CN112187106B - 一种等辐激励旋转俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等辐激励旋转俘能器，属新能源技术领域。壳底壁安装在转轴的支撑轴上，转轴的激励轴置于壳体内部且其上装有内轴承；端盖装在壳筒壁端部并将支架压接在壳体内部，支架上内环的滑道和外环销孔内部都装有销轴，销孔内的销轴顶靠在壳筒壁的内侧且可转动，滑道内的销轴可沿滑道滑动；由基板及其一侧所粘接的压电片构成的压电振子的两端分别固定在滑道和销孔内销轴的销槽内，销轴分别顶靠在壳筒壁和内轴承外圈上，压电振子两端销轴中心线与激励轴线和支撑轴线共面时压电振子弯曲变形量最大或最小：压电振子远离激励轴线一侧时两销轴间距离最长、压电振子变形量为最小，转轴转过180度时两销轴间的距离最短、压电振子弯曲变形量达到最大。

Description

一种等辐激励旋转俘能器

技术领域

本发明属于新能源与能量回收技术领域，具体涉及一种等辐激励旋转俘能器。

背景技术

近年来，随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在环境、旋转机械、风力发电机、车辆轴系等健康监测应用的普及，为其提供持续能源供应的微小型俘能器的研究受到国内外学者的广泛关注。目前已提出的微小型俘能器基本都是基于电磁原理和压电原理的，因压电式俘能器的发电过程中不会产生电磁干扰，更适用于无线网络节点等无线系统。现有利用薄片型压电振子构造的旋转俘能器主要有：惯性激励式、拨动式和旋磁激励式三大类，其中：惯性激励式俘能器仅能用于低速场合，转速高时压电振子不能产生变向弯曲变形发电；拨动式俘能器存在接触冲击和噪音，高转速时亦会因冲击过大损毁；旋磁激励式俘能器可有效避免前两类俘能器的缺陷，但有效频带窄，仅能在有限的转速范围内能输出较大的电压，不适于风与河流等流体速度及风力发电机叶片转速范围等变化较大的场合，故有效频带宽、输出电压稳定的旋转类压电俘能器仍是相关领域所亟需的。

发明内容

本发明提出一种等辐激励旋转俘能器，本发明采用的实施方案是：等辐激励旋转俘能器主要包括壳体、端盖、支架、转轴、外轴承、内轴承、销轴和压电振子。

支架由底壁、内环和外环构成，内环和外环同轴，内环上均布地设有滑道，外环上均布地设有销孔，滑道和销孔数量相等且距离最近的滑道和销孔的轴心位于内环的同一个轴截面上；滑道和销孔上都设有宽槽和窄槽，宽槽位于内环的内缘和外环的外缘上，窄槽位于内环的外缘和外环的内缘上；窄槽的两个侧壁位于通过滑道和销孔几何对称中心的轴截面的同一侧。

转轴从右到左依次设有法兰盘、轴肩、支撑轴和激励轴，激励轴线和支撑轴线平行但不重合，激励轴线和支撑轴线间的距离称为轴偏距。

销轴上设有销槽，销轴的中心和与其相邻的销槽的侧壁间的距离称为销偏距，销偏距大于零。

壳体的壳底壁经外轴承和轴承盖安装在转轴的支撑轴上，外轴承为滚动轴承，且其外圈顶靠在壳底壁上、内圈顶靠在转轴的轴肩上；激励轴置于壳体的内部且其上经挡片和挡圈安装有内轴承，内轴承为滚动轴承，内轴承内圈套在激励轴上，挡片经螺钉固定在激励轴的端部，挡圈置于内轴承与支撑轴的端面间。

端盖经螺钉安装在壳体的壳筒壁端部，端盖将支架压接在壳体的内部，支架的滑道和销孔内部都安装有销轴；销孔内的销轴顶靠在壳筒壁的内侧且可转动，滑道内的销轴可沿滑道滑动，销轴不能轴向移动；由基板及其一侧所粘接的压电片构成的压电振子的两端分别固定在滑道和销孔内销轴的销槽内，压电片靠近销轴的中心安装；滑道内的销轴顶靠在内轴承外圈上，压电振子为装配预弯结构，压电片承受压应力、金属基板承受拉应力；支架的底壁上经螺钉安装有电路板，压电振子经导线与电路板相连。

装配前，压电振子为平直状态；安装后，压电振子为弯曲状态且压电片承受压应力，压电振子将其两端的销轴分别顶靠在壳筒壁和内轴承外圈上，压电振子两端销轴的中心线与激励轴线和支撑轴线共面时压电振子弯曲变形量最大或最小，销轴靠近激励轴线时压电振子变形量最大、远离激励轴线时压电振子变形量最小。

本发明的等辐激励旋转俘能器可作为独立部件用于流体能量回收或旋转体能量回收，用于流体能量回收时转轴的法兰上需安装叶片，用于旋转体能量回收时需将法兰固定在旋转体轴端；俘能器悬垂安装时壳体上适当增加配重块，以实现与转轴的相对转动。

工作中，转轴与壳体相对转动时，转轴的激励轴和内轴承外圈相对支撑轴、支架及销轴转动并移动，销轴在销孔和滑道内往复摆动、在滑道往复滑动；内轴承外圈及销轴与激励轴的相对运动使压电振子产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板上的转换电路处理后输出；作为自供电监测系统电源使用时，所获得的电能供给相关的传感器，传感器实时地获得旋转体温度、转速或振动参数，再经电路板上的发射单元发射出去，进而完成自供电传感监测。

本发明中，当同一压电振子两端的销轴的轴线与激励轴线和支撑轴线共面且压电振子远离激励轴线一侧时，两个销轴间的距离最长、压电振子变形量为最小且大于零；此后，随转轴转动，两个销轴间的距离逐渐缩短、压电振子的变形量逐渐增加；因压电振子在销轴上为偏心安装，当销轴间距缩短时销轴转动并迫使压电振子向远离销轴轴线的方向弯曲变形，压电振子的变形量随转轴转角增加而增加；转轴转过180度时，两个销轴间的距离最短、压电振子弯曲变形量达到最大；转轴再进一步转动时，两个销轴间的距离开始逐渐增大、压电振子弯曲变形量逐渐减小，转轴转过360度时压电振子变形量再度降至最小，至此完成压电振子的一次完整激励。

本发明中，压电振子弯曲变形时压电片始终承受压应力，为避免压电片因应力过大而损毁，合理的相关参数关系为：x＝L/2-Rsin[L/(2R)]、R≥R^*、y＝(0.3～0.6)r，其中：x为激励轴线和支撑轴线的轴偏距，r为销轴半径，y为销偏距，L为压电振子可弯曲部分的长度，R为压电振子的实际弯曲半径、即压电振子的基板与压电片交界面处的弯曲半径，R^*为压电振子许用弯曲半径；基板和压电片厚度相等时

h为基板的厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为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，η为与胶层厚度有关的修正系数。

优势与特色：结构及激励过程简单、无电磁干扰、无接触冲击和噪音；各转速下压电振子为单向的等幅激励，压电片仅承受量值可控的压应力，故可靠性高、有效频带宽、发电与供电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1中转轴转过180度时的A-A剖视图；

图4是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图；

图5是图4的B-B剖视图；

图6是本发明一个较佳实施例中转轴的结构示意图；

图7是图6的左视图；

图8是本发明一个较佳实施例中销轴的结构示意图。

具体实施方式

本发明的等辐激励旋转俘能器主要包括壳体a、端盖b、支架c、转轴d、外轴承e、内轴承g、销轴j和压电振子i。

支架c由底壁c1、内环c2和外环c3构成，内环c2和外环c3同轴，内环c2上均布地设有滑道c4，外环c3上均布地设有销孔c5，滑道c4和销孔c5数量相等且距离最近的滑道c4和销孔c5的轴心位于内环c2的同一个轴截面上；滑道c4和销孔c5上都设有宽槽c6和窄槽c7，宽槽c6位于内环c2的内缘和外环c3的外缘上，窄槽c7位于内环c2的外缘和外环c3的内缘上；窄槽c7的两个侧壁位于通过滑道c4和销孔c5几何对称中心的轴截面的同一侧。

转轴d从右到左依次设有法兰盘d0、轴肩d1、支撑轴d2和激励轴d3，激励轴线d5和支撑轴线d4平行但不重合，激励轴线d5和支撑轴线d4间的距离称为轴偏距。

销轴j上设有销槽j1，销轴j的中心和与其相邻的销槽j1的侧壁间的距离称为销偏距，销偏距y大于零。

壳体a的壳底壁a1经外轴承e和轴承盖f安装在转轴d的支撑轴d2上，外轴承e为滚动轴承，且其外圈顶靠在壳底壁a1上、内圈顶靠在转轴d的轴肩d1上；转轴d的激励轴d3置于壳体a的内部且其上经挡片h和挡圈k安装有内轴承g，内轴承g为滚动轴承，内轴承内圈g1套在转轴d的激励轴d3上，挡片h经螺钉固定在激励轴d3的端部，挡圈k置于内轴承g与支撑轴d2的端面间。

端盖b经螺钉安装在壳体a的壳筒壁a2的端部，端盖b将支架c压接在壳体a的内部，支架c的滑道c4和销孔c5内部都安装有销轴j；销孔c5内的销轴j顶靠在壳筒壁a2的内侧且可转动，滑道c4内的销轴j可沿滑道c4滑动，销轴j不能轴向移动；由基板及其一侧所粘接的压电片构成的压电振子i的两端分别固定在滑道c4和销孔c5内销轴j的销槽j1内，压电片靠近销轴j的中心安装；滑道c4内的销轴j顶靠在内轴承外圈g2上，压电振子i为装配预弯结构，压电片承受压应力、金属基板承受拉应力；支架c的底壁c1上经螺钉安装有电路板p，压电振子i经导线与电路板p相连。

装配前，压电振子i为平直状态；安装后，压电振子i为弯曲状态且压电片承受压应力，压电振子i将其两端的销轴j分别顶靠在壳筒壁a2和内轴承外圈g2上，压电振子i两端销轴j的中心线与激励轴线d5和支撑轴线d4共面时压电振子i的弯曲变形量最大或最小，销轴j靠近激励轴线d5时压电振子i的变形量最大、远离激励轴线d5时压电振子i的变形量最小。

本发明的等辐激励旋转俘能器可作为独立的部件用于流体能量回收或旋转体能量回收，用于流体能量回收时转轴d的法兰d0上需安装叶片，用于旋转体能量回收时需将法兰d0固定在旋转体轴端；俘能器悬垂安装时壳体a上适当增加配重块，以实现与转轴d的相对转动。

工作中，转轴d与壳体a相对转动时，转轴d的激励轴d3和内轴承外圈g2相对支撑轴d2、支架c及销轴j相对转动并移动，销轴j在销孔c5和滑道c4内往复摆动、在滑道c4往复滑动；内轴承外圈g2及销轴j与转轴d的激励轴d3的相对运动使压电振子i产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板p上的转换电路处理后输出；作为自供电监测系统电源使用时，所获得的电能供给相关的传感器，传感器实时地获得旋转体温度、转速或振动参数，再经电路板p上的发射单元发射出去，进而完成自供电传感监测。

本发明中，当同一压电振子i两端的销轴j的轴线与激励轴线d5和支撑轴线d4共面且压电振子i远离激励轴线d5一侧时，两个销轴j间的距离最长、压电振子i的变形量为最小且大于零；此后，随转轴d的转动，两个销轴j间的距离逐渐缩短、压电振子i的变形量逐渐增加；因压电振子i在销轴j上为偏心安装，当销轴j间距缩短时销轴j转动并迫使压电振子i向远离销轴j轴线的方向弯曲变形，变形量随转轴d转角的增加而增加；转轴d转过180度时，两个销轴j间的距离最短、压电振子i的弯曲变形量达到最大；转轴d再进一步转动时，两个销轴j间的距离开始逐渐增大、压电振子i的弯曲变形量逐渐减小，转轴d转过360度时压电振子i变形量再度降至最小，至此完成压电振子i的一次完整激励。

本发明中，压电振子i弯曲变形时压电片始终承受压应力，为避免压电片因应力过大而损毁，合理的相关参数关系为：x＝L/2-Rsin[L/(2R)]、R≥R^*、y＝(0.3～0.6)r，其中：x为激励轴线d5和支撑轴线d4的轴偏距，r为销轴j的半径，y为销偏距，L为压电振子i可弯曲部分的长度，R为压电振子i的实际弯曲半径、即压电振子i的基板与压电片交界面处的弯曲半径，R^*为压电振子i的许用弯曲半径；基板和压电片厚度相等时

h为基板的厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为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，η为与胶层厚度有关的修正系数。

Claims (2)

1.一种等辐激励旋转俘能器，其特征在于：壳底壁安装在转轴的支撑轴上，转轴的激励轴置于壳体内部且其上装有内轴承；端盖装在壳筒壁端部并将支架压接在壳体内部，支架上内环的滑道和外环销孔内部都装有销轴，销孔内的销轴顶靠在壳筒壁的内侧且可转动，滑道内的销轴可沿滑道滑动；由基板及其一侧所粘接的压电片构成的压电振子的两端分别固定在滑道和销孔内销轴的销槽内，压电片靠近销轴的中心安装；压电振子两端的销轴分别顶靠在壳筒壁和内轴承外圈上，压电振子为装配预弯结构且压电片承受压应力，压电振子两端销轴的中心线与激励轴线和支撑轴线共面时压电振子弯曲变形量最大或最小：压电振子远离激励轴线一侧时两个销轴间的距离最长、压电振子变形量最小且大于零，转轴转过180度时两个销轴间的距离最短、压电振子弯曲变形量达到最大。

2.根据权利要求1所述的一种等辐激励旋转俘能器，其特征在于：压电振子弯曲变形时压电片始终承受压应力，合理的相关参数关系为：x＝L/2-Rsin[L/(2R)]、R≥R^*、y＝(0.3～0.6)r，其中：x为激励轴线和支撑轴线间的距离，r为滑道和外环销孔内的销轴半径，y为滑道和外环销孔内的销轴中心和与其相邻的销槽的侧壁间的距离，L为压电振子可弯曲部分的长度，R和R^*分别为压电振子的实际弯曲半径和许用弯曲半径。

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