CN113629907A - 一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采集旋转轴能量的压电‑电磁复合式发电装置，包括转轴、机壳、定子、转子、激励永磁体、电磁线圈、压电片和耦合永磁体；转子设置于定子内部，转子外套在转轴上；电磁线圈缠绕在转子上构成绕组；转子上均匀设置4个矩形安装槽，4个压电片的一端分别安装在4个矩形安装槽内，每个压电片的另一端安装有耦合永磁体；定子内套在机壳内圈；在定子上均匀设置20个矩形内嵌槽，每个矩形内嵌槽各嵌有1块激励永磁体；转轴旋转给转子提供一个角速度，电线线圈切割磁感线产生电能，实现电磁感应发电；同时压电片受力震动形变，产生电量，实现压电发电。本发明装置能在低转速下输出能量，提高了发电装置的输出电能和工作带宽。
Description
技术领域
本发明属于供电技术领域，具体涉及一种压电-电磁复合式发电装置。
背景技术
无线传感器由于其快速增长的应用前景而受到了各学科的广泛关注。传统的无线传感器往往采用蓄电池供电，不可避免地存在更换和充电不方便以及化学材料污染环境的缺点。因此，获取环境能量来供应这些传感器节点是一项关键技术来取代这些电池的作用，并朝着自主供电设备发展，从周围环境中采集电能供电无线微型电子设备已在过去十年被证明是一个有发展前景的替代方案。
无线传感器的重要应用之一是在线监测关键工业设备部件在变温度、高负载等条件下的健康状况。而许多关键的工业设备部件需要在旋转运动环境下进行监控，如轴承、齿轮箱、电机、风力机、燃气轮机等。对这些关键工业设备的早期故障现象或运行状态进行识别与监测，可以提高设备的使用寿命和可靠性。可应用于收集旋转能量的采集器可分为静电式、电磁式、压电式等等。压电俘能器其本身质地较脆，直接敲击会引发断裂降低其使用寿命，且压电俘能器俘能输出功率的频带窄，非适宜工作频率段效率较低。电磁俘能器特点为低电压大电流，在低转速时由于电压过低，电能无法通过采集电路，导致无输出电能。如2017年Luca Buccolini的论文An Energy Harvester Interface for Self-PoweredWireless Speed Sensor中所设计的采集自行车车轮旋转轴能量的电磁发电装置，在车速低于5km/h时，几乎没有输出电能，电能的采集效率与工作带宽较低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，包括转轴、机壳、定子、转子、激励永磁体、电磁线圈、压电片和耦合永磁体；转子设置于定子内部，转子外套在转轴上；电磁线圈缠绕在转子上构成绕组；转子上均匀设置4个矩形安装槽，4个压电片的一端分别安装在4个矩形安装槽内，每个压电片的另一端安装有耦合永磁体；定子内套在机壳内圈；在定子上均匀设置20个矩形内嵌槽，每个矩形内嵌槽各嵌有1块激励永磁体；转轴旋转给转子提供一个角速度，电磁线圈切割磁感线产生电能，实现电磁感应发电；同时压电片受力振动形变，产生电量，实现压电发电。本发明装置不仅能在低转速下输出能量，提高了发电装置的输出电能和工作带宽，还可在高转速下输出可观能量，提高采集器的能量密度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，包括转轴、机壳、定子、转子、激励永磁体、电磁线圈、压电片和耦合永磁体；
所述转子设置于定子内部，转子外套在转轴上；所述电磁线圈缠绕在转子上构成绕组；所述转子上均匀设置4个矩形安装槽，4个压电片的一端分别安装在4个矩形安装槽内，每个压电片的另一端安装有耦合永磁体；
所述定子内套在机壳内圈；定子上均匀设置N个矩形内嵌槽，每个矩形内嵌槽各嵌有1块激励永磁体；
所述转轴旋转给转子提供一个角速度，电磁线圈切割磁感线产生电能，实现电磁感应发电；同时根据正压电效应，压电片受力振动形变，产生电量，实现压电发电。
进一步地，所述激励永磁体为径向充磁方形激励永磁体，每相邻两块激励永磁体在径向磁性相反。
进一步地，所述转子经过绝缘处理。
进一步地，所述电磁线圈采用y形连接，共有20槽。
进一步地，所述压电片与矩形安装槽和转子的安装方式为焊接或粘贴连接。
进一步地，所述压电片为压电陶瓷PZT。
进一步地，所述N＝20。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明装置在低转速时压电能量较大，弥补了电磁俘能器无能量产出的不足。
(2)本发明装置在旋转轴时磁铁相互耦合带动压电片非接触式振动，与多数采用接触式相比使用寿命更长，且采用磁耦合作用改变了压电片的振动模态，可提高俘能器环境适应力。
(3)本发明装置，在高转速时由于压电俘能器工作带宽较窄，此时能量输出较低，电磁能量在高转速时输出较高，提高了该发电装置工作带宽。
(4)本发明装置，在较小空间复合两种发电装置，有较高的能量密度。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明装置主视图。
图3为本发明装置的转子结构示意图。
图4为本发明装置的定子结构示意图。
其中，1-转轴，2-机壳，3-定子，4-转子，5-激励永磁体，6-电磁线圈，7-压电片，8-耦合永磁体，9-矩形安装槽，10-矩形内嵌槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为了提高旋转轴发电装置的输出功率和带宽，本发明提出了一种适用于采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，该结构不仅可在低转速下启动工作，还具有较大的工作带宽，同时兼具高能量密度。
一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，包括转轴1、机壳2、定子3、转子4、激励永磁体5、电磁线圈6、压电片7和耦合永磁体8；
所述转子4设置于定子3内部，转子4外套在转轴1上；所述电磁线圈6缠绕在转子4上构成绕组；所述转子上均匀设置4个矩形安装槽9，4个压电片7的一端分别安装在4个矩形安装槽9内，每个压电片7的另一端安装有耦合永磁体8；
所述定子3内套在机壳2内圈；定子3上均匀设置20个矩形内嵌槽10，每个矩形内嵌槽10各嵌有1块激励永磁体5；
所述转轴1旋转给转子4提供一个角速度，根据电磁感应原理,电磁线圈6切割磁感线产生电能，实现电磁感应发电；同时根据正压电效应，压电片7受力振动形变，产生一定电量，实现压电发电。
进一步地，所述激励永磁体5为径向充磁方形激励永磁体，每相邻两块激励永磁体5在径向磁性相反。
进一步地，所述转子4经过绝缘处理。
进一步地，所述电磁线圈6采用y形连接，共有20槽。
进一步地，所述压电片7与矩形安装槽9和转子4的安装方式为焊接或粘贴连接。
进一步地，所述压电片7为功率密度较高的压电陶瓷PZT。
Claims (7)
1.一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，其特征在于，包括转轴(1)、机壳(2)、定子(3)、转子(4)、激励永磁体(5)、电磁线圈(6)、压电片(7)和耦合永磁体(8)；
所述转子(4)设置于定子(3)内部，转子(4)外套在转轴(1)上；所述电磁线圈(6)缠绕在转子(4)上构成绕组；所述转子上均匀设置4个矩形安装槽(9)，4个压电片(7)的一端分别安装在4个矩形安装槽(9)内，每个压电片(7)的另一端安装有耦合永磁体(8)；
所述定子(3)内套在机壳(2)内圈；定子(3)上均匀设置N个矩形内嵌槽(10)，每个矩形内嵌槽(10)各嵌有1块激励永磁体(5)；
所述转轴(1)旋转给转子(4)提供一个角速度，电磁线圈(6)切割磁感线产生电能，实现电磁感应发电；同时根据正压电效应，压电片(7)受力振动形变，产生电量，实现压电发电。
2.根据权利要求1所述的一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，其特征在于，所述激励永磁体(5)为径向充磁方形激励永磁体，每相邻两块激励永磁体(5)在径向磁性相反。
3.根据权利要求1所述的一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，其特征在于，所述转子(4)经过绝缘处理。
4.根据权利要求1所述的一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，其特征在于，所述电磁线圈(6)采用y形连接，共有20槽。
5.根据权利要求1所述的一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，其特征在于，所述压电片(7)与矩形安装槽(9)和转子(4)的安装方式为焊接或粘贴连接。
6.根据权利要求1所述的一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，其特征在于，所述压电片(7)为压电陶瓷PZT。
7.根据权利要求1所述的一种采集旋转轴能量的压电-电磁复合式发电装置，其特征在于，所述N＝20。
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