CN112187102B - 一种旋转激励的摆动式压电-摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转激励的摆动式压电‑摩擦发电机，属新能源技术领域。包括摆圈、定圈、滚动体、转轴、复合梁、压电振子和托架，托架底部装有定质量块和定磁铁，复合梁的自由端装有动磁铁和动质量块；转轴的左半轴上经定圈安装有摆圈，转轴的右半轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角；摆圈的凸块上装有托架、压电振子和复合梁，压电振子及复合梁的固定端夹持在托架的平板之间；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压电片构成；转轴转动时，复合梁迫使压电振子往复弯曲变形、振子基板与摩擦层之间交替地接触与分离，进而将机械能转换成电能。优点：将压电‑摩擦复合发电有机结合，避免了滑移式摩擦发电机的摩擦磨损。

Description

一种旋转激励的摆动式压电-摩擦发电机

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压电-摩擦发电机，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压电-摩擦发电机，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、压电振子和托架。转轴由法兰和左右半轴构成，右半轴的右端设有法兰、左端设有左半轴，左半轴上经挡片及螺钉安装有定圈，定圈上经滚动体套有摆圈，滚动体为滚珠或圆柱；右半轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈轴线是指摆圈内孔轴线且与滚动体回转中心线及定圈外圆柱面的轴线重合；左半轴为斜轴时，左半轴与右半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左半轴轴线重合；左半轴为平轴时，定圈内孔轴线与右半轴线重合，定圈内孔轴线与外圆柱面轴线间的夹角为轴倾角。

摆圈外缘上设有凸块，凸块宽度方向的对称中心面与摆圈轴线垂直；凸块宽度方向的对称中心面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托架，两个托架经两个压电振子夹持有一个复合梁，托架、压电振子及复合梁通过螺钉连接。托架由平板和弯板构成，平板安装在摆圈的凸块上，压电振子及复合梁的固定端夹持在两个托架的平板之间；弯板表面为弧形，弯板上设有用于容纳压电片的沉腔，托架底部的弯板下方经螺钉安装有定质量块和定磁铁，用于产生防止摆圈随转轴转动的惯性力。

复合梁由梁基板与其两侧的摩擦层构成，摩擦层的材料为聚氯乙烯、聚四氟乙烯等，梁基板的材料为金属；压电振子由振子基板与其一侧所粘接的压电片构成，压电片的平面尺寸比沉腔的平面尺寸小，振子基板和复合梁的平面尺寸比沉腔的平面尺寸大，振子基板靠近复合梁的摩擦层安装，压电片靠近托架安装且置于沉腔中；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；复合梁的自由端经螺钉安装有动磁铁和动质量块，动磁铁和定磁铁的异性磁极靠近安装以便形成双稳态结构；复合梁、压电振子、动磁铁及动质量块构成的摆动系统。

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输出。

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的主轴连接；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、托架、复合梁及压电振子在定质量块及各部件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，复合梁受其端部动质量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托架，复合梁另一侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，远离与其相邻的托架；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，复合梁在动磁铁和动质量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托架；同时，右侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，与其相邻托架的弯板表面及复合梁的摩擦层表面逐渐脱离；当右半轴线、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：右半轴线与摆圈轴线在铅垂面内的夹角为轴倾角，左侧压电振子被复合梁压靠在弯板表面，振子基板的侧边贴合在弯板的表面上、摩擦层贴合在振子基板上，左侧压电振子的变形量达到最大且其变形形状与弯板的表面形状相同；右侧压电振子与弯板表面和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随转轴继续转动，左侧压电振子变形量逐渐减小并与复合梁和弯板的表面脱离，右侧压电振子的变形量逐渐增加；转轴转过180度时，右半轴线、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，右侧的压电振子被压靠在与所述压电振子相邻的弯板上，振子基板的侧边贴合在弯板表面上，摩擦层贴合在振子基板上；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及弯板表面均脱离接触。

发电机上述工作过程中，动磁铁离开其平衡位置后与其左右两侧的定磁铁吸引力不同，与其所靠近的定磁铁的吸引力逐渐增加、与其远离的定磁铁的吸引力逐渐降低，进而形成了非线性振动，有效地拓宽了频带宽度；当转轴的转速达到一定程度、即可满足压电振子与弯板表面贴合时，压电振子的弯曲变形量及振子基板与摩擦层间的接触应力大小仅由复合梁及弯板的弯曲半径及结构参数决定，受转轴转速影响较小或无影响，故压电发电单元和摩擦发电单元的输出电压在各转速下都相对稳定。

为使确保摆圈摆动到极限位置时压电振子与弯板及复合梁表面间能较好地贴合，发电机的几何参数间关系满足：

其中：Q为轴倾角，r为摆圈的摆动半径，L为两个弯板自由端的距离，

ζ、m、k分别为摆动系统的阻尼比、等效质量和等效刚度，n为转轴的转速。

为确保压电片不致因应力过大而损毁，应使R≥R^*，其中：R为弯板的凸面弯曲半径，R*为压电振子的许用弯曲半径，压电振子的许用弯曲半径是指使压电片的应力达到许用应力时压电片与振子基板粘接面处的弯曲半径；振子基板和压电片厚度相等时

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应力，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、无接触冲击和噪音，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左半轴为斜轴时发电机的结构示意图；

图2是托架的结构示意图；

图3是图2的左视图；

图4是复合梁的结构示意图；

图5是图1中转轴转过180度后发电机的结构示意图；

图6是本发明一个较佳实施例中左半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和托架f。

转轴d由法兰d1、右半轴d2和左半轴d3构成，转轴d的右半轴d2的右端设有法兰d1、左端设有左半轴d3，定圈b经挡片e及螺钉安装在左半轴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；右半轴线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；左半轴d3为斜轴时，左半轴d3与右半轴d2在同一平面内的夹角为轴倾角Q，摆圈轴线x2与定圈b内孔轴线及左半轴d3的轴线重合；左半轴d3为平轴时，定圈b的内孔轴线与右半轴线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；凸块a1宽度方向的对称中心面与滚动体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托架f，两个托架f经两个压电振子i夹持有一个复合梁n，托架f、压电振子i及复合梁n通过螺钉连接。托架f由平板f1和弯板f2构成，平板f1安装在摆圈a的凸块a1上，压电振子i及复合梁n的固定端夹持在两个托架f的平板f1之间；托架f的弯板f2的表面为弧形，弯板f2上设有沉腔f3，弯板f2的底部经螺钉安装有定质量块h和定磁铁g，用于产生防止摆圈a随转轴d转动的惯性力。

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，压电片i1的平面尺寸比沉腔f3的平面尺寸小，振子基板i2和复合梁n的平面尺寸比沉腔f3的平面尺寸大，振子基板i2靠近复合梁n的摩擦层n1安装，压电片i1靠近托架f安装且置于沉腔f3中；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的自由端经螺钉安装动磁铁k和动质量块j，动磁铁k和定磁铁g的异性磁极靠近安装以便形成双稳态结构；复合梁n、压电振子i、动磁铁k及动质量块j构成的摆动系统。

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输出。

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与机械设备的主轴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、托架f、复合梁n及压电振子i在定质量块h及各部件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受其端部动质量块j的作用弯曲变形并使其一侧的压电振子i靠近与其相邻的托架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，远离与其相邻的托架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在动磁铁k和动质量块j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相邻的托架f；同时，右侧的压电振子i在其自身弹性力的作用下复位，与其相邻托架f的弯板f2表面及复合梁n的摩擦层n1的表面逐渐脱离；当右半轴线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：右半轴线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被复合梁n压靠在弯板f2的表面，振子基板i2的侧边贴合在弯板f2的表面上、摩擦层n1贴合在振子基板i2上，左侧压电振子i的变形量达到最大且其变形形状与弯板f2的表面形状相同；右侧压电振子i与弯板f2表面和复合梁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和弯板f2的表面脱离，右侧压电振子i的变形量逐渐增加；转轴d转过180度时，右半轴线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被压靠在与所述压电振子i相邻的弯板f2上，振子基板i2的侧边贴合在弯板f2的表面上，摩擦层n1贴合在振子基板i2上；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及弯板f2表面均脱离接触。

发电机上述工作过程中，动磁铁k离开其平衡位置后与其左右两侧的定磁铁g吸引力不同，与其所靠近的定磁铁g的吸引力逐渐增加、与其远离的定磁铁g的吸引力逐渐降低，进而形成了非线性振动，有效地拓宽了频带宽度；当转轴d的转速达到一定程度、即可满足压电振子i与弯板f2表面贴合时，压电振子i的弯曲变形量及振子基板i2与摩擦层n1间的接触应力大小仅由复合梁n及弯板f2的弯曲半径及结构参数决定，受转轴d转速影响较小或无影响，故压电发电单元和摩擦发电单元的输出电压在各转速下都相对稳定。

为使确保摆圈a摆动到极限位置时压电振子i与弯板f2及复合梁n表面间能较好地贴合，发电机的几何参数间的关系满足：

其中：Q为轴倾角，r为摆圈a的摆动半径，L为两个弯板f2自由端的距离，

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，应使R≥R^*，其中：R为弯板f2的凸面弯曲半径，R*为压电振子i的许用弯曲半径，压电振子i的许用弯曲半径R*是指使压电片i1的应力达到许用应力时压电片i1与振子基板i2粘接面处的弯曲半径；振子基板i2和压电片i1厚度相等时

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应力，η为与胶层厚度有关的修正系数。

Claims (2)

1.一种旋转激励的摆动式压电-摩擦发电机，主要包括摆圈、定圈、滚动体、转轴、复合梁、压电振子和托架，托架底部装有定质量块和定磁铁，复合梁的自由端装有动磁铁和动质量块；其特征在于：转轴由法兰和左右半轴构成，左半轴上装有定圈，定圈上套有摆圈，右半轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角；左半轴为斜轴，左半轴与右半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左半轴轴线重合，轴倾角大于零；摆圈外缘上的凸块两侧装有托架，两个托架经两个压电振子夹持有一个复合梁；托架由平板和弯板构成，压电振子及复合梁的固定端夹持在两个托架的平板之间；弯板表面为弧形，弯板上设有沉腔；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、压电振子、动磁铁及动质量块构成的摆动系统；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；转轴转动时，摆圈摆动并经复合梁迫使压电振子往复弯曲变形、振子基板与摩擦层之间交替地接触与分离，进而将机械能转换成电能，压电发电单元和摩擦发电单元经不同导线组输出。

2.根据权利要求1所述的一种旋转激励的摆动式压电-摩擦发电机，其特征在于：凸块宽度方向的对称中心面与摆圈轴线垂直，凸块宽度方向的对称中心面与滚动体在摆圈宽度方向上的对称中心面重合；摆圈摆动到极限位置时压电振子与弯板及复合梁表面间较好地贴合，发电机的几何参数间的关系满足

其中：Q为轴倾角，r为摆圈的摆动半径，L为两个弯板自由端的距离，

ζ、m、k分别为摆动系统的阻尼比、等效质量和等效刚度，n为转轴的转速。

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