CN112187101B - 一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转激励的摆动式摩擦‑压电发电机，属新能源技术领域。主要包括摆圈、定圈、滚动体、转轴、复合梁、压电振子和壳体：转轴的主轴左端设有副轴，定圈装在副轴上，摆圈套在定圈上；主轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈的外缘上的凸块两侧装有壳体，一条复合梁的两端及两对压电振子的一端压接在两个壳体的上底壁或下底壁之间，压电振子位于复合梁的两侧；复合梁由梁基板与其两侧的摩擦层构成，压电振子由振子基板与其一侧所粘接的压电片构成，振子基板靠近复合梁的摩擦层安装；复合梁中间处的两侧装有惯性块，壳体侧壁中心处镶嵌有缓冲垫；振子基板和压电片构成压电发电单元，振子基板和复合梁构成摩擦发电单元。

Description

一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机

技术领域

本发明属于新能源与能量回收技术领域，具体涉及一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机，用于流体涡轮发电机及旋转轴等能量的收集。

背景技术

近年来，高层建筑物、桥梁、大型与高速旋转机械的实时健康传感监测技术已被广泛应用。此外，用于河流水质污染、防洪预警及大气污染等方面的监测已受到国家相关部门的高度重视，国内专家学者相继提出了相应的监测方法和手段，如针对河水污染的水质监测技术、针对洪水及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术。同时，为实现各类监测系统的自供电和免维护，人们已着手研制用于不同类型监测系统的微小型发电机。目前研究较多的微小型发电机包括压电、电磁和摩擦原理的三类，每种微小型发电机都有其自身的特点和应用领域。从实际应用的角度，目前所提出的各类发电机仍面临较多的技术瓶颈，较普遍的共性问题归纳如下：①发电能力及单位体积能量密度较低，②环境适应性有限，即对流体流速、振动频率及旋转体转速的适应能力低，③可靠性低，如压电陶瓷易因环境振动强度过大而损毁、滑动摩擦发电机易因摩擦副间摩擦磨损而失效，④存在电磁干扰，如电磁发电机、基于磁耦合辅助激励的非线性压电及摩擦发电机工作时都存在一定的磁场。当然，目前还很难在同一种发电机中把上述各种问题都加以解决。单纯的压电发电机和摩擦发电机的共性特点是无电磁干扰，故更适于无线传感监测系统，其各自的发电能力、可靠性及环境适应性都有待进一步提高。

发明内容

本发明提出一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机，本发明采用的实施方案是：本发明所提出的发电机主要包括摆圈、定圈、滚动体、转轴、复合梁、压电振子和壳体。转轴由法兰、主轴和副轴构成，转轴的主轴右端设有法兰、左端设有副轴，定圈经挡片及螺钉安装在副轴上，摆圈经滚动体套在定圈上，滚动体为滚珠或圆柱；主轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈轴线是指摆圈的内孔轴线且与滚动体回转中心线及定圈的外圆柱面的轴线重合；副轴为斜轴时，副轴与主轴在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈轴线与定圈内孔轴线及副轴的轴线重合；副轴为平轴时，定圈的内孔轴线与主轴线重合，定圈的内孔轴线与外圆柱面轴线间的夹角为轴倾角。

摆圈的外缘上设有凸块，凸块宽度方向的对称中心面与摆圈轴线垂直、与滚动体在摆圈宽度方向上的对称中心面重合；凸块两侧经螺钉安装有壳体，一条复合梁的两端及两对压电振子的一端压接在两个壳体的上底壁或下底壁之间，压电振子位于复合梁的两侧，壳体、压电振子及复合梁通过螺钉连接。

复合梁由梁基板与其两侧的摩擦层构成，摩擦层材料为聚氯乙烯、聚四氟乙烯等，梁基板材料为金属；压电振子由振子基板与其一侧所粘接的压电片构成，振子基板靠近复合梁的摩擦层安装；梁基板和振子基板的夹持部分之间作绝缘处理，如涂绝缘漆或设有与摩擦层厚度相同的绝缘垫；复合梁中间处的两侧经螺钉安装有惯性块，壳体的侧壁的中心处镶嵌有缓冲垫，惯性块与缓冲垫对齐安装；复合梁、压电振子及惯性块构成振动系统。

压电振子的振子基板和压电片构成压电发电单元，复合梁与其两侧的压电振子构成摩擦副，振子基板和复合梁构成摩擦发电单元，振子基板和梁基板为摩擦发电单元的两个电极；压电发电单元和摩擦发电单元经不同的导线组与电路板连接，电路板经螺钉安装在壳体上。

本发明的发电机可与涡轮式微小型流体发电机、大型风力发电机、机床及车辆等的机械设备主轴相连，用于收集流体能和旋转机械的动能发电，此时转轴与机械设备主轴连接；用于构造涡轮式流体发电机收集风及水流能时，转轴的端部需经螺钉安装有一组叶片，叶片的功能是将流体运动转换成旋转运动。

工作中，定圈随转轴转动，摆圈、壳体、复合梁及压电振子在其自身惯性力的作用下不随转轴转动，但绕摆圈的几何对称中心作往复轴向摆动；摆圈摆动时，复合梁受惯性块的作用弯曲变形并使其一侧的压电振子靠近与其相邻的壳体，复合梁另一侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，远离与其相邻的壳体；压电振子往复弯曲变形及振子基板与摩擦层之间交替地接触与分离的过程中将机械能转换成电能；压电振子发生弯曲变形并将机械能转换成电能的过程称为压电发电，所利用的是压电材料的正压电效应；振子基板与摩擦层接触分离并将机械能转换成电能的过程称为摩擦发电，利用的是摩擦电效应，故本发明的发电机为摩擦发电与压电发电所构成的发电机。

摩擦发电的原理是：振子基板与摩擦层接触时其内表面感应出符号相反的电荷，两表面分离并形成一定间隙时便产生电势差，振子基板和梁基板经负载连通时即产生电流；振子基板和摩擦层再度分离时摩擦电荷所形成的电势差消失，电子会回流到原来的电极；压电发电单元和摩擦发电单元独立输出，振子基板和压电片表面的金属镀层构成压电发电单元的一对电极，振子基板和复合梁的梁基板构成摩擦发电单元的一对电极，压电发电单元及两个摩擦发电单元经整流器分别与电路板相连。

发电机的激励与复位过程如下：

①摆圈带动复合梁及压电振子向右摆动时，复合梁在惯性块惯性力的作用下向左弯曲变形并使其左侧的压电振子靠近与所述压电振子相邻的壳体；同时，右侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，与其相邻的复合梁的摩擦层的表面逐渐脱离；当主轴线、摆圈轴线及复合梁与压电振子宽度方向的对称中心处于同一铅垂面内时：主轴线与摆圈轴线在铅垂面内的夹角为轴倾角，左侧压电振子变形量达到最大、振子基板与复合梁的摩擦层完全贴合；右侧压电振子与复合梁表面完全脱离，右侧压电振子变形量最小或无变形。

②随转轴的继续转动，左侧压电振子变形量逐渐减小并与复合梁表面脱离，右侧压电振子与复合梁的表面逐渐接触、变形量逐渐增加；转轴转过180度时，主轴线、摆圈轴线及复合梁和压电振子宽度方向的对称中心再度处于同一铅垂面内，右侧的压电振子与复合梁的表面完全贴合且变形量达到最大；左侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，左侧压电振子的振子基板与其相邻的复合梁的摩擦层脱离接触。

本发明中，为避免压电振子因变形量过大而损毁，压电振子变形量达到需用值时惯性块与缓冲垫接触，为降低惯性块与缓冲垫的接触冲击强度或避免接触冲击，发电机的几何参数间的关系为：

其中：Q为轴倾角，r为惯性块的摆动半径，l为惯性块与其两侧缓冲垫间的距离之和，

ζ、m、k分别为摆动系统的阻尼比、等效质量和等效刚度，n为转轴转速。

为确保压电片不致因应力过大而损毁，压电振子变形量应小于其许用值δ^*，压电片和振子基板等厚度时，

其中：h为振子基板厚度，

β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为振子基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和

分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子可弯曲部分的长度，η为与胶层厚度有关的修正系数。

优势与特色：将压电发电与摩擦发电有机结合，结构及激励过程简单、无电磁干扰，单位体积能量密度大、发供电电能力强；压电振子变形量及摩擦副接触力由结构尺寸决定，压电发电单元中压电振子最大变形量恒定、避免压电振子因变形过大损毁，摩擦发电单元通过接触-分离方式发电、避免滑移运动所造成的表面摩擦磨损，可靠性高、有效频带宽、转速适应性强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中转轴为斜轴时发电机的结构示意图；

图2是图1的I部放大图；

图3是图1中转轴转过180度后发电机的结构示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中转轴为平轴时发电机的结构示意图。

具体实施方式

本发明所提出的发电机主要包括摆圈a、定圈b、滚动体c、转轴d、复合梁n、压电振子i和壳体f。转轴d由法兰d1、主轴d2和副轴d3构成，转轴d的主轴d2右端设有法兰d1、左端设有副轴d3，定圈b经挡片e及螺钉安装在副轴d3上，摆圈a经滚动体c套在定圈b上，滚动体c为滚珠或圆柱；主轴线x1与摆圈轴线x2在同一平面内的夹角为轴倾角Q，摆圈轴线x2是指摆圈a的内孔轴线且与滚动体c回转中心线及定圈b的外圆柱面的轴线重合；副轴d3为斜轴时，副轴d3与主轴d2在同一平面内的夹角为轴倾角Q，摆圈轴线x2与定圈b内孔轴线及副轴d3的轴线重合；副轴d3为平轴时，定圈b的内孔轴线与主轴线x1重合，定圈b的内孔轴线与外圆柱面轴线间的夹角为轴倾角Q。

摆圈a的外缘上设有凸块a1，凸块a1宽度方向的对称中心面与摆圈轴线x2垂直、与滚动体c在摆圈a宽度方向上的对称中心面重合。摆圈a的凸块a1两侧经螺钉安装有壳体f，一条复合梁n的两端及两对压电振子i的一端压接在两个壳体f的上底壁f1或下底壁f2之间，压电振子i位于复合梁n的两侧，壳体f、压电振子i及复合梁n通过螺钉连接。

复合梁n由梁基板n2与其两侧的摩擦层n1构成，摩擦层n1的材料为聚氯乙烯、聚四氟乙烯等，梁基板n2的材料为金属；压电振子i由振子基板i2与其一侧所粘接的压电片i1构成，振子基板i2靠近复合梁n的摩擦层n1安装；梁基板n2和振子基板i2的夹持部分之间作绝缘处理，如涂绝缘漆或设有与摩擦层n1厚度相同的绝缘垫；复合梁n中间处的两侧经螺钉安装有惯性块g，壳体f的侧壁f3的中心处镶嵌有缓冲垫j，惯性块g与缓冲垫j对齐安装；复合梁n、压电振子i及惯性块g构成振动系统。

压电振子i的振子基板i2和压电片i1构成压电发电单元，复合梁n与其两侧的压电振子i构成摩擦副，振子基板i2和复合梁n构成摩擦发电单元，振子基板i2和梁基板n2为摩擦发电单元的两个电极；压电发电单元和摩擦发电单元经不同的导线组与电路板p连接，电路板p经螺钉安装在壳体f上。

本发明的发电机可与涡轮式微小型流体发电机、大型风力发电机、机床及车辆等的机械设备主轴Z相连，用于收集流体能和旋转机械的动能发电，此时转轴d与机械设备主轴Z连接；用于构造涡轮式流体发电机收集风及水流能时，转轴d的端部需经螺钉安装有一组叶片，叶片的功能是将流体运动转换成旋转运动。

工作中，定圈b随转轴d转动，摆圈a、壳体f、复合梁n及压电振子i在其自身惯性力的作用下不随转轴d转动，但绕摆圈a的几何对称中心o作往复轴向摆动；摆圈a摆动时，复合梁n受惯性块g的作用弯曲变形并使其一侧的压电振子i靠近与其相邻的壳体f，复合梁n另一侧的压电振子i在其自身弹性力的作用下复位，远离与其相邻的壳体f；压电振子i往复弯曲变形及振子基板i2与摩擦层n1之间交替地接触与分离的过程中将机械能转换成电能；压电振子i发生弯曲变形并将机械能转换成电能的过程称为压电发电，所利用的是压电材料的正压电效应；振子基板i2与摩擦层n1接触分离并将机械能转换成电能的过程称为摩擦发电，利用的是摩擦电效应，故本发明的发电机为摩擦发电与压电发电所构成的发电机。

摩擦发电的原理是：振子基板i2与摩擦层n1接触时其内表面感应出符号相反的电荷，两表面分离并形成一定间隙时便产生电势差，振子基板i2和梁基板n2经负载连通时即产生电流；振子基板i2和摩擦层n1再度分离时摩擦电荷所形成的电势差消失，电子会回流到原来的电极；压电发电单元和摩擦发电单元独立输出，振子基板i2和压电片i1表面的金属镀层构成压电发电单元的一对电极，振子基板i2和复合梁n的梁基板n2构成摩擦发电单元的一对电极，压电发电单元及两个摩擦发电单元经整流器分别与电路板p相连。

发电机的激励与复位过程如下：

①摆圈a带动复合梁n及压电振子i向右摆动时，复合梁n在惯性块g惯性力的作用下向左弯曲变形并使其左侧的压电振子i靠近与所述压电振子i相邻的壳体f；同时，右侧的压电振子i在其自身弹性力的作用下复位，与其相邻的复合梁n的摩擦层n1的表面逐渐脱离；当主轴线x1、摆圈轴线x2及复合梁n与压电振子i宽度方向的对称中心处于同一铅垂面内时：主轴线x1与摆圈轴线x2在铅垂面内的夹角为轴倾角Q，左侧压电振子i的变形量达到最大、振子基板i2与复合梁n的摩擦层n1完全贴合；右侧压电振子i与复合梁n表面完全脱离，右侧压电振子i变形量最小或无变形。

②随转轴d的继续转动，左侧压电振子i变形量逐渐减小并与复合梁n表面脱离，右侧压电振子i与复合梁n的表面逐渐接触、变形量逐渐增加；转轴d转过180度时，主轴线x1、摆圈轴线x2及复合梁n和压电振子i宽度方向的对称中心再度处于同一铅垂面内，右侧的压电振子i与复合梁n的表面完全贴合且变形量达到最大；左侧的压电振子i在其自身弹性力的作用下复位，左侧压电振子i的振子基板i2与其相邻的复合梁n的摩擦层n1脱离接触。

本发明中，为避免压电振子i因变形量过大而损毁，压电振子i变形量达到需用值时惯性块g与缓冲垫j接触，为降低惯性块g与缓冲垫j的接触冲击强度或避免接触冲击，发电机的几何参数间的关系为：

其中：Q为轴倾角，r为惯性块g的摆动半径，l为惯性块g与其两侧缓冲垫间的距离之和，

ζ、m、k分别为摆动系统的阻尼比、等效质量和等效刚度，n为转轴d的转速。

为确保压电片i1不致因应力过大而损毁，压电振子i的变形量应小于其许用值δ^*，压电片i1和振子基板i2等厚度时，

其中：

h为振子基板i2的厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为振子基板i2和压电片i1的杨氏模量，k₃₁和

分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子i可弯曲部分的长度，η为与胶层厚度有关的修正系数。

Claims (3)

1.一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机，主要包括摆圈、定圈、滚动体、转轴、复合梁、压电振子和壳体，其特征在于：转轴的主轴左端设有副轴、右端设有法兰，定圈装在副轴上，摆圈套在定圈上；主轴轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈的外缘上的凸块两侧装有壳体，一条复合梁的两端压接在两个壳体的上底壁和下底壁之间，一对压电振子的一端压接在两个壳体的上底壁之间，另一对压电振子的一端压接在两个壳体的下底壁之间，压电振子位于复合梁的两侧；复合梁由梁基板与其两侧的摩擦层构成，压电振子由振子基板与其一侧所粘接的压电片构成，振子基板靠近复合梁的摩擦层安装；梁基板和振子基板的夹持部分之间作绝缘处理；复合梁中间处的两侧装有惯性块，壳体的内侧壁的中心处镶嵌有缓冲垫；复合梁、压电振子及惯性块构成振动系统；压电振子的振子基板和压电片构成压电发电单元，振子基板和复合梁构成摩擦发电单元。

2.根据权利要求1所述的一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机，其特征在于：副轴为斜轴时副轴与主轴在同一平面内的夹角为轴倾角，副轴为平轴时定圈的内孔轴线与外圆柱面轴线间的夹角为轴倾角。

3.根据权利要求1或权利要求2任一项所述的一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机，其特征在于：摆圈的外缘凸块宽度方向的对称中心面与摆圈轴线垂直、与滚动体在摆圈宽度方向上的对称中心面重合，发电机的几何参数间的关系为：

其中：Q为轴倾角，r为惯性块的摆动半径，l为惯性块与其两侧缓冲垫间的距离之和，

ζ、m、k分别为摆动系统的阻尼比、等效质量和等效刚度，n为转轴转速。

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