永磁铁10的距离。旋转一级调频螺栓4可改变全体压电悬臂梁13的共振响应频率。

参照图4，对Ⅲ型可调频旋转式压电发电机装置进行说明。Ⅲ型可调频旋转式压电发电机装置仅利用二级调频部件调整工作频带宽。滑块8在定位块9和定位块螺钉9′作用下仅能在第三种圆盘5a′的凹槽中轴向移动；旋转二级调频螺栓7，能够让滑块8相对第三种圆盘5a′左右移动。改变二级调频螺栓7的旋转方向，可改变滑块8的移动方向。通过旋转二级调频螺栓7改变固定在滑块8上的永磁铁10和固定在压电悬臂梁13端部永磁铁10的距离。旋转二级调频螺栓7可单独调整各压电悬臂梁13的共振响应频率。

参照图5，对Ⅳ型可调频旋转式压电发电机装置进行说明。Ⅳ型可调频旋转式压电发电机装置仅利用二级调频部件调整工作频带宽。滑块8在定位块9和定位块螺钉9′作用下仅能在第四种圆盘5a″的凹槽中轴向移动。旋转二级调频螺栓7，能够让滑块8相对第四种圆盘5a″左右移动。改变二级调频螺栓7的旋转方向，可改变滑块8的移动方向。通过左、右对称分布的二级调频螺栓7可改变两侧的压电悬臂梁13的距离。每一对二级调频部件可调整对应的压电悬臂梁13的共振响应频率。由于二级调频部件、压电悬臂梁13阵列关于驱动轮12左右对称分布，利用二级调频部件调频时应对称调整。

Claims (3)

1.一种可调频旋转式压电发电装置，其特征在于，该发电装置由调频部件及能量转换部件组成，所述调频部件为一级调频部件或二级调频部件或一级和二级调频部件共同作用的调频部件；所述一级调频部件由基座(1)、一级调频螺栓(4)、上、下导杆(6、3)、左支架和圆盘组成；所述左支架为第一种左支架(2)或第二种左支架(2′)或第三种左支架(2″)；所述圆盘为第一种圆盘(5)或第二种圆盘(5′)或第三种圆盘(5a′)或第四种圆盘(5a″)；所述二级调频部件由二级调频螺栓(7)、滑块(8)、定位块(9)、定位块螺钉(9′)组成；所述能量转换部件由永磁铁(10)、驱动轮(12)、压电悬臂梁(13)阵列、电机支架(15)、轴(14)、右支架(16)、紧固螺栓(17a)、紧固螺母(17b)、左、右轴承支架(11、18)、和整流桥(19)组成；

在所述的一级调频部件中，左支架与基座(1)刚性连接；上、下导杆(6、3)与左支架刚性连接；上、下导杆(6、3)限制圆盘转动，圆盘仅能在上、下导杆(6、3)上滑动；一级调频螺栓(4)与左支架和圆盘利用螺纹副连接；

在所述的二级调频部件中，二级调频螺栓(7)与圆盘和滑块(8)利用螺纹副连接；利用定位块(9)和定位块螺钉(9′)将滑块(8)限制在圆盘的凹槽中；滑块(8)仅能在圆盘的凹槽中轴向移动；滑块(8)端部固定有永磁铁(10)或压电悬臂梁(13)；在圆盘的四周均匀分布若干个二级调频部件；

在所述能量转换部件中，左、右轴承支架(11、18)对轴(14)进行定位；驱动轮(12)和轴(14)刚性连接；驱动轮(12)四周均匀阵列若干个永磁铁(10)；右支架(16)与基座(1)刚性连接；利用紧固螺栓(17a)、紧固螺母(17b)把电机支架(15)和右支架(16)固定在一起；右支架(16)和轴(14)同轴线；若干个压电悬臂梁(13)均匀阵列在电机支架(15)四周，每个压电悬臂梁(13)自由端均固定有永磁铁(10)；利用整流桥(19)将压电悬臂梁(13)产生的交流电转换为直流电为负载R供能。

2.如权利要求1所述的一种可调频旋转式压电发电装置，其特征是，所述的左支架共有三种结构形式，第一种左支架(2)有螺纹孔和无通孔；第二种左支架(2′)在轴线上、下两侧有通孔；第三种左支架(2″)在轴线及上、下两侧均有通孔；所述的圆盘共有四种结构形式，第一种圆盘(5)有螺纹孔和通孔，四周均匀阵列若干个二级调频部件；第二种圆盘(5′)有螺纹孔和通孔，四周均匀阵列若干个永磁铁(10)；第三种圆盘(5a′)在轴线上、下两侧有通孔，四周均匀阵列若干个二级调频部件；第四种圆盘(5a″)在轴线及轴线上、下两侧均有通孔，四周均匀阵列若干个二级调频部件。

3.如权利要求1或2所述的一种可调频旋转式压电发电装置，其特征是，所述的一种可调频旋转式压电发电装置共有4种结构形式，分别为Ⅰ型可调频旋转式压电发电机装置、Ⅱ型可调频旋转式压电发电机装置、Ⅲ型可调频旋转式压电发电机装置和Ⅳ型可调频旋转压电发电机装置；

Ⅰ型可调频旋转式压电发电机装置中，所述调频部件为一级调频部件和二级调频部件；一级调频螺栓(4)与第一种左支架(2)和第一种圆盘(5)利用螺纹副连接；滑块(8)端部固定有永磁铁(10)；第一种左支架(2)与基座(1)刚性连接；二级调频螺栓(7)与第一种圆盘(5)和滑块(8)利用螺纹副连接；利用定位块(9)和定位块螺钉(9′)将滑块(8)限制在第一种圆盘(5)的凹槽中；滑块(8)仅能在第一种圆盘(5)的凹槽中轴向移动；固定在滑块(8)上的永磁铁(10)与对应的固定在压电悬臂梁(13)自由端的永磁铁(10)轴向对齐；均匀阵列在驱动轮(12)四周的永磁铁(10)与对应的固定在压电悬臂梁(13)自由端的永磁铁(10)径向对齐；

Ⅱ型可调频旋转式压电发电机装置中，所述调频部件为一级调频部件；一级调频螺栓(4)与第一种左支架(2)和第二种圆盘(5′)利用螺纹副连接；第一种左支架(2)与基座(1)刚性连接；均匀阵列在第二种圆盘(5′)四周的永磁铁(10)与对应的固定在压电悬臂梁(13)自由端的永磁铁(10)轴向对齐；均匀阵列在驱动轮(12)四周的永磁铁(10)与对应的固定在压电悬臂梁(13)自由端的永磁铁(10)径向对齐；

Ⅲ型可调频旋转式压电发电机装置中，所述调频部件为二级调频部件；第二种左支架(2′)与基座(1)刚性连接；利用紧固螺栓(17a)和紧固螺母(17b)将第二种左支架(2′)和第三种圆盘(5a′)固定在一起；二级调频螺栓(7)与第三种圆盘(5a′)和滑块(8)利用螺纹副连接；利用定位块(9)和定位块螺钉(9′)将滑块(8)限制在第三种圆盘(5a′)的凹槽中；滑块(8)仅能在第三种圆盘(5a′)的凹槽中轴向移动；固定在滑块(8)上的永磁铁(10)与对应的固定在压电悬臂梁(13)自由端的永磁铁(10)轴向对齐；均匀阵列在驱动轮(12)四周的永磁铁(10)与对应的固定在压电悬臂梁(13)自由端的永磁铁(10)径向对齐；

Ⅳ型可调频旋转式压电发电机装置中，所述调频部件为二级调频部件；第三种左支架(2″)与基座(1)刚性连接；利用紧固螺栓(17a)和紧固螺母(17b)将第三种左支架(2″)和第四种圆盘(5a″)固定在一起；二级调频螺栓(7)与第四种圆盘(5a″)和滑块(8)利用螺纹副连接；利用定位块(9)和定位块螺钉(9′)将滑块(8)限制在第四种圆盘(5a″)的凹槽中；滑块(8)一端固定有压电悬臂梁(13)；二级调频部件、压电悬臂梁(13)阵列关于驱动轮(12)左右对称分布。