CN107395047B - 一种旋磁径向拉压激励的压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋磁径向拉压激励的压电发电机，属压电发电技术领域。端盖装在壳体的筒壁端部，端盖及壳体底壁上都装有限位磁铁；筒壁凸台上装有两组换能器，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；换能器自由端压电片的一侧装有被激磁铁，被激磁铁与其相邻限位磁铁的同性磁极相对安装，两组被激磁铁同性磁极相对安装；主轴左右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，主轴圆周上均布地嵌有激励磁铁一和二，激励磁铁一和二间隔地配置，激励磁铁一和二都以两组换能器固定端的接触面为轴向对称中心布置；激励磁铁一与被激磁铁间为吸引力，激励磁铁二与被激磁铁间为排斥力。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种旋磁径向拉压激励的压电发电机，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
本发明提出一种旋磁径向拉压激励的压电发电机，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铁；筒壁凸台上经螺钉和压环安装有两组换能器，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；换能器自由端压电片的一侧经螺钉安装有被激磁铁，被激磁铁与其相邻的限位磁铁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；主轴的左右两端经轴承分别安装在端盖和壳体底壁上，主轴的一端经壳体底壁伸出，主轴的圆周上均布地镶嵌有激励磁铁一和激励磁铁二，激励磁铁一和激励磁铁二间隔地配置，激励磁铁一和激励磁铁二都以两组换能器固定端的接触面为轴向对称中心布置；激励磁铁一与被激磁铁间的作用力为吸引力，激励磁铁二与被激磁铁间的作用力为排斥力。
本发明中，换能器的形状为扇形或矩形，且安装前为平直结构；被激磁铁不受激励磁铁一和激励磁铁二作用时，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铁上时，压电片上所承受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；换能器为长方形时的变形量许用值为
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为换能器的长度。
被激磁铁不受激励磁铁一和激励磁铁二作用时，两组换能器的变形和受力状态分别相同；工作时，主轴与激励磁铁一和激励磁铁二一起转动，从而使激励磁铁一和激励磁铁二与被激磁铁间的距离及相互作用力交替地增加与减小；激励磁铁一与被激磁铁逐渐转近时，换能器变形量及压电片上的压应力减小，激励磁铁一逐渐转远时换能器变形量及压电片上的压应力逐渐增加；激励磁铁二与被激磁铁逐渐转近时，换能器变形量及压电片上的压应力增加，激励磁铁二逐渐转远时换能器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的过程中，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，限位磁铁与被激磁铁之间的排斥力具有缓冲和阻尼作用，限位磁铁与被激磁铁相互接触时换能器的变形量小于其许用值。
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是换能器为矩形结构时图1的A-A剖视图；
图3是换能器为扇形结构时图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铁c；筒壁凸台b3上经螺钉和压环d安装有两组换能器e，换能器e由基板e1和压电片e2粘接而成，两组换能器e对称安装且其基板e1相互接触；换能器e自由端压电片e2的一侧经螺钉安装有被激磁铁f，被激磁铁f与其相邻的限位磁铁c的同性磁极相对安装，两组被激磁铁f的同性磁极相对安装且其间的排斥力使换能器e产生弯曲变形；主轴g的左右两端经轴承h分别安装在端盖a和壳体底壁b2上，主轴g的一端经壳体底壁b2伸出，主轴g的圆周上均布地镶嵌有激励磁铁一i和激励磁铁二j，激励磁铁一i和激励磁铁二j间隔地配置，激励磁铁一i和激励磁铁二j都以两组换能器e固定端的接触面为轴向对称中心布置；激励磁铁一i与被激磁铁f间的作用力为吸引力，激励磁铁二j与被激磁铁f间的作用力为排斥力。
本发明中，换能器e的形状为扇形或矩形，且安装前为平直结构；被激磁铁环受激励磁铁一i和激励磁铁二j作用时，换能器e自由端变形量为其许用值的一半；换能器e受外力作用使被激磁铁f顶靠在与其相邻的限位磁铁c上时，压电片e2上所承受的最大压应力小于其许用值、换能器e自由端变形量小于其许用值；换能器e为长方形时的变形量许用值为
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e1厚度和换能器e的总厚度，Em和Ep分别为基板e1和压电片e2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e的长度。
被激磁铁环受激励磁铁一i和激励磁铁二j作用时，两组换能器e的变形和受力状态分别相同；工作时，主轴g与激励磁铁一i和激励磁铁二j一起转动，从而使激励磁铁一i和激励磁铁二j与被激磁铁f间的距离及相互作用力交替地增加与减小；激励磁铁一i与被激磁铁f逐渐转近时，换能器e的变形量及压电片e2上的压应力减小，激励磁铁一i逐渐转远时换能器e变形量及压电片e2上的压应力逐渐增加；激励磁铁二j与被激磁铁f逐渐转近时，换能器e的变形量及压电片e2上的压应力增加，激励磁铁二j逐渐转远时换能器e的变形量及压电片e2上的压应力逐渐降低；随主轴g连续转动，压电片e2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e的变形量减小的过程中，两组换能器e的基板e1自固定端开始逐渐相互接触，从而避免换能器e产生使压电片e2出现拉应力的反向变形；换能器e的单向变形量较大时，限位磁铁c与被激磁铁f之间的排斥力具有缓冲和阻尼作用，限位磁铁c与被激磁铁f相互接触时换能器e的变形量小于其许用值。
Claims (1)
1.一种旋磁径向拉压激励的压电发电机，其特征在于：端盖装在壳体的筒壁端部，端盖及壳体底壁上都装有限位磁铁；筒壁凸台上装有两组换能器，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；换能器自由端压电片的一侧装有被激磁铁，被激磁铁与其相邻限位磁铁的同性磁极相对安装，两组被激磁铁同性磁极相对安装；主轴左右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，主轴圆周上均布地嵌有激励磁铁一和激励磁铁二，激励磁铁一和激励磁铁二间隔地配置，激励磁铁一和激励磁铁二都以两组换能器的固定端相互接触的接触面为轴向对称中心布置；激励磁铁一与被激磁铁间为吸引力，激励磁铁二与被激磁铁间为排斥力；换能器安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，被激磁铁不受激励磁铁一和激励磁铁二作用时，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铁上时，换能器自由端变形量小于其许用值。
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