CN113992062A - 混合式鼠笼能量采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合式鼠笼能量采集装置，包括与外部转子相连的鼠笼固定端、鼠笼轴承端以及连接在鼠笼固定端与鼠笼轴承端之间的可拆卸笼条组件，鼠笼固定端、鼠笼轴承端、以及可拆卸笼条组件共同构成鼠笼结构；其中，在可拆卸笼条组件上设置有压电式能量采集组件；并且，在鼠笼轴承端上连接有摩擦电式能量采集组件。本发明提供的混合式鼠笼能量采集装置抗冲击能够实现转子系统的弹性支撑，不会对转子的工作状态产生影响；另外能够将转子中无用甚至有害的振动能量转换为电能，不会影响转子转速，同时能够降低转子振动响应；并且，该混合式鼠笼能量采集装置的输出电压能够表征转子系统的工作状态，具有转子系统状态监测的功能。

Description

混合式鼠笼能量采集装置
技术领域
本发明涉及能量采集技术领域，更为具体地，涉及一种混合式鼠笼能量采集装置。
背景技术
鼠笼结构通常用于转子系统的弹性支承，广泛应用在各类航空发动机中。通过鼠笼结构能够有效地调节航空发动机转子系统的共振频率从而实现减振的效果。
然而，在实际使用过程中，鼠笼结构经常因为振动过大或者应力集中出现疲劳裂纹甚至笼条断裂，因此降低鼠笼结构的振动对于提高鼠笼的使用寿命至关重要。现有的解决方法是采用振动能量采集技术将振动能量转换为电能，从而降低振动幅度，同时电能还能够用于鼠笼传感器的供能。
目前的振动能量采集技术根据能量转换机理的不同可以分为三类：压电式振动能量采集技术、摩擦电式能量采集技术和电磁式能量采集技术；其中，压电式能量采集技术使用压电材料作为换能器，通过一定的结构设计，使压电材料产生形变，从而能够将机械能转化为电能；摩擦电式能量采集技术主要利用摩擦起电原理，通过将机械振动转换为得失电子能力不同的两种材料的接触分离式的相对运动，在电极表面产生感应电荷，将振动能量转换为电能；电磁式能量采集技术则主要将振动转换为线圈和磁铁的相对运动，通过电磁感应产生电荷，将机械能转换为电能。
然而，根据工作机理的不同，三种不同的能量采集技术使用环境有所不同。压电材料产生的电荷量和压电材料中的应力呈现正相关关系，因此压电式能量采集技术在应力较大的结构中会获得更好的能量采集性能。摩擦起电产生的电荷主要受到接触面积变化量的影响，因此摩擦电式能量采集器更适合振动幅度较大的环境。电磁式能量采集器需要动静部件（包括磁铁和线圈）相结合，因此往往需要比较大的体积，适合于体积要求不高的环境。
基于以上技术问题，亟需一种能够适用与多种使用环境的鼠笼能量采集装置。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种能够采集转子横向振动能量的压电与磨擦电混合式鼠笼能量采集装置。
本发明提供的混合式鼠笼能量采集装置，包括与外部转子相连的鼠笼固定端、鼠笼轴承端以及连接在所述鼠笼固定端与所述鼠笼轴承端之间的可拆卸笼条组件，所述鼠笼固定端、所述鼠笼轴承端、以及所述可拆卸笼条组件共同构成鼠笼结构；其中，在所述可拆卸笼条组件上设置有压电式能量采集组件；并且，在所述鼠笼轴承端上连接有摩擦电式能量采集组件。
此外，优选的方案是，所述可拆卸笼条组件包括至少两条可拆卸笼条，各所述可拆卸笼条的两端分别通过第一锁紧件以及第二锁紧件与所述鼠笼固定端以及所述鼠笼轴承端可拆卸连接。
此外，优选的方案是，所述压电式能量采集组件包括压电片；并且，
所述压电片贴设在所述可拆卸笼条靠近所述鼠笼固定端的一侧。
此外，优选的方案是，所述第一锁紧件包括第一固定螺栓、第二固定螺栓以及第一压片，所述第二锁紧件包括第三固定螺栓、第四固定螺栓以及第二压片；其中，所述可拆卸笼条的一端通过所述第一固定螺栓、所述第二固定螺栓配合所述第一压片与所述鼠笼固定端可拆卸连接，所述可拆卸笼条的另一端通过所述第三固定螺栓、所述第四固定螺栓配合所述第二压片与所述鼠笼轴承端可拆卸连接。
此外，优选的方案是，所述可拆卸笼条在所述鼠笼固定端与所述鼠笼轴承端之间沿着所述鼠笼轴承端的周向分布。
此外，优选的方案是，所述可拆卸笼条在所述鼠笼固定端与所述鼠笼轴承端之间沿着所述鼠笼轴承端的周向呈均匀或对称或等间距分布。
此外，优选的方案是，所述摩擦电式能量采集组件的一端通过第三锁紧件与所述鼠笼轴承端相连；并且，所述摩擦电式能量采集组件处在相邻的两个所述可拆卸笼条之间。
此外，优选的方案是，所述第三锁紧件包括第五固定螺栓和第六固定螺栓；其中，所述摩擦电式能量采集组件的一端通过第五固定螺栓以及所述第六固定螺栓与所述鼠笼轴承端可拆卸连接。
此外，优选的方案是，所述摩擦电式能量采集组件包括依次层叠设置的亚克力板、铜箔、PVDF片和铝箔。
此外，优选的方案是，所述摩擦电式能量采集组件的共振频率与外部转子的转动频率相等。
和现有技术相比，上述根据本发明的混合式鼠笼能量采集装置，有如下有益效果：
本发明提供的混合式鼠笼能量采集装置能够应用于转子系统中起到弹性支撑的作用，能够通过压电效应和摩擦发电效应将振动能量转换为电能；此外，该混合式鼠笼能量采集装置利用的是转子系统中无用甚至是有害的能量，因此不会干扰转子系统的正常工作状态，且将转子的振动能量转化为电能能够在一定程度上降低转子的振动响应。此外，该混合式鼠笼能量采集装置通过可拆卸笼条上的压电片的输出电压能够有效的表征处转子系统的工作状态，能够通过其输出电压判断转子系统是否存在偏心，不对中或者碰磨等典型故障，具备转子系统的状态监测功能；另外，通过将压电片贴在靠近鼠笼固定端一侧，能够保证压电片中产生较大的应力，从而获得优异的能量采集性能，同时压电片将可拆卸笼条中的应力势能转换为电能，能够降低削弱笼条材料中的应力集中，降低材料疲劳失效的风险，提高了鼠笼结构的使用寿命；另外，将摩擦电式能量采集组件的振动频率（即共振频率）和转子振动频率（即转动频率）一致，能够有效地将鼠笼的振动能量转移到摩擦电式能量采集组件，实现其大幅度振动，从而产生优异的输出性能。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的混合式鼠笼能量采集装置的立体图；
图2为根据本发明实施例的摩擦电式能量采集组件的剖视图。
附图标记：鼠笼固定端100、第一固定螺栓210、第一固定螺栓230、第一压片220、压电片240、可拆卸笼条250、第三固定螺栓260、第四固定螺栓270、第二压片280、摩擦电式能量采集组件300、第五固定螺栓310、第六固定螺栓320、亚克力板301、铜箔302、 PVDF片303、铝箔304、鼠笼轴承端400。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面详细介绍本发明提供的混合式鼠笼能量采集装置的结构，图1示出了根据本发明实施例的混合式鼠笼能量采集装置的立体结构，图2示出了根据本发明实施例的摩擦电式能量采集组件的剖视结构。
结合图1、图2共同所示，本发明提供的混合式鼠笼能量采集装置，包括与外部待进行能量收集的转子相连的鼠笼固定端100、鼠笼轴承端400以及连接在鼠笼固定端100与鼠笼轴承端400之间的可拆卸笼条组件，鼠笼固定端100、鼠笼轴承端400、以及可拆卸笼条组件共同构成鼠笼结构；并且，在可拆卸笼条组件上设置有压电式能量采集组件；在鼠笼轴承端400上连接有摩擦电式能量采集组件300。在实际使用过程中，通过该鼠笼结构实现外部转子的弹性支撑，并通过压电式能量采集组件以及摩擦电式能量采集组件300采集外部转子的振动能量。
在本发明的一个具体的实施方式中，可拆卸笼条组件可以包括若干条（至少两条）可拆卸笼条250，各可拆卸笼条250的两端分别通过预设第一锁紧件以及第二锁紧件与鼠笼固定端100以及鼠笼轴承端400可拆卸连接，从而形成完整的鼠笼结构。
更为具体地，可拆卸笼条250在鼠笼固定端100与鼠笼轴承端400之间沿着鼠笼轴承端400的周向呈均匀或对称或等间距分布；通过这种设置，既能够有效提升整个鼠笼结构的刚度又能够防止整个鼠笼结构出现偏心现象。并且，在实际使用过程中，可以根据实时需求调节可拆卸笼条250在鼠笼固定端100与鼠笼轴承端400之间沿着鼠笼轴承端400的周向数目，从而调整整个鼠笼结构的刚度。
在本发明的一个优选的实施方式中，压电式能量采集组件可以包括压电片240（或其他压电式能量采集件，在此不再赘述）；并且，压电片240贴设在可拆卸笼条250靠近鼠笼固定端100的一侧，以将外部转子的振动能量转换为电能。需要说明的是，此处（靠近鼠笼固定端100的一侧）的应力较为集中，能够使压电式能量采集装置中的压电片240发挥更好的能量采集性能。
此外，还需要说明的是，由于可拆卸笼条250在鼠笼固定端100与鼠笼轴承端400之间沿着鼠笼轴承端400的周向呈均匀或对称或等间距分布，并且在每一个可拆卸笼条250上均设置有该压电片240，因此，还可以根据多个可拆卸笼条250上的压电片240的输出电压，判断外部转子是否出现偏心，不对中或者碰磨等典型故障，因此，该混合式能量采集装置还具备转子系统状态监测功能。
具体地，为实现各可拆卸笼条250的可拆卸固定，第一锁紧件包括第一固定螺栓210、第二固定螺栓230以及第一压片220，第二锁紧件包括第三固定螺栓260、第四固定螺栓270以及第二压片280；其中，可拆卸笼条250的一端通过第一固定螺栓210、第二固定螺栓230配合第一压片220与鼠笼固定端100可拆卸连接，可拆卸笼条250的另一端通过第三固定螺栓260、第四固定螺栓270配合第二压片280与鼠笼轴承端400可拆卸连接。
此外，在本发明的另一个具体地实施方式中，摩擦电式能量采集组件300的一端通过第三锁紧件与鼠笼轴承端400相连；并且，摩擦电式能量采集组件300处在相邻的两个可拆卸笼条250之间。并且，为实现摩擦电式能量采集组件300的可拆卸固定，第三锁紧件包括第五固定螺栓310和第六固定螺栓320；其中，摩擦电式能量采集组件300的一端通过第五固定螺栓310以及第六固定螺栓320与鼠笼轴承端400可拆卸连接。
更为具体地，摩擦电式能量采集组件300包括依次层叠设置的亚克力板301、铜箔302、PVDF片303和铝箔304；在实际使用过程中，随着整个摩擦电式能量采集组件300的振动，亚克力板301、铜箔302、PVDF片303和铝箔304四者相邻材料之间会产生摩擦，基于摩擦起电原理将机械振动转换为得失电子能力不同的两种材料的接触分离式的相对运动，从而在电极表面产生感应电荷，将振动能量转换为电能。需要说明的是，摩擦电式能量采集组件300中各材料的尺寸由转子系统工作转速确定，使得摩擦电式能量采集组件300的共振频率（即亚克力板301、铜箔302、PVDF片303和铝箔304四者的共振频率）接近甚至是等同于（优选等同）外部转子转动频率，这样能够将鼠笼的振动能量转移到摩擦电式能量采集组件300上，实现其大幅度振动，提高其能量采集性能。
为进一步说明本发明提供的混合式鼠笼能量采集装置的结构，下面对其工作原理做进一步说明。
在使用过程中，鼠笼固定端100安装在外部转子的台面上，固定整个鼠笼混合式能量采集装置，鼠笼轴承端400用于放置轴承，将鼠笼式能量采集装置和外部转子相连接，成为转子的弹性支承，可以通过调节鼠笼混合式能量采集装置中的可拆卸笼条250的数量和摩擦电式能量采集组件300的长度，从而调整能量采集装置的输出特性。
外部转子在振动过程中会产生振动，该振动通过轴承传递到鼠笼混合式能量采集装置上，导致鼠笼混合能量采集装置发生振动；在这种条件下，可拆卸笼条250上靠近鼠笼固定端100的地方会产生应力集中，从而导致笼条上的压电片240产生变形，在压电片240的电极层产生电荷，将机械能转换为电能；鼠笼轴承端400振动幅度最大，会导致摩擦电式能量采集组件300产生较大的振幅，在鼠笼工作过程中，亚克力板和PVDF片会随着鼠笼结构发生振动，亚克力板刚度大，振动幅度小，PVDF片刚度小，振动幅度大。因此，两者在振动过程中，是一个反复的接触分离的过程，此时因为得失电子能力不同，亚克力板和PVDF片上会产生电子的转移，导致PVDF和亚克力板上产生电荷的集聚，从而在铜箔和铝箔上产生感应电荷，形成电势差，能够对外做功，将机械能转换为电能；同时，压电式能量采集组件和摩擦电式能量采集式组件能够将整个鼠笼结构的部分振动能量转换为电能，从而降低鼠笼结构的疲劳失效风险，提高鼠笼结构的使用寿命。
同时，该混合式能量采集装置的输出电压（主要是压电片240输出电压）的时域变化规律和频率信息能够有效的判断转子是否发生了偏心、不对中或者碰磨等典型故障，使其具备了转子系统状态监测的供能。
如上参照图1、图2以示例的方式描述根据本发明的混合式鼠笼能量采集装置。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的混合式鼠笼能量采集装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，包括与外部转子相连的鼠笼固定端、鼠笼轴承端以及连接在所述鼠笼固定端与所述鼠笼轴承端之间的可拆卸笼条组件，所述鼠笼固定端、所述鼠笼轴承端、以及所述可拆卸笼条组件共同构成鼠笼结构；其中，
在所述可拆卸笼条组件上设置有压电式能量采集组件；并且，
在所述鼠笼轴承端上连接有摩擦电式能量采集组件。
2.如权利要求1所述的混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，
所述可拆卸笼条组件包括至少两条可拆卸笼条，各所述可拆卸笼条的两端分别通过第一锁紧件以及第二锁紧件与所述鼠笼固定端以及所述鼠笼轴承端可拆卸连接。
3.如权利要求2所述的混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，
所述压电式能量采集组件包括压电片；并且，
所述压电片贴设在所述可拆卸笼条靠近所述鼠笼固定端的一侧。
4.如权利要求2所述的混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，
所述第一锁紧件包括第一固定螺栓、第二固定螺栓以及第一压片，所述第二锁紧件包括第三固定螺栓、第四固定螺栓以及第二压片；其中，所述可拆卸笼条的一端通过所述第一固定螺栓、所述第二固定螺栓配合所述第一压片与所述鼠笼固定端可拆卸连接，所述可拆卸笼条的另一端通过所述第三固定螺栓、所述第四固定螺栓配合所述第二压片与所述鼠笼轴承端可拆卸连接。
5.如权利要求2所述的混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，
所述可拆卸笼条在所述鼠笼固定端与所述鼠笼轴承端之间沿着所述鼠笼轴承端的周向分布。
6.如权利要求5所述的混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，
所述可拆卸笼条在所述鼠笼固定端与所述鼠笼轴承端之间沿着所述鼠笼轴承端的周向呈均匀或对称或等间距分布。
7.如权利要求5所述的混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，
所述摩擦电式能量采集组件的一端通过第三锁紧件与所述鼠笼轴承端相连；并且，所述摩擦电式能量采集组件处在相邻的两个所述可拆卸笼条之间。
8.如权利要求7所述的混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，
所述第三锁紧件包括第五固定螺栓和第六固定螺栓；其中，所述摩擦电式能量采集组件的一端通过第五固定螺栓以及所述第六固定螺栓与所述鼠笼轴承端可拆卸连接。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，
所述摩擦电式能量采集组件包括依次层叠设置的亚克力板、铜箔、PVDF片和铝箔。
10.如权利要求9所述的混合式鼠笼能量采集装置，其特征在于，
所述摩擦电式能量采集组件的共振频率与外部转子的转动频率相等。
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