CN113437899A - 一种随动的旋转体监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种随动的旋转体监测装置，属新能源与监测技术领域。带电路板的机盖装在机壳端部，传感器装在机壳或旋转体上，磁铁和惯性块装在激励盘上，线圈、换能器及传感器与电路板相连，机壳底壁设有沉腔、半轴和线圈，激励盘套在半轴上；换能器和腔环安装在沉腔内并与沉腔底壁围成阻尼腔；换能器为由耦合片与其一侧或两侧所设置的换能片构成的压电换能器或摩擦换能器，耦合片为铁磁性材料的弹性薄片，耦合片上设有阻尼孔，换能片为单个环形片或一组扇形片；机壳与激励盘相对转动时，磁铁经耦合片带动换能器往复弯曲变形、线圈交替地切割磁力线，将机械能转换成电能并供给传感器，传感器实时地获得相关系统参数后再经发射系统发射出去。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种随动的旋转体监测装置，用于回收旋转体动能或流体能并为随旋转体一起转动的健康监测系统供电。
背景技术
根据资料，全球投入使用的物联网传感器及设备或已由2016年的1～2亿个增加到2020年的 260亿个，物联网传感器及设备的信息获取与交换均需持续不断的能量供给，如电池供电则需经常更换、电缆供电则成本高、可移动性差、不便用于旋转机械及野外自然环境。因此，人们提出了功能各异的微小型旋转发电机，以期通过收集环境能实现真正意义上的自供电和免维护。实践表明，为构建自供电机械结构健康及自然环境监测系统，可采用旋转发电机回收旋转机械能和流体动能。旋转机械能包括机床、发动机、发电机、油气钻、车辆等的主轴、轴承、齿轮，风机及风力发电机等的叶轮和叶片动能，流体能包括长输油气、化工设备、自来水、煤气等管道流体能，航空器、船舶、高铁等引起的相对流、河流、风等的动能。现实环境中旋转体转速及流体速度高且变化范围较大，其中航空发动机转速近1万转/分，故要求发电机应具较强的环境适应性和可靠性，以确保较大速度范围内均能被有效激励、并安全可靠地运行。然而，现有发电机大多仅单一原理构成，如电磁发电机、压电发电机及摩擦发电机等。单一原理发电机的体积能量密度低、环境适应性差，如：电磁发电高速发电效果好，不适于低速；摩擦发电仅能利用滑移式结构，工作中易因摩擦磨损失效；压电发电仅适于工作在共振状态下，有效带宽窄、可靠性低，其共振时变形为非共振时的数十甚至上百倍、压电片易碎，非共振时电压过低、无法应用。显然，现有各类微型发电机在应用上都有明显的弊端和不足，严重地制约了自供电传感监测技术的推广应用。
发明内容
本发明提出一种随动的旋转体监测装置，本发明采用的实施方案是：主要由机壳、机盖、激励盘、换能器、腔环、磁铁、圆形线圈、扇形线圈、电路板、传感器及惯性块构成；机盖经螺钉安装在机壳端部，机壳经螺钉安装在旋转体上，电路板装在机盖上并置于机壳内部，电路板上设有能量转换与控制电路及发射系统，传感器装在机壳或旋转体上，磁铁和惯性块安装在激励盘上，惯性块为扇形，磁铁沿激励盘圆周方向均布，圆形线圈、扇形线圈、换能器及传感器经不同的导线组与电路板相连。
机壳底壁内侧设有沉腔和半轴，半轴位于底壁的中心位置，机壳底壁上嵌有圆形线圈和扇形线圈，圆形线圈位于沉腔的底壁上，扇形线圈位于各相邻的沉腔之间；激励盘的轴孔套在半轴上并经挡片限位，挡片经螺钉安装在半轴端部，激励盘可在半轴上转动，激励盘位于机壳内部；压环经螺钉将换能器和腔环压接在沉腔的底壁上，换能器、腔环和沉腔的底壁围成阻尼腔；换能器为压电换能器、摩擦换能器或压电-摩擦复合换能器。
换能器由耦合片与其一侧或两侧所设置的换能片构成，耦合片中心处设有阻尼孔；换能片为单个环形片或一组扇形片，换能片为单层、二层或三层结构；单层的换能片为压电片，二层的换能片为由基片与压电片粘接而成的压电换能片或由基片与外摩擦片粘接而成的摩擦换能片，三层的换能片为由基片与其两侧所分别粘接的压电片和外摩擦片构成的压电-摩擦复合换能片；单层的换能片经与耦合片粘接构成一体化的换能器，二层和三层的换能片经与耦合片压接安装构成组合的换能器，换能片为二层和三层结构时耦合片两侧粘接有内摩擦片；二层和三层的换能片与耦合片的固定端经压环和腔环压接，耦合片与换能片的基片间不导通、即作绝缘处理或设有绝缘垫，压电换能片的基片与耦合片上的内摩擦片接触，摩擦换能片及压电-摩擦复合换能片的外摩擦片与耦合片或耦合片上的内摩擦片接触。
换能器与阻尼腔构成腔式阻尼振动系统，其系统阻尼可通过阻尼腔高度和阻尼孔直径调节。
耦合片为铁磁性材料的弹性薄片，耦合片材料为Fe、Ni、Co、Mn等铁磁性材料或其合金，压电片的材料为PZT类晶片或PVDF类薄膜，基片的材料为铜或铍青铜，外摩擦片为与耦合片或耦合片上所粘接的内摩擦片的摩擦电序列相隔较远的材料，如：内摩擦片的材料为聚酰胺、耦合片的材料为镍时，外摩擦片材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺。
压电片与耦合片或基片粘接构成压电俘能单元，粘接有外摩擦片的基片与耦合片或粘接有内摩擦片的耦合片构成摩擦俘能单元，圆形线圈及扇形线圈与磁铁构成电磁俘能单元，各俘能单元通过不同的导线组与电路板相连。
机壳随旋转体转动时，激励盘在惯性块的惯性力作用下保持相对静止、不随旋转体转动，机壳上的换能器、圆形线圈及扇形线圈与激励盘上的磁铁之间形成相对转动：换能器由远及近逐渐靠近磁铁时，换能器中的耦合片被磁铁磁化，耦合片与磁铁之间产生相互吸引力，耦合片带动换能片一起向激励盘方向弯曲变形；换能器逐渐转动、远离磁铁时，耦合片与磁铁间的吸引力逐渐消失，耦合片及换能片在其自身弹性力的作用下逐渐复位、远离激励盘；机壳与激励盘相对转动的过程中，耦合片与磁铁间交替地产生吸引力，至少同时存在以下两种现象：圆形线圈及扇形线圈反复地切割磁力线，电磁俘能单元发电；压电片弯曲变形、应力交替地增加和减小，压电俘能单元发电；内摩擦片和外摩擦片往复地接触与分离，摩擦俘能单元发电；各俘能单元所生成的电能经电路板上的转换电路处理后存储起来或供给传感器，传感器实时地获得相关系统参数后再经电路板上的发射系统发射出去。
本发明中，旋转体转速较低时压电俘能单元和摩擦俘能单元起主要作用，高速时电磁俘能单元起主要作用；其它条件确定时，可通过阻尼腔高度和阻尼孔孔径调节压电俘能单元和摩擦俘能单元的振动幅频特性，避免工作转速范围内出现明显的共振现象。
本发明中，换能器与磁铁相对转动时，耦合片所受磁铁的切向作用力和弯扭力矩小，故所需的惯性块的质量和体积小，高转速时激励盘不会随机壳转动；同时，换能器以轴向变形为主、弯扭变形小，可有效提高压电俘能单元和摩擦俘能单元的效率。
为进一步降低激励盘所受的切向随动力，各耦合片不同时与磁铁相互作用；为使耦合片工作在一阶模态下，换能器不同时与两个圆周方向相邻的磁铁相互作用；合理的系统参数关系为：Nm<Np且Nm和Np为互质数，Nm≤π/[arcsin(rm/R)+arcsin(rp/R)]，其中：Nm和Np分别为激励盘上均布的磁铁数量和机壳上均布的换能器数量，rm和rp分别为磁铁的半径和换能器的半径，R为磁铁和换能器的中心所在圆周的半径。
优势与特色：多种发电原理有机结合，体积能量密度大、环境适应性强；摩擦发电单元采用接触-分离结构，避免摩擦磨损；压电发电单元利用阻尼腔调节系统阻尼、工作转速范围无共振或共振幅值小，利用薄片型耦合片替代块状的受激磁铁与激励磁铁产生耦合力、降低换能器等效质量、提高固有频率，故转速适应性强且适于高速旋转，可靠性高，发电能力强，结构简单、体积小、易于与旋转体集成。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中监测装置的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是本发明一个较佳实施例中机壳的结构示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中激励盘的结构示意图；
图6是本发明一个较佳实施例中换能器的结构示意图；
图7是换能片为圆形结构时图6的左视图；
图8是换能片为扇形结构时图6的左视图。
具体实施方式
一种随动的旋转体监测装置，主要由机壳a、机盖b、激励盘c、换能器i、腔环h、磁铁e、圆形线圈g、扇形线圈k、电路板p、传感器s及惯性块f构成，机盖b经螺钉安装在机壳a的端部，机壳a与机盖b经螺钉安装在旋转体Z上，电路板p安装在机盖b上并置于机壳a的内部，电路板p 上设有能量转换与控制电路及发射系统，传感器s安装在机壳a或旋转体Z上，磁铁e和惯性块f 安装在激励盘c上，惯性块f为扇形，磁铁e沿激励盘c的圆周方向均布，圆形线圈g、扇形线圈k、换能器i及传感器s经不同的导线组与电路板p相连。
机壳底壁a1内侧设有沉腔a2和半轴a3，半轴a3位于底壁a1的中心位置，机壳底壁a1上嵌有圆形线圈g和扇形线圈k，圆形线圈g位于沉腔a2的底壁上，扇形线圈k位于各相邻的沉腔a2 之间；激励盘c的轴孔c1套在半轴a3上并经挡片d限位，激励盘c可在半轴a3上转动，激励盘c 位于机壳a的内部；压环j经螺钉将换能器i和腔环h压接在沉腔a2的底壁上，换能器i、腔环h和沉腔a2的底壁围成阻尼腔C。
换能器i为压电换能器、摩擦换能器或压电-摩擦复合换能器；换能器i由耦合片i1与其一侧或两侧所设置的换能片i2构成，耦合片i1的中心处设有阻尼孔i11；换能片i2为单个环形片i21 或一组扇形片i22，换能片i2为单层、二层或三层结构；单层的换能片i2为压电片，二层的换能片i2为由基片与压电片粘接而成的压电换能片或由基片与外摩擦片粘接而成的摩擦换能片，三层的换能片i2为由基片与其两侧所分别粘接的压电片和外摩擦片构成的压电-摩擦复合换能片；单层的换能片i2经与耦合片i1粘接构成一体化的换能器i，二层和三层的换能片i2经与耦合片i1压接安装构成组合的换能器i，换能片i2为二层和三层结构时耦合片i1两侧粘接有内摩擦片；二层和三层的换能片i2与耦合片i1的固定端经压环j和腔环h压接，耦合片i1与换能片i2 的基片间不导通、即作绝缘处理，压电换能片的基片与耦合片i1上的内摩擦片接触，摩擦换能片及压电-摩擦复合换能片的外摩擦片与耦合片i1上的内摩擦片接触。
换能器i与阻尼腔C构成腔式阻尼振动系统，其系统阻尼可通过阻尼腔C的高度和阻尼孔 i11的直径调节。
耦合片i1为铁磁性材料的弹性薄片，耦合片i1的材料为Fe、Ni、Co、Mn等铁磁性材料或其合金，压电片的材料为PZT类晶片或PVDF类薄膜，基片的材料为铜或铍青铜，外摩擦片为与耦合片i1或耦合片i1上所粘接的内摩擦片的摩擦电序列相隔较远的材料，如：内摩擦片的材料为聚酰胺、耦合片i1的材料为镍时，外摩擦片材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺。
压电片与耦合片i1或基片粘接构成压电俘能单元，粘接有外摩擦片的基片与粘接有内摩擦片的耦合片i1构成摩擦俘能单元，圆形线圈g及扇形线圈k与磁铁e构成电磁俘能单元，各俘能单元通过不同的导线组与电路板p相连。
机壳a随旋转体Z转动时，激励盘c在惯性块f的惯性力G作用下保持相对静止、不随旋转体 Z转动，机壳a上的换能器i、圆形线圈g及扇形线圈k与激励盘c上的磁铁e之间形成相对转动：换能器i由远及近逐渐靠近磁铁e时，换能器i中的耦合片i1被磁铁e磁化，耦合片i1与磁铁e之间产生相互吸引力，耦合片i1带动换能片i2一起向激励盘c方向弯曲变形；换能器i逐渐转动、远离磁铁e时，耦合片i1与磁铁e间的吸引力逐渐消失，耦合片i1及换能片i2在其自身弹性力的作用下逐渐复位、远离激励盘c；机壳a与激励盘c相对转动的过程中，至少同时存在以下两种现象：圆形线圈g及扇形线圈k反复地切割磁力线，电磁俘能单元发电；压电片弯曲变形、应力交替地增加和减小，压电俘能单元发电；内摩擦片和外摩擦片往复地接触与分离，摩擦俘能单元发电；各俘能单元所生成的电能经电路板p上的转换电路处理后存储起来或供给传感器s，传感器s实时地获得相关系统参数后再经电路板p上的发射系统发射出去。
本发明中，旋转体Z的转速较低时压电俘能单元和摩擦俘能单元起主要作用，高速时电磁俘能单元起主要作用；其它条件确定时，可通过阻尼腔C的高度和阻尼孔i11的孔径调节压电俘能单元和摩擦俘能单元的振动幅频特性，避免工作转速范围内出现明显的共振现象。
本发明中，换能器i与磁铁e相对转动时，耦合片i1所受磁铁e的切向作用力和弯扭力矩小，故所需的惯性块f的质量和体积小，高转速时激励盘c也不会随机壳a转动；同时，换能器i以轴向变形为主、弯扭变形小，可有效提高压电俘能单元和摩擦俘能单元的效率。
为进一步降低激励盘c所受的切向随动力，各耦合片i1不同时与磁铁e相互作用；为使耦合片i1工作在一阶模态下，应避免换能器i同时与两个圆周方向相邻的磁铁e相互作用；合理的系统参数关系为：Nm<Np且Nm和Np为互质数，Nm≤π/[arcsin(rm/R)+arcsin(rp/R)]，其中：Nm和Np分别为激励盘c上均布的磁铁e的数量和机壳a上均布的换能器i的数量，rm和rp分别为磁铁 e的半径和换能器i的半径，R为磁铁e和换能器i的中心所在圆周的半径。
Claims (4)
1.一种随动的旋转体监测装置，主要由机壳、机盖、激励盘、换能器、腔环、磁铁、圆形、电路板、传感器及惯性块构成，机盖装在机壳端部，机壳装在旋转体上，电路板装在机盖上，电路板上设有能量转换与控制电路及发射系统，传感器装在机壳或旋转体上，磁铁和惯性块装在激励盘上，线圈、换能器及传感器与电路板相连，其特征在于：机壳底壁上设有沉腔、半轴和线圈，激励盘套在半轴上；换能器和腔环安装在沉腔内并与沉腔底壁围成阻尼腔；换能器为由耦合片与其一侧或两侧所设置的换能片构成的压电换能器或摩擦换能器，耦合片为铁磁性材料的弹性薄片，耦合片上设有阻尼孔，换能片为单个环形片或一组扇形片；机壳与激励盘相对转动时，磁铁经耦合片带动换能器往复弯曲变形、线圈交替地切割磁力线，将机械能转换成电能并供给传感器，传感器实时地获得相关系统参数后再经电路板上的发射系统发射出去。
2.根据权利要求1所述的一种随动的旋转体监测装置，其特征在于：换能片为单层结构，单层的换能片为压电片，压电片经与耦合片粘接构成一体化的换能器。
3.根据权利要求1所述的一种随动的旋转体监测装置，其特征在于：换能片为二层或三层结构，耦合片两侧粘接有内摩擦片，二层的换能片为由基片与压电片粘接而成的压电换能片或由基片与外摩擦片粘接而成的摩擦换能片，三层的换能片为由基片与其两侧所分别粘接的压电片和外摩擦片构成的压电-摩擦复合换能片；二层和三层的换能片经与耦合片压接安装构成组合的换能器。
4.根据权利要求1所述的一种随动的旋转体监测装置，其特征在于：各耦合片不同时与磁铁相互作用，换能器不同时与两个圆周方向相邻的磁铁相互作用，磁铁数量和换能器数量为互质数。
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- 2021-07-05 CN CN202110758326.0A patent/CN113437899B/zh active Active
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