CN104158438A - 一种永磁压电能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁压电能量收集装置，包括：定子组件、多个转子组件和支承组件，定子组件的本体由硅钢制成，其内侧均布安装多个压电组件。压电组件由位于定子本体内侧的磁钢、压电片及橡胶层构成，其中磁钢的相邻极性相反；转子组件的本体也由硅钢制成，所述本体外侧均布安装第一磁钢和第二磁钢，最外层安装橡胶层；支承组件由金属铝或其它非导磁材料制成，该支承组件由支承、第一半圆T型槽构件和第二半圆T型槽构件组成，所述支承与第一半圆T型槽构件和第二半圆T型槽构件之间由螺栓连接。由于多个磁钢同时激振，并且采用机电转换效率较高的d33工作模式，该能量收集装置具有可靠性高、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

一种永磁压电能量收集装置

技术领域

本发明涉及能量收集装置，尤其涉及一种永磁压电能量收集装置。

背景技术

现有技术通常采用电磁式、静电式或压电式将机械振动能量转换为电能。压电式能量密度高且结构简单，最具发展潜力。众所周知，现有技术通常采用惯性、拨动或撞击等激励方式使压电片变形，产生电能。惯性激励结构简单，但仅适于低速场合；拨动激励原理简单，易于实现，但振动噪声较大；而撞击方法仅适于低速场合，且易造成构件疲劳损伤，降低使用寿命。应当指出的是，现有压电发电技术通常采用d31工作模式，机电能量转换效率较低。

现有技术提出了基于磁场耦合的旋转压电发电装置，如专利CN102801356A、CN102801358A、CN102801361A、CN202721630U和CN103269180A等，但通常采用相同数量的定转子磁钢，易产生显著的定位力矩和振动噪声。应当指出的是，现有技术通常采用单定子单转子构型，并且磁钢均匀分布。为了更有效地收集能量，本发明提出一种新型拓扑结构，并揭示几何构型与受力、振动尤其发电特性之间的关系。

发明内容

本发明提供了一种永磁压电能量收集装置，克服了现有压电发电技术的局限性，改进了磁场耦合方式，抑制了振动和噪声，还提高了机电转换效率，详见下文描述：

一种永磁压电能量收集装置，包括：定子组件、多个转子组件和支承组件，所述定子组件的本体由硅钢制成，其内侧均布安装多个压电组件，所述压电组件由位于所述定子本体内侧的磁钢、压电片以及橡胶层组成，所述磁钢的相邻极性相反；

所述转子组件的本体也由硅钢制成，所述本体外侧均布安装第一磁钢和第二磁钢，最外层安装橡胶层；

所述支承组件由金属铝或其它非导磁材料制成，所述支承组件由支承、第一半圆T型槽构件和第二半圆T型槽构件组成，所述支承与所述第一半圆T型槽构件和所述第二半圆T型槽构件之间由螺栓连接。

所述转子组件按周向对称形式分布于所述支承组件上，所述转子组件绕轴线自转，并且绕所述支承组件的几何形心公转，同时与所述定子组件保持纯滚动接触。

所述转子组件按分组对称形式分布于所述支承组件上。

所述转子组件按径向对称形式分布于所述支承组件上。

所述转子组件按径向二分组形式分布于所述支承组件上。

所述转子组件均匀分布时，所述永磁压电能量收集装置的振动和电压输出规律为：

(1)若lN_s＝qN_m，则激起扭转振动，柔体振动波数为lN_s，同时激起l阶谐波电压；

(2)若lN_s＝qN_m±1，则激起平移振动，柔体振动波数为lN_s±1，同时抑制l阶谐波电压；

(3)若为其它参数组合，则抑制扭转及平移振动，同时激起其它波数的柔体振动，还将抑制l阶谐波电压。

所述第一磁钢和所述第二磁钢所采用倾斜或分段设计。所述定子磁钢的内侧和所述转子磁钢的外侧采用相同的曲率设计。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明采用永磁体激振方式，结构紧凑可靠，同时降低了振动和噪声；

2、采用多压电片同时工作，产生可观的能量输出，同时提高了功重比；

3、利用永磁体产生的磁拉力周期挤压压电片，提高了机电转换效率；

4、可采用定子或转子斜极等技术措施改善振动特性，同时优化发电质量；

5、调整输出转速和定转子磁钢个数的匹配，可优化输出电压质量；

6、可动态调整永磁转子的周向位置，进一步优化振动及电压输出特性。

附图说明

图1示出了均布三转子永磁压电能量收集装置的结构；

图2示出了永磁压电能量收集装置的支承组件结构；

图3示出了永磁分组转子压电能量收集装置定子振动和电压计算模型；

图4示出了永磁径向对称转子压电能量收集装置定子振动和电压计算模型；

图5示出了均布四转子永磁压电能量收集装置的结构；

图6示出了均布八转子永磁压电能量收集装置的结构；

图7示出了径向对称四转子永磁压电能量收集装置的结构；

图8示出了径向对称六转子永磁压电能量收集装置的结构。

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描述。

为了克服现有压电发电技术的局限性，改进磁场耦合方式，抑制振动噪声，并且提高机电转换效率，本发明提出了一种永磁压电能量收集装置，并借鉴行星传动领域的研究思路，探讨定子组件的磁钢个数、转子组件的分布方式与振动及电压输出特性之间的关系，给出了拓扑构型优选技术，以更好地指导电机设计。

本发明提出的永磁压电能量收集装置，包括：筒形定子组件、多个圆柱形转子组件和支承组件。该电机利用永磁体之间产生的磁拉力挤压压电片发电。

一、电机结构

图1和2所示的永磁压电能量收集装置包括：筒形定子组件、多个圆柱形转子组件和支承组件。其中，筒形定子组件中的定子本体1050由硅钢制成，其内侧均布安装多个压电组件，该压电组件由磁钢1060和1070、压电片1080以及橡胶层1090组成；圆柱形转子组件为典型的永磁齿轮形式，其转子本体1020由硅钢制成，外侧均布安装第一磁钢1030和第二磁钢1040，最外层安装橡胶层1100；支承组件由支承1125、第一半圆T型槽构件1010和第二半圆T型槽构件1011组成，支承1125与第一半圆T型槽构件1010和第二半圆T型槽构件1011之间由螺栓1124连接。螺栓1124可沿T型槽滑动，到达预定优选位置后，由第一紧固螺母1120和第二紧固螺母1121紧固。螺栓1124上安装轴承1123，螺栓1124的两侧安装套筒1122，左侧套筒位于第二紧固螺母1121与左侧轴承之间，右侧套筒位于第一紧固螺母1120与右侧轴承之间。转子本体1020与轴承1123配合。转子组件可分组、径向对称或均布安装于支承组件上，可绕自身轴线旋转，同时绕定子几何形心公转。应当指出的是，定子侧相邻磁钢与转子侧相邻磁钢均反极性设置。

本永磁压电能量收集装置的具体工作过程为：在外力作用下，支承组件定轴旋转，使多个圆柱形转子绕支承组件中心旋转，同时定转子始终保持接触。在旋转过程中，定转子产生与机械齿轮相似的“啮合”作用，在磁拉力作用下挤压压电片，产生交变电压。应当指出的是，为了抑制有害振动，提高发电性能，应合理设计拓扑结构，同时恰当匹配基本参数，尤其是定子磁钢与转子个数。为了更好地说明本发明的有益效果，下面分析拓扑结构及参数组合对振动和电压输出特性的影响，并给出性能优化技术。

二、振动特性分析

本发明以图1所示永磁压电能量收集装置为例，探讨拓扑结构和基本参数对定子振动及电压输出特性的影响规律。

(1)永磁分组转子

图3为该装置的振动和电压计算模型，图中转子分为R组，每组有N_m个转子，定子磁钢个数为N_s。坐标系{O,r,θ}固结于转子支承组件，其原点位于该组件的几何形心，极轴穿过第一分组的第一个转子的几何形心。图中表示第i(i＝1，2，3，……R)分组内的第j(j＝1，2，3，……N_m)个转子。假定该转子与定子之间的磁拉力激起的第l阶谐波响应为

式中w和θ分别为振幅、波数和空间位置。该转子的机械位置及其与定子的作用力的相角分别为ψ_i,j＝ψ_i+(j-1)Δψ和式中ψ_i和分别为第i个转子的机械位置和相角，Δψ和分别为相邻分组对应转子之间的机械夹角和激励相位差。由于各转子分组均匀分布，其位置满足

ψ_i＝2π(i-1)/R           (2)

由于定子侧磁钢沿周向均匀分布，根据电机结构和受力的对称性可知磁拉力的相位满足

因此总响应为

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

根据三角函数的运算性质可得

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

式中N为任意整数，a和h均为实数。

根据电机的对称性可知 $A_{i,j}^l=A_{\mathrm{1,1}}^l(i=\mathrm{2,3,4},...,R,j=\mathrm{2,3,4},...,N_m),$ 式中为第一分组第一个转子所受磁拉力的第l阶谐波幅值。由式(1)～(5)可得

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

根据上述分析，可得如下结论：

1)若w+lN_s≠qR且w-lN_s≠qR，则

W^l＝0               (7)

2)若w+lN_s＝qR且w-lN_s≠qR，则

3)若w+lN_s≠qR且w-lN_s＝qR，则

4)若w+lN_s＝qR且w-lN_s＝qR，则

式(7)～(10)揭示了拓扑结构和基本参数对振动特性的影响，可调整转子组件的夹角Δψ、分组数R及个数N_m实现抑制刚体扭转振动和平移振动，同时激起柔体振动的有益效果。事实上，若w±lN_s≠qR，则抑制柔体振动；若w+lN_s＝qR且w-lN_s≠qR，则激起后行波响应；若w+lN_s≠qR且w-lN_s＝qR，则激起前行波响应；若w±lN_s＝qR，通常激起行波与驻波的混合响应。为了进一步提升性能，可调整式(8)～(10)中的系数I和II来改变振动响应幅值。

(2)永磁均布转子

若所有转子沿周向均匀分布，同时假设转子个数等于分组数R，并且N_m＝1，因此式(6)可写为

$W^l=\frac{1}{2}{A}_{\mathrm{1,1}}^l\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\cos (w+l{N}_s){\mathrm{\ψ}}_i\cos (\mathrm{w\θ}+l{N}_s\mathrm{\ωt})+\cos (w-l{N}_s){\mathrm{\ψ}}_i\cos (\mathrm{w\θ}-l{N}_s\mathrm{\ωt})---\left(11\right)$

因此

1)若w+lN_s≠qR且w-lN_s≠qR，则

W^l＝0                  (12)

2)若w+lN_s＝qR且w-lN_s≠qR，则

$W^l=\frac{1}{2}R{A}_{\mathrm{1,1}}^l\cos (\mathrm{w\θ}+l{N}_s\mathrm{\ωt})---\left(13\right)$

3)若w+lN_s≠qR且w-lN_s＝qR，则

$W^l=\frac{1}{2}R{A}_{\mathrm{1,1}}^l\cos (\mathrm{w\θ}-l{N}_s\mathrm{\ωt})---\left(14\right)$

4)若w+lN_s＝qR且w-lN_s＝qR，则

$W^l=R{A}_{\mathrm{1,1}}^l\cos w\mathrm{\θ}\cos l{N}_s\mathrm{\ωt}---\left(15\right)$

由上述分析可知，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若lN_s＝qR，则激起扭转振动和呼吸振动，同时激起l阶谐波电压；②若lN_s＝qR±1，则激起平移振动和波数为qR±1的柔体振动，同时抑制l阶谐波电压；③若为其它条件，则同时抑制扭转和平移振动，还激起其它波数的振动，并且抑制l阶谐波电压。

(3)永磁径向对称转子

根据式(6)可进一步分析径向对称这种特殊分组电机的振动规律。在径向对称情形下，两分组内的转子满足径向对称条件，其位置角满足Δψ＝π，因此有

$W^l=\underset{i}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{i,j}^l---\left(16\right)$

因此

$\begin{array}{c}{W}^l=A_{\mathrm{1,1}}^l[\underset{j=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\cos (w+l{N}_s){\mathrm{\ψ}}_i+\cos (w+l{N}_s)(\mathrm{\π}+{\mathrm{\ψ}}_i)]\cos \frac{(w+l{N}_s)\mathrm{\π}}{2}\cos \frac{(w+l{N}_s)\mathrm{\π}}{2}\cos (\mathrm{w\θ}+l{N}_s\mathrm{\ωt})+\\ A_{\mathrm{1,1}}^l[\underset{j=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\cos (w-l{N}_s){\mathrm{\ψ}}_i+\cos (w-l{N}_s)(\mathrm{\π}+{\mathrm{\ψ}}_i)]\cos \frac{(w-l{N}_s)\mathrm{\π}}{2}\cos \frac{(w-l{N}_s)\mathrm{\π}}{2}\cos (\mathrm{w\θ}-l{N}_s\mathrm{\ωt})\end{array}---\left(17\right)$

进一步分析可得

1)若w±lN_s为奇数，则

W^l＝0               (18)

2)若w±lN_s为偶数，则

应当指出的是，为了改变刚体振动及电压输出的波幅，可在满足径向对称分布的前提下，改变转子组件的位置，使式(19)中的三角求和项(IV)IV取适当值。

由于定子压电组件个数为偶数，因此w±lN_s的奇偶性由波数w确定，所以

1)若w为奇数，则

W^l＝0            (20)

2)若w为偶数，则

①若w±lN_s≠qN_m，则

W^l＝0            (21)

②若w+lN_s＝qN_m且w-lN_s≠qN_m，则

$W^l=2N_m{A}_{\mathrm{1,1}}^l\cos (\mathrm{w\θ}+l{N}_s\mathrm{\ωt})---\left(22\right)$

③若w+lN_s≠qN_m且w-lN_s＝qN_m，则

$W^l=2N_m{A}_{\mathrm{1,1}}^l\cos (\mathrm{w\θ}-l{N}_s\mathrm{\ωt})---\left(23\right)$

④若w+lN_s＝qN_m且w-lN_s＝qN_m，则

$W^l=2N_m{A}_{\mathrm{1,1}}^l\cos \mathrm{w\θ}\cos l{N}_s\mathrm{\ωt}---\left(24\right)$

转子组件径向对称分布仅能激起偶波数的振动。显然，分组对称设置使系统的构型选择更具灵活性，同时还拓宽了参数的优选范围，方便了工程设计。

上述结果给出了基本参数与振动特性之间的映射关系，可调整压电组件之间的夹角Δψ、分组数R、转子个数N_m及定子磁钢个数N_s，以改变并优化刚柔耦合振动效果。特别地，对于所有压电组件均布的情形，转子个数等于分组数R，并且N_m＝1，可得表1所述振动特性。事实上，若w＝0，则激起刚体扭转振动及呼吸振动模式；若w＝±1，则激起刚体平移振动及波数为1的柔体振动；若w＝±2,±3,±4,……，则抑制刚体振动，同时激起其它波数的柔体振动。其中，“+”和“-”分别表示正向及反向行波。比较可知，均布系统的刚柔耦合振动结果与机械式行星传动相同，但本发明还给出了更具一般性的分组对称构型的相应结论，还给出了磁钢夹角与振动特性之间的定量关系。

表1均布永磁压电发电装置振动特性

三、电压输出特性分析

在装置运转过程中，压电片将产生时变电压。假定第i个分组的第j个压电片的输出电压为

式中为第l阶谐波幅值，为相角，根据结构的对称性可知电压相位仍满足式(3)。(1)串联输出

若采用串联方式，总输出电压为

$V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{i,j}^l\left(t\right)---\left(26\right)$

根据式(5)、(25)和(26)，可得

$V\left(t\right)=F_{\mathrm{1,1}}^l\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\cos l{N}_s{\mathrm{\ψ}}_i\frac{\sin \frac{N_{m}l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}{\sin \frac{l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}\cos [l{N}_s\mathrm{\ωt}+\frac{(N_m-1)l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}]---\left(27\right)$

特别地，对于转子组件二分组的情形，因为lN_s必为偶数，所以必有

$V\left(t\right)={2F}_{\mathrm{1,1}}^l\cos l{N}_s{\mathrm{\ψ}}_i\frac{\sin \frac{N_{m}l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}{\sin \frac{l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}\cos [l{N}_s\mathrm{\ωt}+\frac{(N_m-1)l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}]---\left(28\right)$

对于完全均匀情形，有N_m＝1，由式(27)可得

$V\left(t\right)=F_{\mathrm{1,1}}^l\cos l{N}_s\mathrm{\ωt}\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\cos l{N}_s{\mathrm{\ψ}}_i---\left(29\right)$

若lN_s≠qR，则

V(t)＝0                 (30)

若lN_s＝qR，则

$V\left(t\right)=R{F}_{\mathrm{1,1}}^l\cos l{N}_s\mathrm{\ωt}---\left(31\right)$

(2)并联输出

并联时的总输出电压为

$V\left(t\right)=\frac{1}{R{N}_m}\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{i,j}^l\left(t\right)---\left(32\right)$

根据式(5)、(25)和(32)，可得

$V\left(t\right)=\frac{F_{\mathrm{1,1}}^l}{R{N}_m}\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\cos l{N}_s{\mathrm{\ψ}}_i\frac{\sin \frac{N_{m}l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}{\sin \frac{l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}\cos [l{N}_s\mathrm{\ωt}+\frac{(N_m-1)l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}]---\left(33\right)$

特别地，对于转子组件二分组的情形，有

$V\left(t\right)=\frac{2F_{\mathrm{1,1}}^l}{N_m}\cos l{N}_s{\mathrm{\ψ}}_1\frac{\sin \frac{N_{m}l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}{\sin \frac{l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}}\cos [l{N}_s\mathrm{\ωt}+\frac{(N_m-1)l{N}_s\mathrm{\Δ\ψ}}{2}]---\left(34\right)$

对于完全均布情形，式(33)变为

$V\left(t\right)=\frac{F_{\mathrm{1,1}}^l}{N_m}\cos l{N}_s\mathrm{\ωt}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\cos l{N}_s{\mathrm{\ψ}}_i---\left(35\right)$

若lN_s≠qN_m，则

V(t)＝0            (36)

若lN_s＝qN_m，则

$V\left(t\right)=\frac{F_{\mathrm{1,1}}^l}{N_m}\cos l{N}_s\mathrm{\ωt}---\left(37\right)$

四、振动及输出特性

根据上述分析，可得径向对称(二分组)及完全均布电机的转子个数及定子磁钢数与振动及电压输出特性的关系，如表2和3所述。若转子个数与定子磁钢数的公因子大于或等于2，则均布系统不存在平移振动模式，由于定子磁极数为偶数，因此径向对称系统仅存在扭转振动模式。

表2径向对称永磁转子压电装置的机械振动及电压输出特性

表3均布永磁转子压电装置的机械振动及电压输出特性

实施例1：

本实施例的基本结构如图1和2所示，主要包括筒形定子组件、三个转子组件和支承组件。定子本体1050由硅钢制成，其内侧均布安装32个压电组件，该组件由磁钢1060和1070、压电片1080以及橡胶层1090组成；三个转子组件均匀安装于支承组件上，可绕自身轴线及支承组件中心旋转。转子本体1020也由硅钢制成，外侧均布安装第一磁钢1030和第二磁钢1040，外层安装橡胶层1100；支承组件由支承1125、第一半圆T型槽构件1010和第二半圆T型槽构件1011组成，其中，支承1125与半圆T型槽构件由螺栓1124连接。螺栓1124可沿T型槽滑动，并且由第一螺母1120和第二螺母1121紧固。螺栓1124上安装轴承1123，螺栓1124的两侧安装套筒1122，左侧套筒位于第二螺母1121与左侧轴承之间，右侧套筒位于第一螺母1120与右侧轴承之间。转子本体1020与轴承1123配合。本实施例的定子侧相邻磁钢与转子侧相邻磁钢均反极性设置。依据本发明，可得振动和电压输出特性，如表4所述(q'为非负整数)。磁拉力偶次谐波激起扭转振动模式，同时激起谐波电压。由于转子组件个数与定子压电组件个数互质，而且转子组件个数小于4，因此本实施例不存在定子受力平衡模式，仅能激起扭转和平移振动模式。尽管如此，该实施例的结构较简单，中心构件的受力基本平衡，可用于对振动和噪声不敏感的场合。

表4均布3转子32极定子振动及电压输出特性

实施例2：

图5示出了本实施例的基本结构，其基本结构与实施例1相同。不同之处在于该实施例安装了4个均匀分布的转子组件。根据本发明的理论推导，分析其振动和电压输出特性，可得表5所述结论。由于定子压电组件个数可以被转子组件个数整除，因此仅激起扭转振动模式，并且各压电组件的输出电压同相位，因此电压波动较大。应当指出提，该实施例的横向振动被完全抑制，但仍然存在较显著的扭转振动。

表5均布4转子32极定子振动及电压输出特性

实施例3：

图6示出了8转子组件32压电组件定子的实施例，其基本结构与实施例1相同。根据理论分析可得表6所述振动和电压输出特性。由于转子个数与定子磁极数的公因子为4，因此不存在平移振动模式，仅在某些谐波处激起扭转振动模式和转子振动模式。与实施例1相比，本实施例不存在横向振动，因此有利于抑制振动噪声。与实施例1和2相比，该实施例也不存在横向振动，由于增加了转子组件的个数，因此结构较复杂，但发电效率较高。

表6均布4转子32极定子振动及电压输出特性

实施例4：

图7示出了径向对称布置的4转子组件32压电组件的实施例。除了转子组件的拓扑构型之外，其它结构与实施例2相同。根据本发明的理论分析可得振动和电压输出特性，如表7所述。由于定子的压电组件个数为偶数，因此仅激起扭转振动模式，同时激起了相应谐波阶次的电压。为了改变刚体振动及电压输出的波幅，可在满足径向对称分布的前提下，改变转子组件的位置，使式(19)中的IV取适当值，因而该实施例的设计灵活性较大。

表7径向对称4转子32极定子振动及电压输出特性

实施例5：

图8示出了径向对称布置的6转子组件32定子压电组件的实施例。该实施例的基本结构与实施例4相同，不同之处仅在于转子组件的个数。根据本发明的理论推导，可得表8所述振动和电压输出特性。与实施例4相同，由于压电组件为偶数，因此仅激起扭转振动模式和相应谐波阶次的电压。但是，由于转子数量增多，发电效率得到显著提高。

表8径向对称6转子32极定子振动及电压输出特性

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。

本领域技术人员可以理解附图只是优选实施例示意，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 (8)

1.一种永磁压电能量收集装置，包括：定子组件、多个转子组件和支承组件，其特征在于，

所述定子组件的本体由硅钢制成，其内侧均布安装多个压电组件，所述压电组件由位于所述定子本体内侧的磁钢、压电片以及橡胶层组成，所述磁钢的相邻极性相反；

所述转子组件的本体也由硅钢制成，所述本体外侧均布安装第一磁钢和第二磁钢，最外层安装橡胶层；

所述支承组件由金属铝或其它非导磁材料制成，所述支承组件由支承、第一半圆T型槽构件和第二半圆T型槽构件组成，所述支承与所述第一半圆T型槽构件和所述第二半圆T型槽构件之间由螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件按周向对称形式分布于所述支承组件上，所述转子组件绕轴线自转，并且绕所述支承组件的几何形心公转，同时与所述定子组件保持纯滚动接触。

3.根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件按分组对称形式分布于所述支承组件上。

4.根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件按径向对称形式分布于所述支承组件上。

5.根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件按径向二分组形式分布于所述支承组件上。

6.根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件均匀分布时，所述永磁压电能量收集装置的振动和电压输出规律为：

(1)若lN_s＝qN_m，则激起扭转振动，柔体振动波数为lN_s，同时激起l阶谐波电压；

(2)若lN_s＝qN_m±1，则激起平移振动，柔体振动波数为lN_s±1，同时抑制l阶谐波电压；

(3)若为其它参数组合，则抑制刚体扭转及平移振动，同时激起其它波数的柔体振动，还将抑制l阶谐波电压。

7.根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述第一磁钢和所述第二磁钢所采用倾斜或分段设计。

8.根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述定子磁钢的内侧和所述转子磁钢的外侧采用相同的曲率设计。