CN109756152B - 一种变频式旋磁激励压电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频式旋磁激励压电发电机，属压电发电技术领域。旋转轴装在底壳上，端部装有转盘，转盘上嵌有动磁铁；壳体左端装有顶盖，右端装在底壳上；壳体内侧设有凸环、连接块及限位槽；压电振子两端分别装在凸环与连接块上；定磁铁装在压电振子上，且与动磁铁的异性磁极相对安装；顶盖中心设有螺纹孔，调节螺栓经由螺纹孔伸入壳体，右侧端部装有卡位板；卡位板伸入加载环的凹槽并经由压板限位；加载环由同心环与腹板组成，腹板数量与压电振子相同，且相互正对；每条腹板上设有两个顶条，顶向压电振子的近固定端；当调节螺栓调至左极限位置，顶条与压电振子接触但无作用力；调至右极限位置，压电振子工作在其最大许用压应力之内。

Description

一种变频式旋磁激励压电发电机

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种变频式旋磁激励压电发电机。

背景技术

随着微功率无线传感器和分布式传感技术在健康监测、航天航空与程序控制系统等领域中的普及，作为其主要供能方式的化学电池所带来的环境污染问题变得不容忽视。为此，回收自然环境中振动能、人体运动能、旋转动能和流体能等能量的微小型发电机在国内外广受青睐。旋转式压电发电机是回收旋转体动能的重要方法之一，其实现能量回收的主要方式大致有惯性激励、拨动激励、冲击激励以及旋磁激励，其中旋磁激励由于无冲击、低噪声、安全性相对较高，而在近年来倍受关注。旋磁激励虽很大程度上解决了冲击与噪声的问题，但依然无法避免不同工作环境下激励频率与发电机固有频率不匹配导致的发电效率低下的问题。为了便于适应不同激励频率下的工作环境，可调频概念被提出，如中国专利201210592977.8、201310211521.7分别通过电控方式与引入非线性力进行调频，但前者的调频能力低下，而后者由于磁力的非线性作用，故不易精确控制；此外，两者都采用了悬臂梁式压电振子作为发电单元，故工作过程中容易损毁，安全性较差。

发明内容

针对现有旋转式压电发电机所存在的问题，本发明提出一种变频式旋磁激励压电发电机，本发明采用的实施方案是：旋转轴经轴承安装在底壳上，端部通过螺钉安装有转盘，转盘一端压接在轴承的内圈上，另一端端面上均布地镶嵌有动磁铁，且各动磁铁间磁极方向相同；壳体左端经螺钉装有顶盖，右端的法兰端经螺钉安装在底壳上；壳体内侧设有凸环与连接块及限位槽，连接块位于壳体的中心轴线上，凸环与连接块之间经由壳体腹板相连；凸环上经螺钉与大压环、连接块上经螺钉与小压环分别固定压电振子的两端；压电振子由金属基板与压电晶片粘结而成，金属基板靠近转盘安装；定磁铁经螺钉安装在压电振子上，且与动磁铁的异性磁极相对安装；顶盖的中心设有螺纹孔，安装有锁紧螺母的调节螺栓经由螺纹孔伸入壳体，右侧端部经螺钉安装有卡位板；卡位板伸入加载环中心的凹槽中，并经由压板限位，压板经螺钉安装在加载环上；加载环由多个同心环与腹板组成，腹板沿加载环径向伸入限位槽中，且数量与压电振子数量相同，并相互正对；每条腹板上设有两个顶条，顶向压电振子的近固定端；当调节螺栓向左调至极限位置时，压板顶靠在顶盖上，此时顶条与压电振子接触但无作用力，此为发电机工作的初始状态；当调节螺栓向右调至极限位置时，腹板端部顶靠在限位槽的终点，此时压电振子仍工作在其最大许用压应力之内。

工作时，旋转轴带动转盘转动，动磁铁也随之转动，而安装在压电振子上的定磁铁相对静止；当动磁铁靠近定磁铁时，动、定磁铁间产生吸引力，从而使压电振子沿旋转轴的轴线方向向右弯曲变形，当动磁铁远离定磁铁时，由于金属基板的弹性恢复力压电振子逐渐恢复变形；动磁铁与定磁铁间作用力的交替变化即构成了压电振子的往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

本发明中，发电机的固有频率可根据不同工作环境对应调整，以便获得更高的发电效率，方法为：松开锁紧螺母，旋转调节螺栓至理想位置并重新锁紧。调节原理为：当压电振子受顶条顶压时，压电振子在与顶条的接触点处张力变大，并在接触点处形成简支边界；将张力分解为垂直方向的端部拉力与水平方向的横向力，则可视为在新的简支边界中压电振子受端部拉力的拉伸作用，其弯曲刚度及固有频率增加，固有频率为：

其中，f_F为端部拉力作用下发电机的固有频率；F为端部拉力；E为压电振子的杨氏模量；I为压电振子的惯性矩；l为压电振子的长度；m_e为压电振子的等效质量。端部拉力作用下发电机的固有频率与其初始状态下的固有频率的比值α与F的关系如图6所示。

优势与特色：①发电机固有频率可根据旋转体的转速与驱动能力及其它参数值进行调整，激励频率低于发电机固有频率时无谐振峰，故可有效增加频带宽度、发电量及可靠性；②无需更改发电机结构及其它系统参数即可实现各压电振子的同步调节，调频方法便捷、有效。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中壳体的结构示意图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是本发明一个较佳实施例中加载环的结构示意图；

图6是本发明中发电机的固有频率调节能力与端部拉力的关系图。

具体实施方式

旋转轴a经轴承b安装在底壳c上，端部通过螺钉安装有转盘d，转盘d的一端压接在轴承b的内圈上，另一端端面上均布地镶嵌有动磁铁e，且各动磁铁e间磁极方向相同；壳体f的左端经螺钉安装有顶盖g，右端的法兰端经螺钉安装在底壳c上；壳体f的内侧设有凸环f1、连接块f3及限位槽f4，连接块f3位于壳体f的中心轴线上，凸环f1与连接块f3之间经由壳体腹板f2相连；凸环f1上经螺钉与大压环h、连接块f3上经螺钉与小压环j分别固定压电振子k的两端；压电振子k由金属基板k1与压电晶片k2粘结而成，金属基板k1靠近转盘d安装；定磁铁m经螺钉安装在压电振子k上，且与动磁铁e的异性磁极相对安装；顶盖g的中心设有螺纹孔，安装有锁紧螺母n的调节螺栓p经由螺纹孔伸入壳体f，右侧端部经螺钉安装有卡位板q；卡位板q伸入加载环r中心的凹槽中，并经由压板s限位，压板s经螺钉安装在加载环r上；加载环r由多个同心环r1与腹板r2组成，腹板r2沿加载环r径向伸入限位槽f4中，且数量与压电振子k数量相同，并相互正对；每条腹板r2上设有两个顶条r3，顶向压电振子k的近固定端；当调节螺栓p向左调至极限位置时，压板s顶靠在顶盖g上，此时顶条r4与压电振子k接触但无作用力，此为发电机工作的初始状态；当调节螺栓p向右调至极限位置时，腹板r2端部顶靠在限位槽f4的终点，此时压电振子k仍工作在其最大许用压应力之内。

工作时，旋转轴a带动转盘d转动，动磁铁e也随之转动，而安装在压电振子k上的定磁铁m相对静止；当动磁铁e靠近定磁铁m时，动磁铁e、定磁铁m间产生吸引力，从而使压电振子k沿旋转轴a的轴线方向向右弯曲变形，当动磁铁e远离定磁铁m时，由于金属基板k1的弹性恢复力压电振子k逐渐恢复变形；动磁铁e与定磁铁m间作用力的交替变化即构成了压电振子k的往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

本发明中，发电机的固有频率可根据不同工作环境对应调整，以便获得更高的发电效率，方法为：松开锁紧螺母n，旋转调节螺栓p至理想位置并重新锁紧。调节原理为：当压电振子k受顶条r3顶压时，压电振子k在与顶条r3的接触点处张力变大，并在接触点处形成简支边界；将张力分解为垂直方向的端部拉力与水平方向的横向力，则可视为在新的简支边界中压电振子k受端部拉力的拉伸作用，其弯曲刚度及固有频率增加，固有频率为：

其中，f_F为端部拉力作用下发电机的固有频率；F为端部拉力；E为压电振子k的杨氏模量；I为压电振子k的惯性矩；l为压电振子k的长度；m_e为压电振子k的等效质量。端部拉力作用下发电机的固有频率与其初始状态下的固有频率的比值α与F的关系如图6所示。

Claims (1)

1.一种变频式旋磁激励压电发电机，其特征在于：旋转轴经轴承安装在底壳上，旋转轴的端部装有转盘，转盘一端压接在轴承内圈上，另一端端面上均布地镶嵌有动磁铁，且各动磁铁的磁极方向相同；壳体左端安装有顶盖，右端安装在底壳上；壳体内侧设有凸环、连接块及限位槽，连接块位于壳体的中心轴线上，凸环与连接块经由壳体腹板相连；凸环上经螺钉与大压环、连接块上经螺钉与小压环分别固定压电振子的两端；压电振子由金属基板与压电晶片粘结而成，金属基板靠近转盘安装；定磁铁安装在压电振子上，且与动磁铁的异性磁极相对安装；顶盖的中心设有螺纹孔，安装有锁紧螺母的调节螺栓经由螺纹孔伸入壳体，右侧端部安装有卡位板；卡位板伸入加载环中心的凹槽中，并经由压板限位，压板安装在加载环上；加载环由多个同心环与腹板组成，腹板沿加载环径向伸入限位槽中，且数量与压电振子数量相同，并相互正对；每条腹板上设有两个顶条，顶条顶向压电振子的近固定端；当调节螺栓向左调至极限位置时，压板顶靠在顶盖上，此时顶条与压电振子接触但无作用力，此为发电机工作的初始状态；当压电振子受顶条顶压时，压电振子在与顶条的接触点处张力变大，其弯曲刚度及固有频率增加，固有频率为：

其中，F、E、I、l和m_e分别为压电振子的端部拉力、杨氏模量、惯性矩、长度和等效质量；当调节螺栓向右调至极限位置时，腹板端部顶靠在限位槽的终点，此时压电振子仍工作在其最大许用压应力范围之内。

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