CN202663322U

CN202663322U - 旋转压电发电装置

Info

Publication number: CN202663322U
Application number: CN 201220243633
Authority: CN
Inventors: 李华峰; 胡俊辉
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2022-05-28

Abstract

本实用新型公开了一种旋转压电发电装置，包括旋转轴、前激励轮、后激励轮、压电双晶梁阵列，压电双晶梁阵列置于前激励轮和后激励轮之间；前激励轮和后激励轮均包括轮盘以及激励永磁铁块，且前激励轮的激励永磁铁块与后激励轮的激励永磁铁块在空间上交错设置；压电双晶梁阵列包括轮毂以及压电双晶梁，每一个压电双晶梁均包括悬臂梁，悬臂梁的梁体上分别安装压电陶瓷片以及压电梁永磁铁块，该压电梁永磁铁块能够分别与前激励轮、后激励轮的激励永磁铁块之间形成永磁排斥力。因此，本实用新型在旋转轴的旋转带动下，两个激励轮交替地对压电双晶梁阵列的压电双晶梁产生斥力，使其产生较高频率且较大的强迫变形，从而更加有效地利用到了转轴的转动能量。

Description

旋转压电发电装置

技术领域

本实用新型是一种旋转压电发电装置，属于微能源技术领域，特别适合收集环境中变化的转动机械能。

背景技术

利用自然界的风能和水能等各种振动能量进行发电，为各种微系统供电，符合当今节能、环保、低碳的发展趋势。在各种能量采集方式中，使用压电材料进行能量收集更加适合于环境振动能的低频、随机变化特点。

压电悬臂梁发电性能与压电陶瓷的应变和振动频率成正比。美国的Priya实用新型了一个新颖风车式风能吸收装置（US2010/0052324A1）。它包括风扇、凸轮和由12个双晶片构成的能量收集器。风带动风扇转动，风扇用凸轮拨动每个双晶片振动，从而获得能量。压电双晶片的谐振频率为6Hz，当选择合适风速时，最大输出功率为10.2mW。但该方案存在以下缺点：1、使用接触方式传递能量，造成机械能损失和降低使用寿命。2、风速较低时，凸轮与双晶片不会脱离，此时不会发电。Rastegar和Murry提出使用永磁力传递非接触冲击，避免了机械接触带来的弊端，提高了压电悬臂梁对低频激振的响应频率，但双晶片在受到非接触冲击力作用时，响应振幅不断衰减。褚金奎提出将双晶片置于永磁力下，使其处于双稳态能量状态，以在随机、多频率的振动环境下提高发电能力（CN102332843）。但该装置双晶片阵列的铜梁的延展方向沿着旋转轴的轴向设置，造成永磁铁对双晶片的冲击力与其振动方向垂直，轴转动的能量不能有效地转化为压电双晶梁的振动能，降低了力传递效果，而且系统比较庞大；同时该装置采用压电双晶片-激励轮-压电双晶片的结构形式，只具备一个激励轮，降低了旋转轴的效率转换。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种旋转压电发电装置，该旋转压电装置采用激励轮-压电双晶梁阵列-激励轮的夹心结构，且两激励轮上的激励永磁铁块在空间上交错设置，使得本实用新型在旋转轴的旋转带动下，两个激励轮交替地对压电双晶梁阵列的压电双晶梁产生斥力，使其产生较高频率且较大的强迫变形，从而更加有效地利用到了转轴的转动能量，解决了该对比文件中能量转换效率较低的问题。

为实现以上的技术目的，本实用新型将采取以下的技术方案：

一种旋转压电发电装置，包括旋转轴以及分别安装在旋转轴上的激励轮、压电双晶梁阵列，所述激励轮包括前激励轮、后激励轮，前激励轮、后激励轮均与旋转轴刚性连接，而压电双晶梁阵列置于前激励轮和后激励轮之间；所述前激励轮和后激励轮均包括轮盘以及复数个周向均布在轮盘盘面上的激励永磁铁块，且前激励轮的激励永磁铁块与后激励轮的激励永磁铁块在空间上交错设置；所述压电双晶梁阵列包括轮毂以及周向均布在轮毂外圆的复数个压电双晶梁，轮毂与旋转轴配合连接，每一个压电双晶梁均包括悬臂梁，该悬臂梁的一端与轮毂固定连接，另一端悬臂设置，且悬臂梁的梁体上分别安装压电陶瓷片以及压电梁永磁铁块，该压电梁永磁铁块能够分别与前激励轮、后激励轮的激励永磁铁块之间形成永磁排斥力，所述压电陶瓷片设置有与负载连接的引出导线。

所述悬臂梁的悬臂端延展方向与旋转轴的轴向相垂直。

所述压电梁永磁铁块为一个，该压电梁永磁铁块的两磁极均露出悬臂梁后分别面向前激励轮和后激励轮设置。

所述压电梁永磁铁块为两个，分别安装在悬臂梁梁体两个侧面上，且每一个压电梁永磁铁块的其中一个磁极均面向一个激励轮设置，该磁极与相面对激励轮上永磁铁块的磁极极性相同。

所述压电梁永磁铁块邻近悬臂梁的悬臂端设置，而压电陶瓷片安装在压电梁永磁铁块与悬臂梁的固定端之间。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1、本实用新型所述旋转压电发电装置采用激励轮-压电双晶梁阵列-激励轮的夹心结构，且两激励轮上的激励永磁铁块在空间上交错设置，因此，与对比文件US2010/0052324A1相比，本实用新型利用非接触永磁力传递作用力，避免了机械冲击导致能量损失和寿命降低缺陷；而与对比文件CN102332843相比，本实用新型通过旋转轴的旋转运动，带动两个激励轮交替地对压电双晶梁阵列的压电双晶梁产生斥力，使其产生较高频率且较大的强迫变形，从而更加有效地利用到了转轴的转动能量，解决了该对比文件中能量转换效率较低的问题；另外，该结构形式能够使得本实用新型即使在旋转轴低速旋转下也能发电，克服了现有技术的缺点。

2、本实用新型将悬臂梁悬臂端沿旋转轴的径向延展，即悬臂梁的悬臂端延展方向与旋转轴的轴向相垂直，因此，与对比文件CN102332843相比，使永磁斥力方向与梁的振动方向相同，进一步提高了转动能量向梁振动能量转换的效率，有效地避免庞大的结构体系。

3、利用压电效应，从空气或其他流体的运动中收集能量转化为电能，是一种小型风力发电或水力发电装置，可为户外无线传感网节点供电。

附图说明

图1是本实用新型所述旋转压电发电装置的结构示意图；

图2是图1中激励轮的结构示意图；

图3是图1中压电双晶梁阵列的结构示意图；

图4是图3中压电双晶梁的结构示意图；

图1至图4中：前激励轮1；后激励轮2；压电双晶梁阵列3；旋转轴4；轴承5；激励永磁铁块6；悬臂梁7；压电陶瓷片8；引出导线9和10；负载11。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本实用新型所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。

如图1所示，本实用新型所述的旋转压电发电装置，包括旋转轴以及分别安装在旋转轴上的前激励轮、压电双晶梁阵列以及后激励轮，前激励轮1和后激励轮2将压电双晶梁阵列3夹在中间构成夹心式结构，三者间有一定间隙；前激励轮1和后激励轮2均与旋转轴4刚性连接，而压电双晶梁阵列3通过轴承5与旋转轴连接。当旋转轴在风能等外力的驱动下下，带动前激励轮1和后激励轮2同步旋转时，前激励轮1与压电双晶梁阵列3之间存在的非接触永磁排斥力、后激励轮2与压电双晶梁阵列3之间存在的非接触永磁排斥力皆能够作用在压电双晶梁阵列3的压电双晶梁上，使得压电双晶梁产生强迫变形，从而产生电能。

如图2所示，本实用新型所述的前激励轮和后激励轮均包括轮盘以及若干个周向均布在轮盘盘面上的激励永磁铁块，该激励永磁铁块一般邻近轮盘盘面的外圆四周均匀分布，且前激励轮的激励永磁铁块与后激励轮的激励永磁铁块在空间上交错设置，保证在旋转轴的驱动下，前激励轮与压电双晶梁阵列3之间存在的非接触永磁排斥力、后激励轮2与压电双晶梁阵列3之间存在的非接触永磁排斥力交替地作用在压电双晶梁阵列3的压电双晶梁上。

如图3、图4所示，本实用新型所述压电双晶梁阵列包括轮毂以及周向均布在轮毂外圆的复数个压电双晶梁，轮毂与旋转轴配合连接，每一个压电双晶梁均包括悬臂梁，该悬臂梁的一端与轮毂固定连接，另一端悬臂设置，且悬臂梁的悬臂端延展方向与旋转轴的轴向相垂直，使永磁斥力方向与梁的振动方向相同，提高了转动能量向梁振动能量转换的效率，同时减小了系统体积；所述悬臂梁的梁体上分别安装压电陶瓷片以及压电梁永磁铁块，该压电梁永磁铁块能够分别与前激励轮、后激励轮的激励永磁铁块之间形成永磁排斥力，所述压电陶瓷片设置有与负载连接的引出导线；负载可以为发光二极管、无线传感器、整流滤波电路、蓄电池、电容等；压电梁永磁铁块可以为一个，也可以为两个；当压电梁永磁铁块为一个时，该压电梁永磁铁块的两磁极均露出悬臂梁后分别面向前激励轮和后激励轮设置；当压电梁永磁铁块为两个时，分别安装在悬臂梁梁体的两个侧面上，且每一个压电梁永磁铁块的其中一个磁极均面向一个激励轮设置，该磁极与相面对激励轮上永磁铁块的磁极极性相同。另外，本实用新型所述压电梁永磁铁块邻近悬臂梁的悬臂端设置，而压电陶瓷片安装在压电梁永磁铁块与悬臂梁的固定端之间。

由于风速的变化范围较宽，可以将压电双晶梁的几何尺寸设计成不一致，针对每种风速都有相匹配的发电性能最优的压电双晶梁，由此可在多种风速下都能获得最优发电效果。

Claims

1.一种旋转压电发电装置，包括旋转轴以及分别安装在旋转轴上的激励轮、压电双晶梁阵列，其特征在于：所述激励轮包括前激励轮、后激励轮，前激励轮、后激励轮均与旋转轴刚性连接，而压电双晶梁阵列置于前激励轮和后激励轮之间；所述前激励轮和后激励轮均包括轮盘以及复数个周向均布在轮盘盘面上的激励永磁铁块，且前激励轮的激励永磁铁块与后激励轮的激励永磁铁块在空间上交错设置；所述压电双晶梁阵列包括轮毂以及周向均布在轮毂外圆的复数个压电双晶梁，轮毂与旋转轴配合连接，每一个压电双晶梁均包括悬臂梁，该悬臂梁的一端与轮毂固定连接，另一端悬臂设置，且悬臂梁的梁体上分别安装压电陶瓷片以及压电梁永磁铁块，该压电梁永磁铁块能够分别与前激励轮、后激励轮的激励永磁铁块之间形成永磁排斥力，所述压电陶瓷片设置有与负载连接的引出导线。

2.根据权利要求1所述旋转压电发电装置，其特征在于：所述悬臂梁的悬臂端延展方向与旋转轴的轴向相垂直。

3.根据权利要求1或2所述旋转压电发电装置，其特征在于：所述压电梁永磁铁块为一个，该压电梁永磁铁块的两磁极均露出悬臂梁后分别面向前激励轮和后激励轮设置，且压电梁永磁铁块与其相面对的轮盘上的激励永磁铁块的磁极极性相同。

4.根据权利要求1或2所述旋转压电发电装置，其特征在于：所述压电梁永磁铁块为两个，分别安装在悬臂梁梁体的两个侧面上，且每一个压电梁永磁铁块的其中一个磁极均面向一个激励轮设置，该磁极与相面对激励轮上永磁铁块的磁极极性相同。

5.根据权利要求1或2所述旋转压电发电装置，其特征在于：所述压电梁永磁铁块邻近悬臂梁的悬臂端设置，而压电陶瓷片安装在压电梁永磁铁块与悬臂梁的固定端之间。