CN103973161A - 一种旋转压电能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转压电能量收集装置，包括：定子和转子两部分，定子内侧安装多个压电组件，压电组件由定子磁钢、压电片和绝缘片组成；转子外侧安装多个转子磁钢。它解决了振动噪声较大、机电转换效率较低以及输出电压脉动较大的技术难题。该收集装置中的定转子磁钢采用三种匹配方式：定子磁钢极性相同，相邻的转子磁钢极性相反；或，相邻的定子磁钢极性相反，转子磁钢极性相同；或，定子磁钢与转子磁钢均采用相邻反极性设置。定子可为离散的压电堆形式，沿转子周向均匀或分组对称分布。压电堆内还可安装弹簧和质量块，以充分吸收低频能量。该收集装置具有机电转换效率高、功重比高、转矩脉动小、振动噪声低及输出电压频率宽等显著优点。

Description

一种旋转压电能量收集装置

技术领域

本发明涉及压电发电技术领域，尤其涉及一种旋转压电能量收集装置。

背景技术

能源短缺是世界性难题，各国投入了大量的人力物力寻找优质可替代能源。目前，机械振动能量收集已引起工程技术人员的广泛关注。现有技术通常采用电磁、静电和压电三种基本方式设计能量收集装置。其中，压电式具有能量密度高、结构简单和性能可靠等显著优点，成为优选方式。

压电能量收集利用正压电效应将机械能转换为电能。根据激振方式，现有技术主要包括四类：(1)惯性激励式：利用受力方向的变化使压电片弯曲变形；(2)拨动式：利用某种机构拨动压电振子，产生高频振动；(3)撞击式：利用构件自然坠落撞击压电振子，进而产生高频振动；(4)磁耦合式：利用非接触式磁力激励压电片，使其产生周期变形和振动。其中，惯性式结构简单，但仅适于低速场合；拨动式原理简单，易于实现，但振动噪声较大；而撞击式也仅适合低速应用，且易造成构件疲劳损伤，降低使用寿命。目前，磁耦合是一种普遍采用的激励方式，如专利CN102801356A、CN102801358A、CN102801361A、CN202721630U和CN103269180A等。

应当指出的是，现有技术通常采用相同数量的定转子磁钢，因此导致显著的定位力矩和不平衡磁拉力，容易产生振动和噪声。此外，现有技术还通常采用d31工作模式，因而机电能量转换效率较低，由于磁钢均匀分布，永磁体的优化参数仅为数量和厚度，可调整的范围较小，限制了机电性能的改善。

发明内容

本发明提供了一种旋转压电能量收集装置，本发明给出了磁钢个数及空间拓扑与振动及电压输出特性之间的映射关系，并发明了机电性能调谐技术，克服了现有压电发电技术机电转换效率较低、功重比较小及振动噪声较大的技术难题，详见下文描述：

一种旋转压电能量收集装置，包括：定子和转子两部分，所述定子内侧安装多个压电组件，所述压电组件由定子磁钢、压电片和绝缘片组成；所述转子外侧安装多个转子磁钢。

所述定子磁钢极性相同，相邻的所述转子磁钢极性相反；或，

相邻的所述定子磁钢极性相反，所述转子磁钢极性相同；或，

所述定子磁钢与所述转子磁钢均采用相邻反极性设置。

所述定子和所述转子采用相同或不同的磁钢数量和周向长度。

所述压电组件的工作模式为d33和/或d31，在永磁激励作用下，所述压电组件产生沿定子径向的伸缩变形，或产生径向伸缩和绕电机轴线的弯曲变形。

所述定子采用分段均匀或非均匀错位，以抑制刚体振动和噪声，同时改善发电质量。

所述装置采用压电堆构型，所述压电堆沿周向分组对称、等间隔均匀或径向对称分布。

所述压电组件沿周向分组对称时，通过调整所述压电组件的分组数和位置角，改变振动和电压输出特性。

所述压电组件沿周向均布时，振动和电压输出规律为：

若lN_m＝qP，则激起扭转振动和呼吸振动模式，同时激起谐波电压；

若lN_m＝qP±1，则激起平移振动和qP±1波数的柔体振动，同时抑制谐波电压；

若为其它情形，则抑制扭转和平移振动，激起其它波数的柔体振动，同时抑制谐波电压；

其中，N_m为转子磁钢数量，P为定子磁钢的分组数，l为谐波响应的阶数，q为非零整数。

所述压电组件径向对称分布，振动和电压输出规律为：

若lN_m为奇数，则抑制扭转振动，同时抑制谐波电压；

若lN_m为偶数，则激起扭转振动，同时激起谐波电压；

其中，N_m为转子磁钢数量，l为谐波响应的阶数。

所述定子为筒形定子或离散的压电堆，所述转子为筒形转子，

所述压电堆沿所述筒形转子周向等间隔或分组对称分布，所述压电堆内安装弹簧和质量块。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、同时采用压电陶瓷的d33和d31工作模式，解决了传统激振方式机电转换效率较低的难题；

2、同时利用磁拉力与磁斥力激振，充分利用了电机的有限空间，提高了功重比；

3、定转子本体均采用导磁性能良好的硅钢，压电陶瓷处于受压预应力状态，避免了磁拉力剧烈变化造成的压电片破裂，同时提高了机电转换效率；

4、采用多个压电片同时工作，产生可观的能量输出；

5、可利用斜极、磁极错位及非均布磁极，尤其是相位调谐技术，抑制残余脉动转矩和不平衡磁拉力，减小振动和噪声，同时输出平稳电压；

6、调整输出转速和定转子磁钢个数，可获得频率范围很宽的输出电压；

7、定子可为整体的周向封闭筒形结构或离散压电堆构型，压电组件可沿周向均匀分布，也可分组对称分布，其内部还可安装弹簧和惯性块，以充分吸收低频振动能量。

附图说明

图1示出了旋转压电发电装置，图中面向气隙的定子侧磁钢的极性均相同，而转子侧相邻磁钢的极性相反；

图2示出了定子振动和电压计算模型；

图3示出了旋转压电发电装置，图中定子和转子侧的相邻磁钢的极性均相反；

图4示出了二分段错位定子，图4a和4b为同一个转子的两段相对旋转错位角π/8后的示意图；

图5示出了均布压电堆发电装置；

图6示出了压电堆的联接方式，图6a、6b、6c和6d分别为四种联接方式；

图7示出了分组压电堆式发电装置；

图8示出了含惯性质量弹簧的旋转均布压电堆发电装置；

图9示出了压电谐振器及安装方式，图9a、9b和9c分别为主视图、左视图和俯视图；

图10示出了含惯性质量弹簧的分组对称压电堆发电装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种旋转压电能量收集装置，该装置有多种拓扑结构，主要由定子和转子两个构件组成。其中，定子本体由硅钢制成，其内侧安装压电组件，该压电组件由定子磁钢、压电片及绝缘片组成；转子本体也由硅钢制成，其外侧也安装多个转子磁钢。

图1示出了旋转压电能量收集装置的基本结构，主要包括筒形转子1000和筒形定子2000。其中，筒形转子1000的内侧由轮辐1010支撑，其外侧均布安装转子磁钢1020和1030，并且相邻转子磁钢极性相反；筒形定子2000内侧安装多个压电组件2010，该压电组件由定子磁钢2020、压电片2030及绝缘片2040组成，并且定子磁钢的极性均相同。

该压电能量收集装置的具体工作过程为：在外力作用下筒形转子1000旋转，转子磁钢1020和1030相继扫过筒形定子2000的定子磁钢2020。若定转子磁钢极性相同，则压电组件受压，反之受拉，进而激起定子振动，产生高频交变电压。应当指出的是，在该工作状态下，压电组件的工作模式为d33和d31，并且为了抑制有害振动，同时提高发电性能，应合理调整定转子两侧的磁钢数量，还可以改变拓扑构型，例如采用定子分段均匀或非均匀错位。

为了更好地说明本发明的有益效果，下面分别针对分组、均布和径向对称构型探讨振动和发电规律，揭示磁钢数量匹配及构型方式与机电性能之间的映射关系，并提出具体的性能优化措施。

一、振动特性

本发明以图1所示旋转压电能量收集装置为例，探讨磁钢个数和拓扑结构对定子振动及电压输出特性的影响规律。图2为计算模型，图中转子侧磁钢数量为N_m，定子侧磁钢的分组数为P，每组压电组件的个数均为N_s。坐标系{O,r,θ}固结于定子，其原点位于定子几何形心，极轴穿过第一分组的第一压电组件的几何形心，为第i(i＝1，2，3，……P)分组内的第j(j＝1，2，3，……N_s)个压电组件。

(1)分组对称压电组件

如果压电组件沿电机周向呈分组对称构型，同时各分组内的压电组件均匀分布，则由组件激起的第l阶谐波响应可写为

式中和θ分别为振幅、波数和空间位置。该组件的机械位置及作用力相角分别为ψ_i,j＝ψ_i+(j-1)Δψ和式中ψ_i和分别为第i个压电组件的机械位置角及相角，Δψ和分别为相邻分组对应压电组件之间(例如：第二组的第二个压电组件与第三组的第二个压电组件)的机械夹角和相位差。根据图2，各分组的对应压电组件的位置应满足

ψ_i＝2π(i-1)/P(2)

由于转子磁极沿周向均匀分布，根据结构和受力的对称性可知

因此总响应为

$W^l=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{i,j}^l---\left(4\right)$

根据三角函数的运算性质，可得

$\left\{\begin{array}{c}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos [a+(k-1)h]=\cos (a+\frac{N-1}{2}h)\sin \frac{N}{2}h/\sin \frac{1}{2}h\\ \underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sin [a+(k-1)h]=\sin (a+\frac{N-1}{2}h)\sin \frac{N}{2}h/\sin \frac{1}{2}/h\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中N为大于或等于1的整数,a和h均为实数，且h不等于0。

根据定子对称性可知并且由式(1)～(5)可得

$\begin{array}{c}{W}^l=\\ \frac{1}{2}{A}_{\mathrm{1,1}}^l\frac{\sin \frac{N_s(w+{\mathrm{lN}}_m)\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}{\sin \frac{(w+{\mathrm{lN}}_m)\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\cos (w+{\mathrm{lN}}_m){\mathrm{\ψ}}_i\cos [\mathrm{w\θ}+l{N}_m\mathrm{\ωt}\frac{(N_s-1)(w+{\mathrm{lN}}_m)\mathrm{\Δ\ψ}}{2}]+\\ \frac{1}{2}{A}_{\mathrm{1,1}}^l\frac{\sin \frac{N_s(w-{\mathrm{LN}}_m)\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}{\sin \frac{(w-{\mathrm{lN}}_m)\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\cos (w-{\mathrm{lN}}_m){\mathrm{\ψ}}_i\cos [\mathrm{w\θ}-{\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt}+\frac{(N_s-1)(w-{\mathrm{lN}}_m)\mathrm{\Δ\ψ}}{2}]\end{array}---\left(6\right)$

根据上述分析可得如下结论：

1)若w±lN_m≠qP，则

W^l＝0(7)

2)若w+lN_m＝qP且w-lN_m≠qP，则

3)若w+lN_m≠qP且w-lN_m＝qP，则

4)若w±lN_m＝qP，则

式(7)～(10)给出了参数与振动特性之间的映射关系，可调整压电组件夹角Δψ、分组数P及个数N_s实现抑制刚体振动同时激起柔体振动的有益效果。事实上，若w±lN_m≠qP，则抑制柔体振动；若w+lN_m＝qP且w-lN_m≠qP，则激起后行波响应；若w+lN_m≠qP且w-lN_m＝qP，则激起前行波响应；若w±lN_m＝qP，通常激起行波与驻波的混合响应，其中q为非零整数。应当指出的是，可调整式(8)～(10)中的系数I和II来改变响应幅值，进而改变电机的振动特性。

(2)均布对称压电组件

对于所有压电组件均布的情形，可将式(7)～(10)中的分组数P定义为压电组件的个数，同时每组压电组件个数为N_s＝1，因此相应的振动规律为：

1)若w±lN_m≠qP，则

W^l＝0(11)

2)若w+lN_m＝qP且w-lN_m≠qP，则

$W^l=\frac{1}{2}{\mathrm{PA}}_{\mathrm{1,1}}^l\cos (\mathrm{w\θ}+{\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt})---\left(12\right)$

3)若w+lN_m≠qP且w-lN_m＝qP，则

$W^l=\frac{1}{2}{\mathrm{PA}}_{\mathrm{1,1}}^l\cos (\mathrm{w\θ}+{\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt})---\left(13\right)$

4)若w±lN_m＝qP，则

$W^l={\mathrm{PA}}_{\mathrm{1,1}}^l\cos w\mathrm{\θ}\cos {\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt}---\left(14\right)$

事实上，若w＝0，则激起刚体扭转振动；若w＝±1，则激起刚体平移振动；若w＝±2,±3,±4,……，则抑制刚体振动。其中，“+”和“-”分别表示正向和反向行波。因此，(1)如果lN_m＝qP，将激起扭转振动和呼吸振动，同时激起l阶谐波电压；(2)如果lN_m＝qP±1，则激起平移振动和波数为qP±1的柔体振动，同时抑制l阶谐波电压；(3)如果为其它条件，则同时抑制扭转和平移振动，还激起其它波数的柔体振动，并且抑制l阶谐波电压。

(3)二分组径向对称压电组件

如果压电组件总体上呈现二分组径向对称构型，并且分组内的压电组件可任意分布，根据式(1)可得响应

$W^l=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{i,j}^l---\left(15\right)$

根据定子磁钢位置的关系，可得

$\begin{array}{c}{W}^l=A_{\mathrm{1,1}}^l\underset{j=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\cos (\mathrm{w\θ}+{\mathrm{w\ψ}}_{1,j})\cos ({\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt}+{\mathrm{lN}}_m{\mathrm{\ψ}}_{1,j})+\\ [\cos (w+{\mathrm{lN}}_m)\mathrm{\π}+\cos (w-{\mathrm{lN}}_m)\mathrm{\π}]\cos (\mathrm{w\θ}+{\mathrm{w\ψ}}_{1,j})\cos ({\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt}+{\mathrm{lN}}_m{\mathrm{\ψ}}_{1,j})\end{array}---\left(16\right)$

若w±lN_m为奇数，则

W^l＝0(17)

若w±lN_m为偶数，则

$\begin{array}{c}{W}^l={2A}_{\mathrm{1,1}}^l\underset{j=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\cos (\mathrm{w\θ}+{\mathrm{w\ψ}}_{1,j})\cos ({\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt}+{\mathrm{lN}}_m{\mathrm{\ψ}}_{1,j})---\left(18\right)\\ \end{array}$

式(17)和(18)表明，若w±lN_m为奇数，则抑制柔体振动；若w±lN_m为偶数，则激起柔体振动。事实上，可调整各分组内的压电组件之间的夹角以改变振幅。

二、电压输出特性

显然，不论定转子磁钢的数量如何匹配，各压电组件的电压均呈现周期波动特征。根据电机结构的对称性，可得拓扑构型与输出电压之间的关系。详述如下：

(1)分组对称压电组件

根据图2，假定第j个分组内的第i个压电组件的谐波输出电压为

式中为第l阶谐波幅值，为电压相角(即振动特性中的作用力相角)。

总输出电压为

$V^l=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{i,j}^l---\left(20\right)$

根据式(5)和(20)可得

式(21)给出了基本参数与输出电压之间的关系。显然，若lN_m≠_qP，则抑制当前谐波电压；若lN_m＝qP，则激起该阶谐波电压。调整压电组件夹角Δψ(改变式(21)中的系数III)、分组数P及数量N_s可调整电压输出。

(2)均布对称压电组件

若压电组件完全均布，假设定子侧共有P个磁钢，此时每个分组的压电组件个数均为N_s＝1，由式(21)可得

$V^l=B_{\mathrm{1,1}}^l\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\cos {\mathrm{lN}}_m{\mathrm{\ψ}}_i\cos {\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt}---\left(22\right)$

因此，若lN_m≠qP，则

V^l＝0(23)

若lN_m＝qP，则

$V^l={\mathrm{PB}}_{\mathrm{1,1}}^l\cos {\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt}---\left(24\right)$

显然，若lN_m≠qP，则抑制当前谐波电压；若lN_m＝qP，则激起该阶谐波电压。但是，与分组对称情形不同的是，此时不能动态调整电压幅度。

(3)二分组径向对称压电组件

对于二分组情形，由式(20)可得总电压为

$V^l=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{i,j}^l---\left(25\right)$

根据式(3)和转子位置关系，可得

$V^l=B_{\mathrm{1,1}}^l\underset{j=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\cos [{\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt}+{\mathrm{lN}}_m{\mathrm{\ψ}}_1+{\mathrm{lN}}_m(j-1)\mathrm{\Δ\ψ}]+\cos [{\mathrm{lN}}_m\mathrm{\π}+{\mathrm{lN}}_m\mathrm{\ωt}+{\mathrm{lN}}_m{\mathrm{\ψ}}_1+{\mathrm{lN}}_m(j-1)\mathrm{\Δ\ψ}]---\left(26\right)$

若lN_m为奇数，则

V^l＝0(27)

若lN_m为偶数，则

$V^l=2B_{\mathrm{1,1}}^l\underset{j=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\cos l[N_m\mathrm{\ωt}+N_m{\mathrm{\ψ}}_1+N_m(j-1)\mathrm{\Δ\ψ}]---\left(28\right)$

显然，根据lN_m的奇偶性可快速判断电压输出特性，同时还可改变各分组内压电组件之间的夹角来动态调整输出电压。

三、机电特性

本发明给出了磁钢数量匹配与定子振动及输出电压之间的映射关系。显然，调整压电组件拓扑构型和磁钢数量匹配可动态调整电机特性。根据上述分析可知，刚体扭转振动与谐波电压的激励条件相同。对于压电组件均布情形，若定子磁极数与转子极对数的公因子大于1，则必然抑制平移振动及相应谐波电压；若二者满足整倍数关系，则仅激起刚体扭转振动，同时激起该阶谐波电压。根据本发明给出的结论，可调整压电组件的分组数及组间夹角，优化定子振动特性，同时改善输出电压质量。

本发明结合图1描述了电机的振动和电压输出特性，事实上，在不改变基本原理的前提下，还可以做出许多提升电机性能的参数和拓扑结构方面的改进。下面结合实施例进一步阐述。

实施例1：

本实施例给出了八极转子的旋转压电发电装置，如图1所示。该装置的定转子本体均采用了导磁性能良好的硅钢。磁钢沿定转子周向均匀分布，采用径向充磁以提高发电效率，或采用切向充磁以减小转矩脉动。定子磁钢可为奇数或偶数，可与转子侧磁钢数量相同或不同。发电组件采用串联方式以提高电压幅值，或并联以降低输出电压，方便外接电路的处理。此外，可根据需要调整转速，得到所需频率的输出电压。根据本发明，可得表1所述刚柔振动及电压输出特性。进一步分析可知，若定子磁极数为偶数，必然抑制刚体平移振动，同时抑制相应谐波电压；若为4的倍数，则激起刚体扭转振动，同时激起相应谐波电压。

表1八极转子旋转压电发电装置的振动及电压输出特性

实施例2：

图3为本发明的另一拓扑构型，该电机与实施例1相似，不同之处在于定转子磁钢均以相邻极性相反的方式排列。因此，定转子的磁极数均为偶数，因此定子磁钢的磁拉力及相应发电组件的电压脉动频率均与转子的极对数有关。根据本发明的理论分析，可得表2所述刚柔振动及电压输出规律。显然，激励力谐波的奇偶性和磁极数共同决定了该实施例的振动和电压输出规律。

表2八极转子旋转压电发电装置的振动及电压输出特性(转子相邻磁钢极性相反)

实施例3：

为了提高电机的输出功率，同时改善压电组件的受力状态，图4以8极定子为例，给出了二分段错位轴截面示意。图中两段定子的错位角为π/8。转子磁钢可采用同极性或相邻异极性设置(未示出)。在本实施例中，调整分段数和错位角，可优化振动特性和电压质量。应当指出的是，尽管采用了错位方式，但作用于压电组件的激励频率及波形并未改变，事实上仅改变了两段定子的激振力和电压的相位，同时还改变了波动响应的幅值。还应当指出的是，如果仅考虑轴截面内受力及振动状态，本质上仍然为磁钢分组对称方式。根据本发明的理论分析，可得定子磁钢排列与振动及电压特性之间的关系，如表3和4所述。

表3八极二分段定子振动及电压输出特性(转子磁钢极性相同)

表4八极二分段定子振动及电压输出特性(转子相邻磁钢极性相反)

实施例4：

为了提高电机的功重比，图5给出了另一种拓扑构型。其中，转子结构与图1相同，定子侧为压电堆形式，且沿电机周向均匀分布，其具体连接方式如图6所示。本实施例的压电堆3010由磁钢3020、压电片3030、电极3040和连接组件3050组成。压电堆的数量可为奇数或偶数。根据本发明结论，可得与表2相似的振动规律，不同之处在于振动和电压的幅值，尤其是电机的功重比。

实施例5：

为了改善振动及电压输出特性，本发明给出一种压电堆沿周向分组对称分布的拓扑构型，如图7所示。压电堆连接方式如图6所示。改变压电堆之间的夹角Δψ，可调整振动状态和电压输出质量。事实上，图7所示分组压电堆与图4所示分段错位转子的本质相同，均采用了改变磁拉力和电压相位的措施。依据本发明的理论推导，可得夹角与机电性能之间的定量关系，并据此指导动态设计。应当指出的是，尽管定子采用了分组对称方式，但压电堆的激励频率及波形并未改变，事实上仅改变了磁拉/斥力和电压的相位。

实施例6：

为了充分吸收低频振动能量，本发明提出一种含弹簧质量元件的拓扑构型，如图8所示。该实施例的转子结构与其它实施例相同，定子侧为分体结构，由若干压电谐振器组成。压电堆连接方式如图6所示。图9示出了该谐振器的结构及安装方式。包括：紧固螺钉3060，支撑部件3070，支撑部件3070上套接有弹簧3080，在弹簧3080和调节螺钉3090之间固定有顶板3100，顶板3100用于避免调节螺钉3090直接和弹簧3080接触。尽管本实施例的结构发生了改变，但仍然可以依据本发明的理论分析预测振动和电压输出规律，同时可调整谐振器之间的夹角实现机电性能的改善。事实上，本实施例改变了磁拉/斥力及电压谐波的幅值，同时还增加了高频成分。

实施例7：

图10为含弹簧质量元件的压电堆发电装置。为了进一步改善振动及电压输出特性，本实施例给出了一种压电谐振器分组对称的拓扑模式，其中压电堆采用图6所示连接方式。本实施例可同时收集低频和高频振动能量，并且根据式(8)～(10)和(21)，调整夹角Δψ，改变系数I、II和III的取值，可进一步优化机电特性。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，本发明根据电机的结构和受力的对称性，采用解析揭示了磁钢数量匹配及拓扑构型与机电性能之间的映射关系，发明了可进一步提升性能的基本参数及拓扑结构的调谐技术。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转压电能量收集装置，包括：定子和转子两部分，其特征在于，所述定子内侧安装多个压电组件，所述压电组件由定子磁钢、压电片和绝缘片组成；所述转子外侧安装多个转子磁钢。

2.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，

所述定子磁钢极性相同，相邻的所述转子磁钢极性相反；或，

相邻的所述定子磁钢极性相反，所述转子磁钢极性相同；或，

所述定子磁钢与所述转子磁钢均采用相邻反极性设置。

3.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述定子和所述转子采用相同或不同的磁钢数量和周向长度。

4.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述压电组件的工作模式为d33和/或d31，在永磁激励作用下，所述压电组件产生沿定子径向的伸缩变形，或产生径向伸缩和绕电机轴线的弯曲变形。

5.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述定子采用分段均匀或非均匀错位，以抑制刚体振动和噪声，同时改善发电质量。

6.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于所述装置采用压电堆构型，所述压电堆沿周向分组对称、等间隔均匀或径向对称分布。

7.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述压电组件沿周向分组对称时，通过调整所述压电组件的分组数和位置角，改变振动和电压输出特性。

8.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述压电组件沿周向均布时，振动和电压输出规律为：

若lN_m＝qP，则激起扭转振动和呼吸振动模式，同时激起谐波电压；

若lN_m＝qP±1，则激起平移振动和qP±1波数的柔体振动，同时抑制谐波电压；

若为其它情形，则抑制扭转和平移振动，激起其它波数的柔体振动，同时抑制谐波电压；

其中，N_m为转子磁钢数量，P为定子磁钢的分组数，l为谐波响应的阶数，q为非零整数。

9.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述压电组件径向对称分布，振动和电压输出规律为：

若lN_m为奇数，则抑制扭转振动，同时抑制谐波电压；

若lN_m为偶数，则激起扭转振动，同时激起谐波电压；

其中，N_m为转子磁钢数量，l为谐波响应的阶数。

10.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述定子为筒形定子或离散的压电堆，所述转子为筒形转子，

所述压电堆沿所述筒形转子周向等间隔或分组对称分布，所述压电堆内安装弹簧和质量块。