CN109831120B - 一种变频式磁励旋转压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变频式磁励旋转压电发电机，属压电发电技术领域。旋转轴装在底壳上，端部装有转盘并嵌有激励磁铁；壳体左端装有顶盖，右端装在底壳上；金属基板由中心向外延伸有辐条，辐条自由端装在壳体上；辐条上粘有压电晶片，所形成的复合层构成压电振子；压电振子上装有受激磁铁，且与激励磁铁相互正对；顶盖设有凸台，且中心设有螺纹孔；调节螺栓经螺纹孔伸出，并旋有锁紧螺母；调节螺栓设有凸环并顶靠在基板中心；扣压块与凸台相连；当调节螺栓调至左极限位置，凸环左端面顶靠在凸台上，金属基板处于不受力的初始状态；当调节螺栓调至右极限位置，凸环的右端面顶靠在扣压块的沉孔底面，金属基板处于其弹性变形范围内。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种变频式磁励旋转压电发电机。
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磁励旋转压电发电机，本发明采用的实施方案是：旋转轴经轴承安装在底壳上，端部安装有转盘，转盘的端面上均布地镶嵌有激励磁铁；壳体的左端经螺钉安装有顶盖，右端的法兰端经螺钉安装在底壳上；辐射型的金属基板由中心向外延伸有多个辐条，辐条的自由端经螺钉与压块安装在壳体上；各个辐条上粘结有压电晶片，辐条与压电晶片所形成的复合层构成压电振子；压电振子右侧经螺钉安装有受激磁铁，受激磁铁与激励磁铁相互正对；顶盖上设有凸台，凸台的中心设有螺纹孔；调节螺栓经螺纹孔从顶盖右侧伸至左侧，并于左侧伸出部分旋有锁紧螺母；调节螺栓上设有凸环，凸环顶靠在金属基板的中心；扣压块由滑动槽、连接柱及沉孔组成，连接柱与凸台通过螺钉相连接，且滑动槽的槽底与金属基板相接触；当调节螺栓向左调至极限位置时，凸环的左端面顶靠在凸台上，此时金属基板处于不受调节螺栓作用力的初始状态；当调节螺栓向右调至极限位置时，凸环的右端面顶靠在扣压块的沉孔底面，此时金属基板仍处于其弹性变形范围内。
工作时，旋转轴带动转盘转动，激励磁铁也随之转动，而安装在压电振子上的受激磁铁相对静止；当激励磁铁靠近受激磁铁时，激励磁铁、受激磁铁间产生相互排斥或吸引的作用力，从而使压电振子沿旋转轴的轴线方向弯曲变形，当激励磁铁远离受激磁铁时，由于辐条的弹性恢复力，压电振子逐渐恢复变形；激励磁铁与受激磁铁间作用力的交替变化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：当压电振子受调节螺栓顶压时，压电振子被顶靠在扣压块的滑动槽上并绷紧，此时可视为压电振子受垂直方向上的等效拉力的拉伸作用，压电振子的内部张力、弯曲刚度及固有频率均增加，且有：
其中：fF为在等效拉力作用下发电机的固有频率；FF等效拉力；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；me为压电振子的等效质量。等效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5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扣压块的结构示意图；
图4是图3的左视图；
图5是本发明中发电机的固有频率调节能力与等效拉力的关系图。
具体实施方式
旋转轴a经轴承安装在底壳b上，端部安装有转盘c，转盘c的端面上均布地镶嵌有激励磁铁d；壳体e的左端经螺钉安装有顶盖f，右端的法兰端经螺钉安装在底壳b上；辐射型的金属基板g由中心向外延伸有多个辐条g1，辐条g1的自由端经螺钉与压块安装在壳体e上；各个辐条g1上粘结有压电晶片h，辐条g1与压电晶片h所形成的复合层构成压电振子j；压电振子j的右侧经螺钉安装有受激磁铁p，受激磁铁p与激励磁铁d相互正对；顶盖f上设有凸台f1，凸台f1的中心设有螺纹孔；调节螺栓k经螺纹孔从顶盖f的右侧伸至左侧，并于左侧伸出部分旋有锁紧螺母m；调节螺栓k上设有凸环k1，凸环k1顶靠在金属基板g的中心；扣压块n由滑动槽n1、连接柱n2及沉孔n3组成，连接柱n2与凸台f1通过螺钉相连接，且滑动槽n1的槽底与金属基板g相接触；当调节螺栓k向左调至极限位置时，凸环k1的左端面顶靠在凸台f1上，此时金属基板g处于不受调节螺栓k作用力的初始状态；当调节螺栓k向右调至极限位置时，凸环k1的右端面顶靠在扣压块n的沉孔n3底面，此时金属基板g仍处于其弹性变形范围内。
工作时，旋转轴a带动转盘c转动，激励磁铁d也随之转动，而安装在压电振子j上的受激磁铁p相对静止；当激励磁铁d靠近受激磁铁p时，激励磁铁d、受激磁铁p间产生相互排斥或吸引的作用力，从而使压电振子j沿旋转轴a的轴线方向弯曲变形，当激励磁铁d远离受激磁铁p时，由于辐条g1的弹性恢复力，压电振子j逐渐恢复变形；激励磁铁d与受激磁铁p间作用力的交替变化构成了压电振子j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m，旋转调节螺栓k至理想位置并重新锁紧。调节原理为：当压电振子j受调节螺栓k顶压时，压电振子j被顶靠在扣压块n的滑动槽n1上并绷紧，此时可视为压电振子j受垂直方向上的等效拉力的拉伸作用，压电振子j的内部张力、弯曲刚度及固有频率均增加，且有：
其中：fF为在等效拉力作用下发电机的固有频率：F为等效拉力；E为压电振子j的杨氏模量；I为压电振子j的惯性矩；l为压电振子j的长度；me为压电振子j的等效质量。等效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5所示。
Claims (1)
1.一种变频式磁励旋转压电发电机，其特征在于：旋转轴经轴承安装在底壳上，端部安装有转盘，转盘的端面上均布地镶嵌有激励磁铁；壳体的左端安装有顶盖，右端安装在底壳上；金属基板由中心向外延伸有多个辐条，辐条的自由端安装在壳体上；各个辐条上粘结有压电晶片，辐条与压电晶片所形成的复合层构成压电振子；压电振子右侧安装有受激磁铁，受激磁铁与激励磁铁相互正对；顶盖上设有凸台，凸台中心设有螺纹孔；调节螺栓经螺纹孔从顶盖右侧伸至左侧，并于左侧伸出部分旋有锁紧螺母；调节螺栓上设有凸环，凸环顶靠在金属基板的中心；扣压块由滑动槽、连接柱及沉孔组成，连接柱与凸台相连接，且滑动槽的槽底与金属基板相接触；当调节螺栓 向左调至极限位置时，凸环的左端面顶靠在凸台上，此时金属基板处于不受调节螺栓作用力的初始状态；当压电振子受调节螺栓顶压时，压电振子被顶靠在扣压块的滑动槽上并绷紧，此时可视为压电振子受垂直方向上的等效拉力的拉伸作用，压电振子的内部张力、弯曲刚度及固有频率均增加，且等效拉力F作用下发电机的固有频率为
其中E、I、l及me分别为压电振子的杨氏模量、惯性矩、长度和等效质量；当调节螺栓向右调至极限位置时，凸环的右端面顶靠在扣压块的沉孔底面，此时金属基板仍处于其弹性变形范围内。
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