CN106059387B - 一种径向拉压激励旋转式压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种径向拉压激励旋转式压电发电机，属压电发电领域。转子转轴置于主体底壁上、转盘置于主体腔内；端盖安装在主体侧壁端部，端盖上装有嵌有定磁铁的定子，定子置于盘腔内；压电振子基板两端固定在盘槽侧壁上、中间固定在施力杆轴肩上，施力杆内半轴端部装有动磁铁、外半轴上套有弹簧，轴肩将弹簧压在盘槽侧壁上；压电振子装配前为平直结构、安装后为弯曲结构；施力杆轴肩内外两侧压电振子构成内外发电单元，一个发电单元伸长量最大时另一发电单元缩短量达最大；优势特色：将平直压电振子安装成弯曲结构，形成径向伸缩式发电机，结构及工艺简单、成本低；压电晶片受范围可控的压应力，可靠性高；适于轴向空间小及径向尺度大的场合。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种径向拉压激励旋转式压电发电机，用于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、齿轮等旋转体或其轴承组件健康监测系统的供电需求，国内外学者已经提出了多种形式的旋转式压电发电机，其共同特点在于：(i)以单体的圆形或悬臂梁压电振子为能量转换器件，变形量无法控制；(ii)工作中压电体承受交变的拉-压应力作用；(iii)通过轴向激励迫使压电振子振动发电。因单体压电振子变形量无法控制、且压电材料许用拉应力远远低于其许用压应力，当变形量及所受压应力较大时脆性的压电体易破碎，系统可靠性低；此外，齿轮箱、列车轮对等大多产品的轴向空间有限，无法或不便安装激励机构、或无法满足压电振子轴向振动发电的空间需求。显然，现有旋转式压电发电在可靠性及环境的适应性方面还存在较大问题，不便进一步推广应用。
发明内容
针对现有旋转式压电发电在可靠性及环境的适应性方面所存在的问题，本发明提出一种径向拉压激励旋转式压电发电机。本发明采用的实施方案是：转子的转轴经轴承安装在主体底壁上，转子的转盘置于主体腔内，转盘上设有盘槽和盘腔，盘槽和盘腔经导孔连通；端盖经螺钉安装在主体侧壁的端部，端盖上经螺钉固定有定子，定子上镶嵌有定磁铁，定子上镶嵌有定磁铁的一端置于盘腔内；压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，金属基板的两端经螺钉和压块固定在盘槽的侧壁上、中间经螺钉和压块固定在施力杆轴肩上，施力杆轴肩将施力杆分成内半轴和外半轴，内半轴端部安装有动磁铁，动磁铁置于转子的导孔内；外半轴上套有平衡弹簧，轴肩将平衡弹簧压接在盘槽的侧壁上；压电振子装配前的自然状态下为平直结构、且其长度大于转子上盘槽的径向长度，安装后变为弯曲结构、且压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径；置于施力杆轴肩内外两侧的各压电振子分别构成内发电单元和外发电单元。
正常工作状态下，且当动磁铁与定磁铁之间距离最远、相互作用力最小时，施力杆在平衡弹簧的弹性力、动定磁铁间的磁力、及旋转运动引起的离心力作用下处于平衡状态，内外发电单元中压电振子的受力状态与安装后非工作时的状态相同，压电晶片所受压应力为其许 用值的一半；随着转子转动，动定磁铁间距离缩短、作用力增加，施力杆的平衡状态被破坏，内外发电单元中压电振子形状及压电晶片受力状态都将发生变化。当磁力增加使动定磁铁间距离减小时，内发电单元缩短、其内部压电晶片所受压应力增加，外发电单元伸长、其内部压电晶片所受压应力减小；反之，当磁力增加使动定磁铁间距离增加时，内发电单元伸长、其内部压电晶片所受压应力减小，外发电单元缩短、其内部压电晶片所受压应力增加；在上述内外发电单元交替伸长与缩短过程中，一个发电单元的缩短量受另一个发电单元伸长量的限制，即当一个发电单元伸长量最大、压电振子被拉平时，另一个发电单元的缩短量达到最大，可确保压电晶片始终承受合理的压应力，可靠性高。
优势与特色：①通过安装的方法将平直压电振子变成弯曲结构，形成沿旋转体径向伸缩振动的发电装置，结构及制作工艺简单、成本低；②压电晶片仅工作在压应力状态下、且压应力范围可控，可靠性高；③通过径向拉的方法压激励压电振子，适于轴向尺寸受限及径向尺寸较大的场合。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面图；
图2是图1的左视图；
图3是图1的A部放大图；
图4是本发明一个较佳实施例中压电振子安装前的结构示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中转子的结构示意图。
具体实施方式
转子k的转轴k1经轴承j安装在主体a的底壁a2上，转子k的转盘k2置于主体a的内腔a3内，转盘k2上设有盘槽k3和盘腔k4，盘槽k3和盘腔k4经导孔k5连通；端盖b经螺钉安装在主体a的侧壁a1的端部，端盖b上经螺钉固定有定子f，定子f上镶嵌有定磁铁g，定子f上镶嵌有定磁铁g的一端置于盘腔k4内；压电振子e由金属基板e1和压电晶片e2粘接而成，金属基板e1的两端经螺钉和压块i固定在盘槽k3的侧壁上、中间经螺钉和压块i固定在施力杆c的轴肩c1上，施力杆c的轴肩c1将施力杆c分成内半轴c2和外半轴c3，内半轴c2的端部安装有动磁铁h，动磁铁置于转子k的导孔k5内；外半轴c3上套有平衡弹簧d，轴肩c1将平衡弹簧d压接在盘槽k3的侧壁上；压电振子e装配前的自然状态下为平直结构、且其长度L1大于转子k上盘槽k3的径向长度L2，安装后变为弯曲结构、且压电晶片e2的曲率半径小于金属基板e1的曲率半径；置于施力杆c的轴肩c1内外两侧的各压电振子e分别构成内发电单元I和外发电单元II。
正常工作状态下，且当动磁铁h与定磁铁g之间距离最远、相互作用力最小时，施力杆c在平衡弹簧d的弹性力、动磁铁h与定磁铁g间的磁力、及旋转运动引起的离心力作用下处于平 衡状态，内发电单元I和外发电单元II中压电振子e的受力状态与安装后非工作时的状态相同，压电晶片e2所受的压应力为其许用值的一半；随着转子k转动，动磁铁h和定磁铁g间的距离缩短、作用力增加，施力杆c的平衡状态被破坏，内发电单元I和外发电单元II中压电振子e形状及压电晶片e2的受力状态都将发生变化。当磁力增加使动磁铁h和定磁铁g间距离减小时，内发电单元I缩短、其内部压电晶片e2所受压应力增加，外发电单元伸长、其内部压电晶片e2所受压应力减小；反之，当磁力增加使动磁铁h和定磁铁g间距离增加时，内发电单元I伸长、其内部压电晶片e2所受压应力减小，外发电单元II缩短、其内部压电晶片e2所受压应力增加；在上述内外发电单元I和II交替伸长与缩短过程中，一个发电单元的缩短量受另一个发电单元伸长量的限制，即当一个发电单元伸长量最大、压电振子e被拉平时，另一个发电单元的缩短量达到最大；故可确保压电晶片e2始终承受合理的压应力，可靠性高。
Claims (1)
1.一种径向拉压激励旋转式压电发电机，其特征在于：转子转轴经轴承安装在主体底壁，转子转盘置于主体腔内，转盘上设有盘槽和盘腔，盘槽和盘腔经导孔连通；端盖经螺钉安装在主体侧壁端部，端盖上固定有定子，定子上镶嵌有定磁铁，定子上镶嵌有定磁铁的一端置于盘腔内；压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，金属基板两端固定在盘槽的侧壁上、中间固定在施力杆轴肩上，施力杆轴肩将施力杆分成内半轴和外半轴，内半轴端部安装有动磁铁，动磁铁置于转子的导孔内；外半轴上套有平衡弹簧，轴肩将平衡弹簧压接在盘槽侧壁上；压电振子装配前为平直结构、且其长度大于转子上盘槽的径向长度，安装后变为弯曲结构、且压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径；置于施力杆轴肩内外两侧压电振子分别构成内发电单元和外发电单元，一个发电单元伸长量最大、压电振子被拉平时，另一个发电单元的缩短量达到最大。
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