CN116436338A - 一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置，包括：外磁盘、内磁体支撑、曲张式压电能量转换装置、永磁体组；内磁体支撑和外磁盘以一定间距依次套设在转子系统的转轴上，内磁体支撑与转轴固定连接作为驱动部件，外磁盘通过设于中心处的轴承与转轴转动连接作为从动部件；驱动部件通过永磁体组之间的磁斥力驱动从动部件转动；曲张式压电能量转换装置固定粘接于外磁盘内部的弧形槽内，下侧与弧形永磁体固定粘接；永磁体组之间的磁斥力造成对曲张式压电能量转换装置的挤压；本发明能够通过永磁体组提供的正负刚度的共同作用实现对转子系统的扭振抑制，同时将振动能量俘获作为电能为系统电子设备供能。
Description
技术领域
本发明涉及减振结构技术领域及压电陶瓷材料，尤其涉及一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置。
技术背景
转子系统在运行过程中振动过大，不仅容易导致系统故障，而且严重降低了旋转机械的使用寿命。转子系统的有效振动抑制已成为工业发展中亟待解决的问题。磁耦合式非线性能量阱作为一种被动吸振器，因其结构简单且具有良好的宽频抑振效果，故利用磁耦合式非线能量阱实现对机械振动抑制的研究较多。随着无线和MEMS技术的发展，能量俘获技术可以作为传统电池的替代品，超低功耗的便携式电子产品和无线传感器使用传统电池作为电源，但电池的寿命有限，与设备的工作时间相比较短，更换或者给电池充电的做法效率低，并且有时很难实现，为此在航空航天及汽车等工业领域，如果能将转子系统中的振动能量转换为电能，为系统中的电子设备例如传感器等供电，则既可以避免能量的浪费，又同时满足自身的电能需求。利用压电材料的压电效应将机械振动能量转化为电能是能量俘获的有效方法之一，但目前针对转子系统的扭振抑制及其振动能量俘获的案例尚未出现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于磁非线性、结构简单的用于转子系统的扭振抑制结构，同时作为能将转子系统产生的振动能量转换为电能为自身系统的电子设备供能的一种俘能装置。
本发明提供一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置，包括：外磁盘、内磁体支撑、曲张式压电能量转换装置；所述外磁盘和内磁体支撑以一定间距依次套设在转子系统的转轴上，所述外磁盘通过设于中心处的轴承与转轴转动连接，所述内磁体支撑与转轴固定连接，所述外磁盘为圆盘状，所述内磁体支撑由四根短直梁与圆环为一体组成，被视为刚体，短直梁沿圆环半径方向均匀设置；所述外磁盘内侧环形面开有弧形切槽，所述外磁盘外侧圆面开有圆孔，弧形切槽与圆孔一一对应，并以转轴为轴心沿圆周均匀分布，所述曲张式压电能量转换装置由外金属层、压电陶瓷、内金属层组成，所述曲张式压电能量转换装置与弧形槽固定粘接，所述弧形永磁体A与曲张式压电能量转换装置固定粘接，所述弧形永磁体B与内磁体支撑的圆环固定粘接，所述弧形永磁体A和弧形永磁体B两两一组相对设置且极性相互排斥，所述外磁盘内部扇形凸台侧面与内磁体支撑的短直梁侧面上设有数量相同的矩形永磁体，所述外磁盘内部扇形凸台侧面与内磁体支撑的短直梁侧面的矩形永磁体两两一组相对设置且极性相互排斥。
在本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置中，通过改变矩形永磁体的间距来改变正刚度。
在本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置中，通过改变矩形永磁体的材料来改变正刚度。
在本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置中，通过改变弧形永磁体的间距来改变负刚度。
在本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置中，通过改变弧形永磁体的材料来改变正刚度。
在本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置中，转子系统运作后，转轴将动力传递给内磁体支撑，内磁体支撑通过其短直梁上的矩形永磁体与外磁盘上扇形凸台侧面上的矩形永磁体之间的磁斥力，将动力传递给外磁盘，形成正刚度。
在本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置中，转子系统振动后，将振动传递给内磁体支撑，产生的扭振带动内磁体支撑于外磁盘发生相对角位移，外磁盘和内磁体支撑上相对设置的一组弧形永磁体同时也产生相对角位移，使弧形永磁体组产生的磁斥力与磁吸力的合力随着相对角位移变化而变化，形成负刚度。
在本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置中，采用曲张式压电能量转换装置，钹结构在横向外力作用下产生较大的面内应变，有利于微能量的收集。曲张式压电能量转换装置的外金属层与内金属层受到外部径向压力导致变形，从而压迫－拉伸压电晶体，压电晶体产生压电效应而产生电压。
在本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置中，当转子系统作周期性振动时，由振动造成内磁体支撑与外磁盘之间的相对角位移，构成弧形永磁体组之间的往复相对角位移，从而造成弧形永磁体组之间的磁斥力和磁吸力之间的改变，迫使弧形永磁体A由于弧形永磁体B对其的磁斥力及自身重力而发生沿弧形切槽的往复振动，接着弧形永磁体A可以压迫－拉伸曲张式压电能量转换装置的内金属层，导致内金属层的结构变形，从而压迫和拉伸压电块，产生压电效应而产生电压，电信号经信号线传输至转子系统的电子设备为其供能。
在本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置中，至少具有以下有益效果：
1.本发明中，外磁盘和内磁体支撑以一定间距依次套设在转子系统的转轴上，外磁盘与转轴间有轴承，内磁体支撑与轴相对固定，避免了用于转子系统的磁耦合双稳态非线性能量阱轴向攒动并保证了内磁体支撑的轴向转动，规定了本发明一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置的工作状态。
2.本发明中，通过改变内磁体支撑短直梁和外磁盘扇形凸台上矩形永磁体组的数量，进而调节矩形永磁体形成的正刚度，以此改变扭振抑制效果。
3.本发明中，通过改变内磁体支撑圆环和外磁盘上弧形永磁体组的数量，进而调节弧形永磁体形成的负刚度，以此改变扭振抑制效果。
4.本发明中，通过改变矩形永磁体和弧形永磁体的，进而调节扭振抑制装置拟合出的非线性立方刚度，能够吸收转子系统的扭振，同时改变弧形永磁体的平衡位置。
5.本发明中，利用曲张式压电能量转换装置，将转子系统产生的振动能量转换为可以直接为自身转子系统的电子设备供电，避免了为转子系统的电子设备再多布置电源或者更换电池，并且能量转换装置不需要开关，物体运作起来即视为开始工作。
6.与现有的扭振抑制结构相比，本发明基于磁耦合双稳态的非线性能量阱机构，结构简单，便于实施。
7.与现有的扭振抑制结构相比，本发明集成有曲张式压电能量转换装置，该压电能量转换装置将弧形永磁体A的上下振动转化为单向的压迫，具有机械整流的功能，可以俘获更多的能量且控制方便。
附图说明
图1本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置的结构示意图；
图2为本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置的装配体爆炸图；
图3为本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置的外磁盘局部剖视图；
图4为本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置的曲张式压电能量转换装置的结构示意图；
图5为本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置的运动平面示意图及恢复力曲线图；
图6为本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置的曲张式压电能量转换装置的结构简化图；
其中：1-内磁体支撑；2-弧形永磁体B；3-外磁盘；4-弧形永磁体A；5-矩形永磁体；6-扇形凸台；7-信号线；8-圆孔；9-曲张式压电能量转换装置；10-弧形切槽；11-轴承；12-外金属层；13-压电陶瓷；14-内金属层；15-转轴。
具体实施方式
如图1、2和3所示，一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置，包括：内磁体支撑1、外磁盘3和曲张式压电能量转换装置9。所述内磁体支撑1和外磁盘3依次以一定间隔套设在转子系统的转轴15上，所述外磁盘3通过轴承11与转轴15连接，所述外磁盘3为圆盘状，所述内磁体支撑1由四根短直梁与圆环为一体组成，被视作刚体，短直梁沿圆环半径方向均匀设置，所述外磁盘3内侧环形面开有弧形切槽10，所述外磁盘3外侧圆面开有圆孔8，弧形切槽10与圆孔8一一对应，并以转轴15为轴心沿圆周均匀分布，所述曲张式压电能量转换装置9被置于弧形切槽10内，所述曲张式压电能量转换装置9的外金属层12与弧形切槽10的弧面粘接，所述曲张式压电能量转换装置9的内金属层14与弧形永磁体A4的下弧面粘接，所述内磁体支撑1的圆环的环形表面上设有弧形永磁体B2与其粘接，且弧形永磁体B2沿圆周均匀分布，所述内磁体支撑1的短直梁的两矩形面上分别粘接有1个矩形永磁体5，所述外磁盘3的扇形凸台6的两矩形面分别粘接有1个矩形永磁体5，所述内磁体支撑1和外磁盘3上的弧形永磁体两两一组相对设置且极性排斥，所述内磁体支撑1和外磁盘3上的矩形永磁体两两一组相对设置且极性排斥，所述曲张式压电能量转换装置9将转子系统振动引起的弧形永磁体A4的上下振动转换为电压，通过信号线7传输至转子系统的电子设备为其供能。
如图4所示，为本发明的曲张式压电能量转换装置的结构示意图，包括：外金属层12、压电陶瓷13(压电陶瓷或其他压电材料)、内金属层14。压电陶瓷13内外粘接凸型金属片，即外金属层12和内金属层14，这种结构使压电陶瓷13上的应力分布更加均匀，从而有利于提高压电俘能装置的俘能效率。当转子系统振动时，由振动造成内磁体支撑1与外磁盘3之间的相对角位移，同时构成弧形永磁体组之间的往复相对角位移，从而造成弧形永磁体组之间的磁斥力和磁吸力之间的改变，迫使弧形永磁体A4由于弧形永磁体B2对其的磁斥力及自身重力而发生沿弧形切槽10的往复振动，接着弧形永磁体A4可以压迫－拉伸内金属层14，导致内金属层14的结构变形，从而压迫和拉伸压电块，产生压电效应而产生电压。非线性能量阱结构对转子系统扭振的抑制呈周期性变化的，所以弧形永磁体A压迫内金属层的压力基本不变，所以每个受压和拉伸的曲张式压电能量转换装置产生电压比较稳定。
具体实施时，通过改变内磁体支撑1短直梁和外磁盘扇形凸台上矩形永磁体组的数量，进而调节矩形永磁体组形成的正刚度，以此改变扭振抑制效果。
具体实施时，通过改变内磁体支撑1的圆环和外磁盘3上弧形永磁体组的数量，进而调节弧形永磁体组形成的负刚度，以此改变扭振抑制效果。
具体实施时，由矩形永磁体组产生的正刚度及弧形永磁体组产生的负刚度，共同作用，实现对转子系统的动态吸振。
具体实施时，通过改变弧形切槽10的数量改变曲张式压电能量转换装置的数量，进而调节本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置输出总能量的大小。
如图5所示，为本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置的运动平面示意图及恢复力曲线图。转子系统振动时，内磁体支撑1和外磁盘3上的弧形永磁体组之间的相对角位移约为为±3°，如此小的角位移可以近似简化为如图所示的二维平面的直线往复运动，利用磁荷模型，作用于非线性能量阱结构上的恢复力可表示为：
其中，
其中J为永磁体的极化强度，μ0为真空磁导率因子(μ0＝4π×10-7H/m)，弧形永磁体因其弧度极小可近似看作矩形永磁体，假设矩形永磁体和弧形永磁体尺寸分别为2a1×2b1×2h1和2a2×2b2×2h2，a、b、c分别对应永磁体的长、宽、厚度，矩形永磁体组和弧形永磁体组的间距分别为L1和L2。参数Uij，Vkl,Wpq,r,Xij,Ykl,Zpq,s由以下公式定义：
如图5所示，内磁体支撑上的矩形永磁体和弧形永磁体分别受到外磁盘上对应的矩形永磁体和弧形永磁体的磁斥力，存在稳定平衡位置1、临界稳定平衡位置2、稳定平衡位置3，分别对应恢复力—角位移曲线上恢复力为0的点，产生磁耦合双稳态现象。
如图6所示，为曲张式压电能量转换装置的结构简化图，空腔长度为l1，斜面长度为l2，结合面长度为l3，金属层厚度为tm，压电陶瓷厚度为tp，斜面的倾角为θ。当弧形永磁体A4由于受到弧形永磁体B2的磁斥力，沿着转轴15径向方向在弧形槽10内作往复运动，形成对曲张式压电能量转换装置的挤压，在一对外加载荷F下，由力的平衡和作用力与反作用力的关系，F对应弧形永磁体B对弧形永磁体A的磁斥力，能量俘获装置将所受压力转换为电能，其输出的电压大小可以由下过程出。
施加在曲张式压电能量转换装置上的磁力可等效于一个集中力N，
其中n为弧形永磁体组的数量。
压电陶瓷的长度为l，宽度为b，厚度为tp。金属晶体的杨氏模量为Em，泊松比为Vm。作用于四分之一压电陶瓷的力沿方向3的分量和沿方向1的分量等价于集中力Fp和FT。压电方程可以写成：
S1和S3分别为压电陶瓷在方向1和方向3的应，D3c和D3b分别为压电陶瓷的空腔区和结合区电位移，d31和d33为压电常数，s11和s33为压电陶瓷的弹性柔度，ε33为压电陶瓷的介电常数，Ap为压电陶瓷的横截面积，Ab为结合区面积。Fp和FT为：
其中D为曲张式压电能量转换装置金属层的弯曲刚度，其能够被估计为
曲张式压电能量转换装置的变形量为：
其中Ac为空腔区面积，磁力对曲张式压电能量转换装置所作的功可以近似地表示为：
其中,
由等式(5)，小体积ΔH对压电陶瓷的电能可计算为：
电场由E3＝V/tp得到，V为弧形永磁体的体积，并且总能量能够通过压电陶瓷的总体积对ΔH积分得到：
其中,
弧形永磁体A的动能为
其中m为弧形永磁体A的质量，R1为弧形永磁体A的旋转半径，φ为弧形永磁体组之间的相对角位移。
弧形永磁体B的动能为
其中m为弧形永磁体B的质量，R2为弧形永磁体B的旋转半径。
当弧形永磁体组发生相对角位移时，其相对动能为T＝|T1-T2|。
外磁盘的动能由
其中mb为外磁盘的质量，Rb为外磁盘的旋转半径，系统的拉格朗日函数是：
其中弧形永磁体组之间的相对势能为：
系统的机电耦合动力学方程可由拉格朗日方程导出：
输入能量可以用下式计算：
W＝∫Mdφ (17)
最终开路电压和产生的电能可以表示为：
本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置用于抑制转子系统振动的过程如下：
转子系统运作后，转轴15将动力传递给内磁体支撑1，内磁体支撑1通过短直梁与外磁盘3的扇形凸台10上的矩形永磁体之间的磁斥力，将动力传递给外磁盘，形成正刚度。当磁耦合双稳态非线性能量阱工作时，转子系统振动后将振动传递给内磁体支撑1，内磁体支撑1通过短直梁将振动传递给圆环，经圆环上的弧形永磁体B2与外磁盘上的弧形永磁体A4之间产生的磁吸力与磁斥力的相互作用，振动传递至外磁盘3上，形成负刚度。正负刚度机构耦合形成立方刚度单元。正负刚度同时作用，拟合非线性立方刚度。利用了非线性能量阱机制，抑制转子系统扭振。
本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置用于采集振动能量的过程如下：
当磁耦合双稳态非线性能量阱工作时，转子系统振动后将振动传递给内磁体支撑1，内磁体支撑1通过短直梁将振动传递给圆环，使内磁体支撑1与外磁盘3发生相对角位移，造成环形绝缘体上的弧形永磁体B对外磁盘上的弧形永磁体A之间磁斥力的改变，从而与弧形永磁体A粘接为一体的曲张式压电能量转换装置受到横向外压力的改变，造成曲张式压电能量转换装置的内外金属层产生对压电陶瓷的挤压，产生压电效应而产生电压，通过信号线7将电压传递至转子系统的电子设备，为其供能。
综上所述，以上阐述说明了本发明的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置的较佳实例而已，不得用于限定本发明的权利保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置，其特征主要包括：外磁盘、内磁体支撑、曲张式压电能量转换装置、永磁体组；所述外磁盘和内磁体支撑以一定间距依次套设在转子系统的转轴上，所述外磁盘通过设于中心处的轴承与转轴转动连接，所述内磁体支撑与转轴固定连接；所述外磁盘为圆盘状，所述内磁体支撑由四根短直梁与圆环为一体组成，被视为刚体，短直梁沿圆环半径方向均匀设置；所述外磁盘内侧环形面开有弧形切槽，所述外磁盘外侧圆面开有圆孔，弧形切槽与圆孔一一对应，并以转轴为轴心沿圆周均匀分布；所述曲张式压电能量转换装置由外金属层、压电晶体、内金属层组成；所述曲张式压电能量转换装置与弧形槽固定粘接，所述弧形永磁体A与曲张式压电能量转换装置固定粘接；所述弧形永磁体B与内磁体支撑的圆环固定粘接，所述弧形永磁体A和弧形永磁体B两两一组相对设置且极性相互排斥；所述外磁盘内部扇形凸台侧面与内磁体支撑的短直梁侧面上设有数量相同的矩形永磁体，所述外磁盘内部扇形凸台侧面与内磁体支撑的短直梁侧面的矩形永磁体两两一组相对设置且极性相互排斥。
2.根据权利要求1所述的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置，其特征在于，转子系统运作后，转轴将动力传递给内磁体支撑，内磁体支撑通过其短直梁上的矩形永磁体与外磁盘上扇形凸台侧面上的矩形永磁体之间的磁斥力，将动力传递给外磁盘，形成正刚度。
3.根据权利要求1所述的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置，其特征在于，转子系统振动后，将振动传递给内磁体支撑，产生的扭振带动内磁体支撑于外磁盘发生相对角位移，外磁盘和内磁体支撑上相对设置的一组弧形永磁体同时也产生相对角位移，使弧形永磁体组产生的磁斥力与磁吸力的合力随着相对角位移变化而变化，形成负刚度。
4.根据权利要求2和权利要求3所述的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置，其特征在于，由矩形永磁体组形成的正刚度与由弧形永磁体组形成的负刚度的共同作用，使弧形永磁体B相对于弧形永磁体A具有三个平衡位置，其中包括两个稳定平衡位置和一个临界稳定位置，形成磁双稳态现象。
5.根据权利要求1所述的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置，其特征在于，采用曲张式压电能量转换装置，钹结构在横向外力作用下产生较大的面内应变，有利于微能量的收集。曲张式压电能量转换装置的外金属层与内金属层受到外部径向压力导致变形，从而压迫－拉伸压电晶体，压电晶体产生压电效应而产生电压。
6.根据权利要求5所述的一种用于转子系统扭振抑制与能量俘获的磁耦合双稳态压电式复合功能装置，其特征在于，当转子系统作周期性振动时，由振动造成内磁体支撑与外磁盘之间的相对角位移，构成弧形永磁体组之间的往复相对角位移，从而造成弧形永磁体组之间的磁斥力和磁吸力之间的改变，迫使弧形永磁体A由于弧形永磁体B对其的磁斥力及自身重力而发生沿弧形切槽的往复振动，接着弧形永磁体A可以压迫－拉伸曲张式压电能量转换装置的内金属层，导致内金属层的结构变形，从而压迫和拉伸压电块，产生压电效应而产生电压，电信号经信号线传输至转子系统的电子设备为其供能。
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