CN112187104A - 一种旋转式压电-摩擦复合发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转式压电‑摩擦复合发电机，属新能源技术领域。转轴的平轴端部设有斜轴，平轴装在机壳壳底上，外缘上带拨槽的激励圈套在斜轴上；复合梁和压电振子经环架装在壳筒内侧，压电振子位于复合梁两侧，环架环板夹持在压电振子外侧，环架的护板上设有沉曹；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，压电片靠近环架安装且置于沉曹中，复合梁自由端置于拨槽内；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，激励圈带动复合梁轴向摆动使压电振子弯曲变形及振子基板与摩擦层交替地接触与分离，进而将机械能转换成电能。

Description

一种旋转式压电-摩擦复合发电机

技术领域

本发明属于新能源与能量回收技术领域，具体涉及一种旋转式压电-摩擦复合发电机，用于风能、水流及风力发电机等旋转轴动能收集。

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式压电-摩擦复合发电机，本发明采用的实施方案是：所提出的复合发电机主要包括机壳、轴承、端盖、转轴、定圈、激励圈、滚动体、复合梁、压电振子、环架及电路板。

端盖经螺钉安装在机壳的壳筒端部，转轴由法兰、平轴和斜轴构成，转轴的平轴的一端设有法兰、另一端设有斜轴，平轴经卡簧和轴承安装在机壳的壳底上，定圈经挡片及螺钉安装在斜轴上；激励圈经滚动体套在定圈上，滚动体为滚珠或圆柱，平轴线与斜轴线在同一平面内存在轴倾角；激励圈外缘上设有拨槽，拨槽宽度方向的对称中心面与斜轴线垂直；拨槽与滚动体在激励圈宽度方向上的对称中心面重合。

一组复合梁和两组压电振子经螺钉和一对环架安装在壳筒内侧凸台上，压电振子位于复合梁两侧，环架的环板夹持在压电振子外侧，环架的护板上均布地设有沉曹；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，数量相等的压电振子和复合梁均布安装且其数量与沉曹数量相等；压电振子、复合梁及沉曹的平面形状相同，压电片平面尺寸比沉曹平面尺寸小，振子基板和复合梁平面尺寸比沉曹平面尺寸大，振子基板靠近复合梁的摩擦层安装，压电片靠近环架安装且置于沉曹中；梁基板和振子基板的夹持部分之间设有垫片，垫片为绝缘材料，振子基板与其相邻的摩擦层之间留有微小的间隙，复合梁自由端置于激励圈的拨槽内，压电振子自由端与激励圈不接触。

复合梁与其两侧正对安装压电振子分别构成摩擦副，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，振子基板和梁基板为摩擦发电单元的两个电极；电路板经螺钉安装在壳底上，压电发电单元和摩擦发电单元经导线与电路板相连。

本发明的复合发电机可与风力发电机、机床及车辆等的主轴连接，用于收集旋转机械的动能发电，此时转轴与机械设备的主轴连接；置于风力发电机叶片上或主轴轴端时，机壳的底部需安装配重块；用于构造涡轮式发电机收集风及水流等流体能时，转轴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，激励圈、机壳、复合梁及压电振子在其自身惯性力的作用下相对静止、不随转轴转动；激励圈带动复合梁绕激励圈几何对称中心作往复轴向摆动，激励圈使复合梁h一侧的压电振子靠近与其相邻的环架，复合梁另一侧的压电振子在其自身弹性力作用下复位，即远离与其相邻的环架；压电振子往复弯曲变形及振子基板与摩擦层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复合发电机。

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，若振子基板和梁基板经负载连通便会产生电流；振子基板和摩擦层再度分离时摩擦电荷所形成的电势差会消失，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一对电极，振子基板和梁基板构成一对电极，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。

以压电振子宽度方向的对称面为铅垂面且经过转轴轴线的情况为例，发电机的激励与复位过程如下：

①激励圈带动复合梁摆动并使上方左侧和下方右侧的压电振子靠近与所述压电振子相邻的环架时，则上方右侧和下方左侧的压电振子远离与其相邻的环架。当平轴线、斜轴线及复合梁与压电振子宽带方向的对称中心处于同一铅垂面内时，平轴线与斜轴线在铅垂面内的夹角为轴倾角，复合梁一侧的压电振子弯曲变形量最大、另一侧压电振子变形量最小或无变形，变形量最大的压电振子的振子基板贴合在护板上，即：上方左侧和下方右侧的压电振子被顶靠在与所述压电振子相邻的护板上，振子基板侧边贴合在护板上，复合梁的摩擦层贴合在振子基板上；上方右侧和下方左侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，所述压电振子的振子基板与其相邻的摩擦层及护板的表面均脱离接触。

②随转轴继续转动，上方左侧和下方右侧压电振子变形量逐渐减小并与复合梁和护板的表面脱离，上方右侧和下方左侧压电振子变形量逐渐增加。转轴转过180度时，平轴线、斜轴线及复合梁和压电振子宽带方向的对称中心再度处于同一铅垂面内，平轴线与斜轴线在铅垂面内的夹角为轴倾角，上方右侧和下方左侧的压电振子被顶靠在与所述压电振子相邻的护板上，振子基板的侧边贴合在护板上，摩擦层贴合在振子基板上；上方左侧和下方右侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，所述压电振子的振子基板与其相邻的摩擦层及护板的表面均脱离接触。

发电机上述工作过程中，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压电振子的弯曲半径与结构参数决定，与转轴转速无关，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分别是恒定的。

本发明中，为使确保激励圈摆动到极限位置时压电振子与护板及复合梁表面间能较好地贴合，同时避免激励圈与护板产生冲击、避免压电片因应力过大损毁，实际中发电机的几何参数间应满足：

R>R*，其中，R为护板凸面弯曲半径，R1为拨槽侧壁顶点到摆圈几何中心的距离，R2为护板的内缘半径，L为压电振子可弯曲部分的长度，h为振子基板厚度，H为复合梁的厚度，Q为轴倾角，R*为压电振子的许用弯曲半径，压电振子i的许用弯曲半径R*是指使压电片的应力达到许用应力时压电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激励器结构尺寸决定，各种不同的转速下输出电压恒定，可靠性高、有效频带宽、转速适应性强；摩擦发电单元通过接触-分离方式发电，避免了滑移结构所造成的表面摩擦磨损。

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I部放大图；

图3是护板的结构示意图；

图4是图3的A-A剖面图；

图5是压电振子的结构示意图；

图6是摆圈的结构示意图；

图7是转轴的结构示意图。

具体实施方式

本发明所提出的复合发电机主要包括机壳a、轴承c、端盖b、转轴d、定圈f、激励圈g、滚动体n、复合梁h、压电振子i、环架m及电路板p。

端盖b经螺钉安装在机壳a的壳筒a2端部，转轴d由法兰d1、平轴d2和斜轴d3构成，转轴d的平轴d2的一端设有法兰d1、另一端设有斜轴d3，平轴d2经卡簧j和轴承c安装在机壳a的壳底a1上，定圈f经挡片e及螺钉安装在斜轴d3上；激励圈g经滚动体n套在定圈f上，滚动体n为滚珠或圆柱，平轴线x1与斜轴线x2在同一平面内存在轴倾角Q；激励圈g的外缘上设有拨槽g1，拨槽g1宽度方向的对称中心面与斜轴线x2垂直；拨槽g1与滚动体n在激励圈g宽度方向上的对称中心面重合。

一组复合梁h和两组压电振子i经螺钉和一对环架m安装在壳筒a2的内侧凸台上，压电振子i位于复合梁h的两侧，环架m的环板m1夹持在压电振子i的外侧，环架m的护板m2上均布地设有沉曹m3；复合梁h由梁基板h2与其两侧的摩擦层h1构成，摩擦层h1的材料为聚氯乙烯、聚四氟乙烯等，梁基板 h2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，数量相等的压电振子i和复合梁h均布安装且其数量与沉曹m3数量相等；压电振子i、复合梁h及沉曹m3的平面形状相同，压电片 i1的平面尺寸比沉曹m3的平面尺寸小，振子基板i2和复合梁h的平面尺寸比沉曹m3的平面尺寸大，振子基板i2靠近复合梁h的摩擦层h1安装，压电片i1靠近环架m安装且置于沉曹m3中；梁基板h2和振子基板i2的夹持部分之间设有垫片h3，垫片h3为绝缘材料，振子基板i2与其相邻的摩擦层i1之间留有微小的间隙，复合梁h的自由端置于激励圈g的拨槽g1内，压电振子i的自由端与激励圈g不接触。

复合梁h与其两侧正对安装压电振子i分别构成摩擦副，压电振子i的振子基板i2和压电片i构成压电发电单元，振子基板i2和复合梁h构成摩擦发电单元，振子基板i2和梁基板h2为摩擦发电单元的两个电极；电路板p经螺钉安装在壳底a1上，压电发电单元和摩擦发电单元经导线与电路板p相连。

本发明的复合发电机可与风力发电机、机床及车辆等的主轴连接，用于收集旋转机械的动能发电，此时转轴d与机械设备的主轴连接；置于风力发电机叶片上或主轴轴端时，机壳a的底部需安装配重块G；用于构造涡轮式发电机收集风及水流等流体能时，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f随转轴d转动，激励圈g、机壳a、复合梁h及压电振子i在其自身惯性力的作用下相对静止、不随转轴d转动；激励圈g带动复合梁h绕激励圈g的几何对称中心o作往复轴向摆动，激励圈 g使复合梁h一侧的压电振子i靠近与其相邻的环架m，复合梁h另一侧的压电振子i在其自身弹性力的作用下复位，即远离与其相邻的环架m；压电振子i往复弯曲变形及振子基板i2与摩擦层h1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h1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复合发电机。

摩擦发电的原理是：振子基板i2与摩擦层h1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，若振子基板i2和复合梁h的梁基板h2经负载连通便会产生电流；振子基板i2和复合梁h的摩擦层h1再度分离时摩擦电荷所形成的电势差会消失，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一对电极，振子基板 i2和复合梁h的梁基板h2构成一对电极，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。

以压电振子i宽度方向的对称面为铅垂面且经过转轴d的轴线的情况为例，发电机的激励与复位过程如下：

①激励圈g带动复合梁h摆动并使上方左侧和下方右侧的压电振子i靠近与所述压电振子i相邻的环架m时，则上方右侧和下方左侧的压电振子i远离与其相邻的环架m。当平轴线x1、斜轴线x2及复合梁 h与压电振子i宽带方向的对称中心处于同一铅垂面内时，平轴线x1与斜轴线x2在铅垂面内的夹角为轴倾角Q，压电振子i弯曲变形量最大或无变形，变形量最大的压电振子的振子基板贴合在护板上，即：上方左侧和下方右侧的压电振子i被顶靠在与所述压电振子i相邻的环架m的护板m2上，振子基板i2的侧边贴合在环架m的护板m2上，复合梁h的摩擦层h1贴合在振子基板i2上；上方右侧和下方左侧的压电振子i在其自身弹性力的作用下复位，所述压电振子i的振子基板i2与其相邻的复合梁h的摩擦层h1及环架m的护板m2的表面均脱离接触。

②随转轴d的继续转动，上方左侧和下方右侧压电振子i变形量逐渐减小并与复合梁h和护板m2的表面脱离，上方右侧和下方左侧压电振子i的变形量逐渐增加。转轴d转过180度时，平轴线x1、斜轴线 x2及复合梁h和压电振子i宽带方向的对称中心再度处于同一铅垂面内，平轴线x1与斜轴线x2在铅垂面内的夹角为轴倾角Q，上方右侧和下方左侧的压电振子i被顶靠在与所述压电振子i相邻的护板m2上，振子基板i2的侧边贴合在护板m2上，摩擦层h1贴合在振子基板i2上；上方左侧和下方右侧的压电振子i在其自身弹性力的作用下复位，所述压电振子i的振子基板i2与其相邻的复合梁h的摩擦层h1及环架m的护板m2的表面均脱离接触。

发电机上述工作过程中，压电振子i的弯曲变形量及振子基板i2与摩擦层h1间的接触应力大小仅由复合梁h及压电振子i的弯曲半径与结构参数决定，与转轴d的转速无关，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分别是恒定的。

本发明中，为使确保激励圈g摆动到极限位置时压电振子i与护板m2及复合梁h表面间能较好地贴合，同时避免激励圈g与护板m2产生冲击、避免压电片i1因应力过大损毁，实际中发电机的几何参数间应满足：

R>R*，其中，R为护板m2的凸面弯曲半径，R1为拨槽g1 侧壁顶点到摆圈几何中心o的距离，R2为护板m2的内缘半径，L为压电振子i可弯曲部分的长度，h为振子基板i2的厚度，H为复合梁h的厚度，Q为轴倾角，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 (3)

1.一种旋转式压电-摩擦复合发电机，其特征在于：转轴的平轴端部设有斜轴，平轴线与斜轴线在同一平面内存在轴倾角，平轴装在机壳的壳底上，激励圈经定圈套在斜轴上，激励圈外缘上设有拨槽；一组复合梁和两组压电振子经一对环架安装在壳筒内侧凸台上，压电振子位于复合梁两侧，环架的环板夹持在压电振子外侧，环架的护板上均布地设有沉曹；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设有垫片，振子基板与其相邻的摩擦层之间留有微小的间隙，压电片靠近环架安装且置于沉曹中，复合梁自由端置于激励圈的拨槽内；复合梁与其两侧正对安装压电振子构成摩擦副，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，激励圈带动复合梁往复轴向摆动使压电振子弯曲变形及振子基板与摩擦层交替地接触与分离的过程中将机械能转换成电能。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式压电-摩擦复合发电机，其特征在于：当平轴线、斜轴线及复合梁与压电振子宽带方向的对称中心处于同一铅垂面内时，复合梁一侧的压电振子弯曲变形量最大、另一侧压电振子变形量最小，变形量最大的压电振子的振子基板贴合在护板上，复合梁的摩擦层贴合在振子基板上。

3.根据权利要求1所述的一种旋转式压电-摩擦复合发电机，其特征在于：发电机的几何参数间应满足：

R>R*，其中，R为护板凸面弯曲半径，R1为拨槽侧壁顶点到摆圈几何中心的距离，R2为护板的内缘半径，L为压电振子可弯曲部分的长度，h为振子基板厚度，H为复合梁的厚度，Q为轴倾角，R*为压电振子的许用弯曲半径。

Images