CN106329996B - 一种压电-磁电复合式微发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电‑磁电复合式微发电机，主要由压电发电和磁电发电两部分复合而成，磁电部分采用单转子的盘式永磁微发电机结构，所述压电部分采用压电叠堆结构，磁电部分和压电部分共用同一圆筒形的发电机外壳；压电部分包括压电叠堆和顶螺；顶螺固定在发电机外壳下端，且位于磁电部分的下盖之下；顶螺与下盖之间所形成的空间内安装压电叠堆。当微发电机感受到冲击环境力时，压电发电部分工作；当微发电机感受到旋转惯性力时，磁电部分工作。本发明通过磁电压电复合发电的发电方式且磁电部分为惯性自旋转发电形式，具有结构简单、体积小、功率密度大、抗冲击能力强、激活时间短、充分利用环境力、可在密闭环境下使用等特点。

Description

一种压电-磁电复合式微发电机

技术领域

本发明涉及一种压电-磁电复合式微发电机，具体涉及一种冲击式压电与轴向磁场磁电复合式微发电机，属于能源开发技术领域。

背景技术

近年来微小型机电系统发展迅速，机电系统体积的缩小，要求能源供给装置也要小型化。微能源器件可分为两大类：微型化学电池和微发电机。微型化学电池目前存在的主要问题是自身携带能量有限，需要定期人为补充能量，自持力差。而微发电机则可以从环境中主动获取能量，属于自换能器，不需定期人为补充能量，同时自身无污染，因而有着良好的发展前景。

盘式永磁同步单相微发电机依靠风动涡轮转化风能获取环境能量，是一种高功率能量密度的能源器件。目前国内外此类微发电机均采用磁铁磁轭转动式，如英国伦敦帝国理工学院设计的轴流式气动微型涡轮发电系统、美国加州大学伯克利分校设计的可变磁阻微发电机、法国LEG的研究小组设计的平面微发电机、美国佐治亚理工学院和麻省理工学院的合作设计的微发电机，该类微发电机体积大、结构复杂、转化效率低，激活时间长。此外，在一些需要密闭的环境中，无法通过风动涡轮获取环境能量，该类发电机无法工作。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种冲击式压电与轴向磁场磁电复合式微发电机，该发电机结构简单、体积小、激活时间短、抗冲击能力强，可在密闭环境下工作。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

该压电-磁电复合式微发电机，包括压电部分和磁电部分；所述磁电部分采用盘式永磁微发电机结构，所述压电部分采用压电叠堆结构，磁电部分和压电部分共用同一圆筒形的发电机外壳；

所述压电部分由磁电部分的下盖、发电机外壳、压电叠堆和顶螺组成；顶螺固定在发电机外壳下端，且位于下盖之下；顶螺与下盖之间所形成的空间内安装压电叠堆，顶螺为压电叠堆提供轴向支撑，下盖依靠压电叠堆进行轴向支撑；

所述下盖与发电机外壳采用间隙配合，下盖可沿中心轴轴向滑动。

优选地，所述磁电部分包括中心轴和自上而下套装在中心轴上的上盖、上磁铁、下磁铁和下盖；其中，上盖和下盖通过轴承连接中心轴，上磁铁和下磁铁固定连接在中心轴上；该磁电部分还包括安装于发电机外壳内部且位于上磁铁和下磁铁之间的线圈；线圈的上下表面连接输出线。

优选地，所述发电机外壳为两端开口的筒形结构，发电机外壳上加工有等间距凹槽；所述线圈为具有中心孔的圆盘结构，线圈外径表面具有非连续等间距凸起；线圈通过其凸起安装在所述凹槽内。

优选地，所述线圈包括m层线圈，其中m为大于或等于2的偶数；每层线圈均为单相、同心式绕组平面环形线圈；每层线圈之间通过绝缘材料隔离。

优选地，每一层线圈均由多个外形为扇形的回形结构线圈围绕其轴心相邻排列而成，各个回形线圈相互串联。

优选地，所述上盖通过上轴承连接中心轴上端；所述上盖为具有二阶同轴阶梯通孔的圆柱形结构；所述二阶同轴阶梯通孔中，直径较大的同轴孔的孔深与所述上轴承相配合，用于放置上轴承，直径较小的同轴孔的孔径大于中心轴上端轴径。

优选地，所述下盖通过下轴承连接中心轴下端；所述下盖上端面具有同轴盲孔，同轴盲孔的孔深与下轴承相配合，用于放置下轴承。

优选地，所述下盖的下端面具有同轴圆柱凸起；所述顶螺为具有二阶同轴阶梯通孔的圆柱形结构；该二阶同轴阶梯通孔中，直径较小的同轴孔内表面与下盖下端面具有的同轴圆柱凸起的外径相接触，直径较大的同轴孔与下盖之间的空间容纳所述压电叠堆。

优选地，所述磁电部分进一步包括固定螺和定位套；所述中心轴为4段阶梯轴，自上而下依次命名为第一段、第二段、第三段和第四段，第二段的外径与定位套的内径过盈配合，第二段靠近第一段的一端加工有与固定螺配合的外螺纹，第三段轴径最大为轴肩；

所述第一段安装上盖；第四段安装下盖；第二段上自上而下依次安装固定螺、上磁铁、定位套和下磁铁，所述上磁铁依靠固定螺和定位套进行定位和夹紧，所述下磁铁依靠所述定位套和中心轴第四段的轴肩进行定位和加紧；中心轴的下端面与下盖相接触。

优选地，所述上磁铁的内孔和下磁铁的内孔均与中心轴存在间隙。

有益效果：

本发明所设计压电-磁电微发电机为冲击式压电与轴向磁场磁电复合式微发电机，采用自旋转形式进行磁电发电，该结构的发电机具有结构简单、体积小、功率密度大、抗冲击能力强、激活时间短、充分利用环境力、可在密闭环境下使用的优势。具体为：

(1)将下盖既作为发电机磁电部分的支撑结构，同时也作为发电机压电部分的质量块，感应轴向加速度变化，将微发电机轴向加速度转化为力施加到压电叠堆上，能够有效降低发电机的轴向结构尺寸。

(2)中心轴及定子所产生的轴向力都可通过下盖施加到压电叠堆上，即：中心轴、上下定子、下盖共同作为压电部分质量块，既可将能量充分利用，又有效降低发电机轴向尺寸，同时，也提高了发电机轴向抗冲击能力。

(3)发电机的顶螺与下盖在垂直受力方向上并无直接接触，其所受冲击力由压电叠堆来承受，将冲击力转化为电能的同时起到缓冲作用，既将能量充分利用，又提高了发电机的抗冲击能力。

(4)发电机压电部分具有快激活特性，故发电机整体激活时间减少。

(5)在本发明的微发电机中，发电机定子由发电机中心轴、定位套、固定螺共同支撑；转子为质量较小的线圈，这些设计都有助于提高发电机抗冲击的能力。

附图说明

图1为微发电机利用环境力工作示意图；

图2为本发明的压电-磁电复合式微发电机结构图。

图3为发电机外壳9立体结构示意图。

图4为线圈11的俯视图。

其中：1-中心轴、2-上轴承、3-固定螺、4-定位套、5-下轴承、6-压电叠堆、7-顶螺、8-上盖、9-发电机外壳、10-上磁铁、11-线圈、12-下磁铁、13-下盖。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种压电-磁电复合式微发电机，该微发电机由压电部分和磁电两部分组成，其工作原理如图1所示。

其中压电微发电机部分采用多层压电材料构成的压电叠堆结构。压电发电机具有快速的激活性能，因此具有激活时间短的优点。动力源为外界轴向冲击力，通过压电叠堆的压电效应转化为电能。

磁电发电机部分采用盘式永磁微发电机的结构。盘式永磁微发电机对比其他微发电机相比具有结构简单、体积小、重量轻、效率高和功率密度大等优点；简单紧凑的结构，可提高磁微发电机的抗冲击能力。动力源采用外部环境的旋转能，发电机外壳与外界接触，外部的旋转力矩带动定子和转子相对转动，从而使微发电机磁电部分工作，需注意的是要尽量保证旋转轴与发电机主轴同心。

本实施例所述压电-磁电复合式微发电机的具体结构如图2所示。发电机外壳9具体结构如图3所示。

磁电部分的外壳由上盖8、发电机外壳9上部、下盖13组成。磁电部分外壳内部包括中心轴1，中心轴1自上而下套装有上盖8、上磁铁10、下磁铁12和下盖13；其中，上盖8和下盖13通过轴承连接中心轴1，保证上下盖与中心轴之间可以转动；上磁铁10和下磁铁12固定连接在中心轴1上，从而与中心轴同步运动；该磁电部分还包括安装于发电机外壳9内部且位于上磁铁10和下磁铁12之间的线圈11，线圈11的上下表面连接输出线。

压电部分包括压电叠堆6和顶螺7；顶螺7通过螺纹连接固定在发电机外壳9下端，且位于磁电部分的下盖13之下；顶螺7与下盖13之间所形成的空间内安装压电叠堆6，顶螺7为压电叠堆6提供轴向支撑，下盖13依靠压电叠堆6进行轴向支撑。下盖13与发电机外壳9采用间隙配合，保证下盖13可沿中心轴1轴向滑动。

上述结构中，当发电机外壳受到环境力，或者中心轴受到转动力，使得发电机外壳和中心轴不同步转动，则产生切割磁力线运动，磁电发电。当受到轴向力，则由于下盖13可沿中心轴1轴向滑动，使得压电叠堆受到挤压，从而产生压电发电，实现了两种发电方式的结合。而且由于下盖既作为发电机磁电部分的支撑结构，同时也作为发电机压电部分的质量块，感应轴向加速度变化，将微发电机轴向加速度转化为力施加到压电叠堆上，能够有效降低发电机的轴向结构尺寸，使得本发明的发电机具有小型化特点。

下面结合图2对本发明优选实施例的各个部件的形状及其连接关系进行详细描述。

发电机外壳9为两端开口的筒形结构，其内壁为阶梯状，发电机外壳9的上下端部内径略大于其余部分，在下端内壁加工有螺纹，发电机外壳9上加工有等间距凹槽(见图3)，用于安放线圈11。该发电机外壳9与上盖8及下盖13共同构成发电机的磁电发电部分外壳，而与顶螺7与下盖13共同构成发电机压电发电部分外壳。

在磁电部分内部，安装有上磁铁、下磁铁和线圈。上磁铁(上磁轭)10为上磁铁与上磁轭通过强大的磁力相互吸引固结为一个整体，为发电机的上定子；下磁铁(下磁轭)12为下磁铁与下磁轭通过强大的磁力相互吸引固结为一个整体，为发电机的下定子；其中，上磁铁安装在上盖下表面与线圈上表面之间，但无接触；下磁铁安装在下盖上表面与线圈下表面之间，但无接触；上磁铁10和下磁铁12相对，从而在上、下两个磁铁之间建立轴向的稳定磁场。这里将上磁铁和下磁铁认为是定子，线圈认为是转子，但实际上，对于本方案来说，转子和定子是相对的而言的。

本实施例中，上磁铁依靠固定螺3、定位套4进行定位及夹紧；下磁铁依靠定位套4、中心轴1轴径最粗端轴肩进行定位及夹紧；固定螺3与中心轴1通过螺纹连接；定位套4与中心轴1为过盈配合。该种结构形式中磁铁由中心轴1、固定螺3、定位套4作为支撑，提高了发电机的抗冲击能力。

中心轴1为4段式的阶梯轴，自上而下依次命名为第一段、第二段、第三段和第四段。第一段和第四段的轴径最小，其直径与上轴承2、下轴承5内径相等，用于安装上轴承和下轴承，上轴承和下轴承分别安装上盖8和下盖13。第二段的外径小于上磁铁(上磁轭)10与下磁铁(下磁轭)12，与定位套4内孔径过盈配合，且第二段邻近第一段的一端加工有与固定螺3相配合的外螺纹；第二段下上而下依次安装固定螺3、上磁铁10、定位套4和下磁铁12，所述上磁铁10依靠固定螺3和定位套4进行定位和夹紧，所述下磁铁12依靠所述定位套4和中心轴1第四段的轴肩进行定位和加紧。上磁铁10和下磁铁12内孔与中心轴1存在间隙。第三段为轴径最大段，该段作为定位轴肩对下磁铁(下磁轭)12进行定位轴肩。中心轴1的下端面与下盖13相接触。

线圈11安装在发电机外壳9上，位于发电机外壳内部，且位于上定子与下定子之间；且线圈与上磁铁5和下磁铁6之间均有间隙。本实施例中线圈11为具有中心孔的圆盘形结构，如图4所示，线圈11外径表面具有非连续等间距凸起，与发电机筒状外壳上的凹槽配合；线圈11通过其凸起安装在发电机外壳的凹槽内，实现所述线圈与所述发电机外壳的安装。安装后，线圈11与发电机外壳径向固定，但轴向没有严格固定，线圈11可能沿凹槽有小范围的移动，这不会影响磁电的产生。

其中，线圈11包括m层线圈，其中m为大于等于2的偶数；每层线圈均为单相、同心式绕组平面环形线圈；每层线圈之间通过绝缘材料隔离。每一层线圈均由多个外形为扇形的回形结构线圈围绕其轴心相邻排列而成，各个回形线圈相互串联。线圈11的上表面和下表面各有一条输出线，该输出线在线圈11表面中心孔外围绕成平面环形结构。所述线圈11为发电机的转子。采用这种结构形式的线圈，可以有效利用线圈的表面积，增大线圈的包围面积，从而提高输出电压幅值和发电机的功率密度。同时，采用平面线圈可以减小轴向尺寸、增大线圈工作处磁感应强度，达到减小体积和提高输出电压的目的；采用单相线圈形式有助于减小因整流造成的能量损失，可简化整流电路，结构简单，适合平面加工、成品率高。各个回形线圈相互串联，可产生较大的输出电压。

上盖8为具有二阶同轴阶梯通孔的圆柱形结构。二阶同轴阶梯通孔中，直径较大的同轴孔自上盖8的上端面起始，其孔深略大于所述上轴承2厚度，用于放置上轴承2。直径较小的同轴孔孔径略大于中心轴上端轴径并贯穿至上盖8下端面。

下盖13为具有同轴阶梯状圆柱凸起的圆柱形结构，且上端面具有同轴盲孔，同轴盲孔的孔深略大于下轴承5厚度，用于放置下轴承5。下盖13的下端面具有同轴圆柱凸起。

顶螺7与发电机外壳9相接触部分加工有外螺纹，发电机外壳9相应部分加工有内螺纹。顶螺7为具有二阶同轴阶梯孔的圆柱形结构，其直径较大孔自其上端面始，用于放置压电叠堆6；其直径较小孔贯穿至顶螺7的下端面，且该孔内表面与下盖下端面具有的同轴圆柱凸起的外径相接触。

压电叠堆6位于下盖13与顶螺7之间，顶螺7为压电叠堆6提供轴向支撑，下盖13依靠压电叠堆6进行轴向支撑。压电叠堆6由多层压电片及电极交替构成，电极端部连有导线，将电能引出。

下盖13、中心轴1、上磁铁10、下磁铁12共同作为压电发电部分的质量块感应轴向加速度变化，将微发电机轴向加速度转化为力施加到压电叠堆6上，压电叠堆6上产生电能；同时，下盖13也作为发电机磁电部分的支撑结构，减小了微发电机的尺寸。

该微发电机的工作原理为：当微发电机受到轴向冲击力时，微发电机压电部分工作，冲击力产生的轴向加速度，经微发电机的下盖13、中心轴1、上磁铁、下磁铁转化为后坐力施加到压电叠堆上，压电叠堆发生变形，经压电材料的压电效应转化为电能，经压电叠堆的电极上的导线引出。

当微发电机受到收到旋转惯性力作用时，旋转惯性力带动发电机外壳旋转，转子与发电机外壳同步旋转；由于上下磁铁即定子与主轴固定连接，但主轴与外壳通过轴承连接，由于轴承内外圈所受到惯性加速度大小不同，故轴承内外圈存在相对运动，因此，定子与转子不能立刻达到同步旋转状态，转子相对于上、下定子发生转动；在线圈上单个回形线圈所包围面积中的磁通量发生周期性的改变，在回形线圈中会产生感应电动势；并由线圈11的两条输出线引出；发电过程中，定子转速滞后于转子，但定子做加速旋转运动，直至转速与转子一致，磁通量不再发生变化，发电结束。

本发明的发电机在保持原有轴向磁场磁电发电机的优点的基础上，利用微发电机的自旋转进行发电，同时结合压电发电机快激活的特点，提高了发电机的激活速度，更加充分的利用环境力，并保证了在密闭环境下微发电机仍可工作；此外，在相同的发电能力下，可进一步简化结构、提高抗冲击能力、减小轴向尺寸、降低成本。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (9)

1.一种压电-磁电复合式微发电机，其特征在于，包括压电部分和磁电部分；所述磁电部分采用盘式永磁微发电机结构，所述压电部分采用压电叠堆结构，磁电部分和压电部分共用同一圆筒形的发电机外壳(9)；

所述压电部分由磁电部分的下盖(13)、发电机外壳(9)、压电叠堆(6)和顶螺(7)组成；顶螺(7)固定在发电机外壳(9)下端，且位于下盖(13)之下；顶螺(7)与下盖(13)之间所形成的空间内安装压电叠堆(6)，顶螺(7)为压电叠堆(6)提供轴向支撑，下盖(13)依靠压电叠堆(6)进行轴向支撑；

所述下盖(13)与发电机外壳(9)采用间隙配合，下盖(13)可沿中心轴(1)轴向滑动；

所述磁电部分包括中心轴(1)和自上而下套装在中心轴上的上盖(8)、上磁铁(10)、下磁铁(12)和下盖(13)；其中，上盖(8)和下盖(13)通过轴承连接中心轴(1)，上磁铁(10)和下磁铁(12)固定连接在中心轴(1)上；该磁电部分还包括安装于发电机外壳(9)内部且位于上磁铁(10)和下磁铁(12)之间的线圈(11)；线圈(11)的上下表面连接输出线。

2.如权利要求1所述的压电-磁电复合式微发电机，其特征在于，所述发电机外壳(9)为两端开口的筒形结构，发电机外壳上加工有等间距凹槽；所述线圈(11)为具有中心孔的圆盘结构，线圈(11)外径表面具有非连续等间距凸起；线圈(11)通过其凸起安装在所述凹槽内。

3.如权利要求2所述的压电-磁电复合式微发电机，其特征在于，所述线圈(11)包括m层线圈，其中m为大于或等于2的偶数；每层线圈均为单相、同心式绕组平面环形线圈；每层线圈之间通过绝缘材料隔离。

4.如权利要求3所述的压电-磁电复合式微发电机，其特征在于，每一层线圈均由多个外形为扇形的回形结构线圈围绕其轴心相邻排列而成，各个回形线圈相互串联。

5.如权利要求1所述的压电-磁电复合式微发电机，其特征在于，所述上盖(8)通过上轴承(2)连接中心轴(1)上端；所述上盖(8)为具有二阶同轴阶梯通孔的圆柱形结构；所述二阶同轴阶梯通孔中，直径较大的同轴孔的孔深与所述上轴承(2)相配合，用于放置上轴承(2)，直径较小的同轴孔的孔径大于中心轴(1)上端轴径。

6.如权利要求1所述的压电-磁电复合式微发电机，其特征在于，所述下盖(13)通过下轴承(5)连接中心轴(1)下端；所述下盖(13)上端面具有同轴盲孔，同轴盲孔的孔深与下轴承(5)相配合，用于放置下轴承(5)。

7.如权利要求1所述的压电-磁电复合式微发电机，其特征在于，所述下盖(13)的下端面具有同轴圆柱凸起；所述顶螺(7)为具有二阶同轴阶梯通孔的圆柱形结构；该二阶同轴阶梯通孔中，直径较小的同轴孔内表面与下盖下端面具有的同轴圆柱凸起的外径相接触，直径较大的同轴孔与下盖(13)之间的空间容纳所述压电叠堆(6)。

8.如权利要求1所述的压电-磁电复合式微发电机，其特征在于，所述磁电部分进一步包括固定螺(3)和定位套(4)；所述中心轴(1)为4段阶梯轴，自上而下依次命名为第一段、第二段、第三段和第四段，第二段的外径与定位套(4)的内径过盈配合，第二段靠近第一段的一端加工有与固定螺(3)配合的外螺纹，第三段为轴径最大的轴肩；

所述第一段安装上盖(8)；第四段安装下盖(13)；第二段自上而下依次安装固定螺(3)、上磁铁(10)、定位套(4)和下磁铁(12)，所述上磁铁(10)依靠固定螺(3)和定位套(4)进行定位和夹紧，所述下磁铁(12)依靠所述定位套(4)和中心轴(1)第三段的轴肩进行定位和加紧；中心轴(1)的下端面与下盖(13)相接触。

9.如权利要求8所述的压电-磁电复合式微发电机，其特征在于，所述上磁铁(10)的内孔和下磁铁(12)的内孔均与中心轴(1)存在间隙。