CN107359815A - 一种径向拉压激励的旋转压电发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种径向拉压激励的旋转压电发电机，属压电发电技术领域。端盖安装在壳体的筒壁端部，端盖及壳体底壁上都安装有限位磁环；筒壁内侧均布地安装有激励磁铁一和二，激励磁铁一和二间隔地配置；主轴两端经轴承分别安装在端盖和壳体底壁上，主轴一端经壳体底壁伸出；主轴轴肩的圆周方向上均布地安装有两组换能器，换能器由基板和压电片粘接而成，两组换能器对称安装且其基板相互接触；换能器自由端安装有被激磁铁，被激磁铁置于压电片的一侧，被激磁铁与其相邻限位磁环的同性磁极相对安装，两组被激磁铁的同性磁极相对安装且其间的排斥力使换能器产生弯曲变形；被激磁铁与激励磁铁一间为吸引力，被激磁铁与激励磁铁二间为排斥力。

Description

一种径向拉压激励的旋转压电发电机
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的旋转压电发电机，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激励压电发电机，其共同特点在于：以单体的换能器为能量转换器件，变形量无法控制，且工作中压电材料承受交变的拉-压应力作用。由于单体换能器变形量无法控制、且压电陶瓷材料的许用拉应力远远低于其许用压应力，故当换能器变形量及压电材料所受压应力较大时脆性的压电材料易破碎、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，无法或不便安装轴向激励机构、或无法满足换能器轴向振动发电的空间需求。可见，现有旋转激励压电发电在可靠性及环境的适应性方面还存在较大问题，严重地阻碍了其推广应用。
发明内容
本发明提出一种径向拉压激励的旋转压电发电机，本发明采用的实施方案是：端盖经螺钉安装在壳体的筒壁端部，端盖及壳体底壁上都通过螺钉安装有限位磁环；筒壁内侧经螺钉均布地安装有激励磁铁一和二，激励磁铁一和二间隔地配置；主轴两端经轴承分别安装在端盖和壳体底壁上，主轴一端经壳体底壁伸出；主轴轴肩的圆周方向上经螺钉和压环均布地安装有两组换能器，换能器由基板和压电片粘接而成，两组换能器对称安装且其基板相互接触；换能器自由端经螺钉安装有被激磁铁，被激磁铁置于压电片的一侧，被激磁铁与其相邻限位磁环的同性磁极相对安装，两组被激磁铁的同性磁极相对安装且其间的排斥力使换能器产生弯曲变形；两组换能器固定端基板的接触面即为激励磁铁一和二的轴向对称中介面，被激磁铁与激励磁铁一间的作用力为吸引力，被激磁铁与激励磁铁二间的作用力为排斥力。
被激磁铁不受激励磁铁一和二作用时，两组换能器的变形和受力状态分别相同；工作时，被激磁铁随主轴一起转动，从而使激励磁铁一和二与被激磁铁间的距离及相互作用力交替地增加与减小；被激磁铁与激励磁铁一逐渐转近时，换能器变形量及压电片上的压应力减小，被激磁铁逐渐转远时换能器变形量及压电片上的压应力逐渐增加；被激磁铁与激励磁铁二逐渐转近时，换能器变形量及压电片上的压应力增加，被激磁铁逐渐转远时换能器的变形量及压电片上的压应力逐渐降低；随主轴连续转动，压电片上压应力交替地增加与减小，从而将机械能转换成电能；在换能器变形量减小过程中，两组换能器的基板自固定端开始逐渐相互接触，从而避免换能器产生使压电片出现拉应力的反向变形；换能器的单向变形量较大时，限位磁环与被激磁铁之间的排斥力具有缓冲和阻尼作用，限位磁环与被激磁铁相互接触时换能器的变形量小于其许用值。
本发明中，换能器安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；主轴在额定转速下且被激磁铁不受激励磁铁一和二作用时，换能器自由端变形量为其许用值的一半；换能器受外力作用使被激磁铁顶靠在与其相邻的限位磁环上时，压电片上的最大压应力小于其许用值、换能器自由端变形量小于其许用值；换能器自由端变形量的许用值按下式计算，即其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板厚度和换能器总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器长度。
优势与特色：通过安装的方法将平直换能器变成弯曲结构，通过两组换能器相互限位实现单向弯曲变形，结构及制作工艺简单、成本低；工作中压电片仅承受压应力且压应力范围可控，可靠性高。
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A-A剖视图。
具体实施方式
端盖a经螺钉安装在壳体b的筒壁b1端部，端盖a及壳体底壁b2上都通过螺钉安装有限位磁环c；筒壁b1的内侧经螺钉均布地安装有激励磁铁一d和激励磁铁二e，激励磁铁一d和激励磁铁二e间隔地配置；主轴f的两端经轴承g分别安装在端盖a和壳体底壁b2上，主轴f的一端经壳体底壁b2伸出；主轴轴肩f1的圆周方向上经螺钉和压环h均布地安装有两组换能器i，换能器i由基板i1和压电片i2粘接而成，两组换能器i对称安装且其基板i1相互接触；换能器i自由端经螺钉安装有被激磁铁j，被激磁铁j置于压电片i2的一侧，被激磁铁j与其相邻的限位磁环c的同性磁极相对安装，两组被激磁铁j的同性磁极相对安装且其间的排斥力使换能器i产生弯曲变形；两组换能器i固定端的基板i1的接触面即为激励磁铁一d及激励磁铁二e的轴向对称中介面，被激磁铁j与激励磁铁一d间的作用力为吸引力，被激磁铁j与激励磁铁二e间的作用力为排斥力。
被激磁铁j不受激励磁铁一d和激励磁铁二e作用时，两组换能器i的变形和受力状态分别相同；工作时，被激磁铁j随主轴f一起转动，从而使激励磁铁一d和激励磁铁二e与被激磁铁j间的距离及相互作用力交替地增加与减小；被激磁铁j与激励磁铁一d逐渐转近时，换能器i的变形量及压电片i2上的压应力减小，被激磁铁j逐渐转远时换能器i变形量及压电片i2上的压应力逐渐增加；被激磁铁j与激励磁铁二e逐渐转近时，换能器i的变形量及压电片i2上的压应力增加，被激磁铁j逐渐转远时换能器i的变形量及压电片i2上的压应力逐渐降低；随主轴f连续转动，压电片i2上压应力交替地增加与减小，从而将机械能转换成电能；在换能器i的变形量减小的过程中，两组换能器i的基板i1自固定端开始逐渐相互接触，从而避免换能器i产生使压电片i2出现拉应力的反向变形；换能器i的单向变形量较大时，限位磁环c与被激磁铁j之间的排斥力具有缓冲和阻尼作用，限位磁环c与被激磁铁j相互接触时换能器i的变形量小于其许用值。
本发明中，换能器i安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；主轴f在额定转速下且被激磁铁j不受激励磁铁一d和激励磁铁二e作用时，换能器i自由端变形量为其许用值的一半；换能器i受外力作用使被激磁铁j顶靠在与其相邻的限位磁环c上时，压电片i2上的最大压应力小于其许用值、换能器i自由端变形量小于其许用值；换能器i自由端变形量的许用值按下式计算，即其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板i1厚度和换能器i的总厚度，Em和Ep分别为基板i1和压电片i2的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器i的长度。

Claims (1)

1.一种径向拉压激励的旋转压电发电机，其特征在于：端盖安装在壳体的筒壁端部，端盖及壳体底壁上都安装有限位磁环；筒壁内侧均布地安装有激励磁铁一和二，激励磁铁一和二间隔地配置；主轴两端经轴承分别安装在端盖和壳体底壁上，主轴一端经壳体底壁伸出；主轴轴肩的圆周方向上均布地安装有两组换能器，换能器由基板和压电片粘接而成，两组换能器对称安装且其基板相互接触；换能器自由端安装有被激磁铁，被激磁铁置于压电片的一侧，被激磁铁与其相邻限位磁环的同性磁极相对安装，两组被激磁铁的同性磁极相对安装且其间的排斥力使换能器产生弯曲变形；两组换能器固定端基板的接触面即为激励磁铁一和二的轴向对称中介面，被激磁铁与激励磁铁一间的作用力为吸引力，被激磁铁与激励磁铁二间的作用力为排斥力；换能器安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；主轴在额定转速下且被激磁铁不受激励磁铁一和二作用时，换能器自由端变形量为其许用值的一半；换能器受外力作用使被激磁铁顶靠在与其相邻的限位磁环上时，压电片上的最大压应力小于其许用值、换能器自由端变形量小于其许用值。
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