CN203313092U - 一种基于夹持限位的轴端悬垂式压电梁发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于夹持限位的轴端悬垂式压电梁发电机，属于新能源和发电技术领域。左右端盖安装在壳体上，所述端盖底部嵌有限位环一和轴承；设有限位环和通孔锤体通过螺钉固定在壳体内；左右端盖与壳体间压接有扇形压电振子，压电振子另一端夹持在两个限位环尖点之间、自由端安装有磁铁一；转子的转轴通过轴承安装在左右端盖上，转轴一端通过螺母固定有连接盘；转子的转盘上嵌有磁铁二。优点是无需外界固定支撑；发电机为集成式独立部件，无需改变旋转体结构、便于安装与维护；压电振子受限位环制约，可靠性高、有效速带宽。

Description

一种基于夹持限位的轴端悬垂式压电梁发电机

技术领域

本实用新型属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种基于夹持限位的轴端悬垂式压电梁发电机，用于无固定支撑旋转体的健康监测系统供电。

背景技术

为满足直升机螺旋桨/汽车轮胎/航空发动机/高速列车/油气钻主轴等旋转体及其轴承组件的健康监测系统供电需求，国内外学者已经提出了多种形式的旋转式压电及电磁式微小型发电机。相对而言，旋转式电磁发电机已很成熟、且已被广泛应用，但因其在发电过程中会产生电磁干扰而不适于为无线传感监测系统供电，此外，电磁式发电机需要动子与定子作相对运动、且动/定子尺寸相当，故结构复杂、体积大，无法或不便用于某些需要将发电机与旋转体相集成的微小及远程控制系统，尤其不适于汽车轮胎、悬臂主轴等无固定支撑的场合。与之相比，薄片型压电振子因结构简单、体积小、且可与旋转体集成，故被认为是构造微小型旋转发电机的有效方法。

根据激励方式，早期的旋转式压电发电机主要包括3大类：(i)惯性激励式，利用压电振子转动过程中受力方向的变化使其弯曲变形，该方法结构简单，但仅适于低速（高速、尤其是匀高速转动时，因离心力过大而无法产生交替的双向变形）、且转动状态骤变将使压电振子因受力/变形过大而损毁；(ii)拨动式，利用旋转机构拨动压电振子，需二者作相对转动，不适于汽车轮胎等无固定支撑的场合、且高速时冲击/噪音较大；(iii)撞击式，利用旋转坠落的钢球撞击压电振子，该方法也仅适用于转速较低的场合、且存在较大冲击/噪音和可能的撞击损毁。显然，上述沿旋转体旋转方向激励，即周向激励压电振子发电的方法已成为制约其实际应用的技术瓶颈，不适于高速、匀速、及使用空间/结构受限的场合。因此，人们又提出了基于磁力耦合激励的新型旋转式压电发电机，如中国专利201210319215.0、201210320165.8、201210318782.4、201210318930.2等，具有无冲击与噪音、转速适应能力强等优点，但这些发电机工作时必须通过轴承座或轴承盖等“固定件”与轴类“旋转体”间的相对转动实现压电振子的有效激励，故无法用于“无固定支撑”的旋转体发电需求，如旋转风力发电机的叶片、汽车轮胎、以及各类外伸的悬臂旋转轴等。此外，现有的某些发电机采用的是等宽压电悬臂梁结构、且其固定端直径小于安装有磁铁的自由端的直径，故受脉冲激励时会出现多个明显的振动峰值，从而使压电振子工作中应力变化大、可靠性低、有效速带窄；最关键的是，高转速时如置于压电振子上的磁铁离心力过大时，会降低其轴向振动位移，甚至保持在平衡位置，此时压电振子将无法发电。

发明内容

本实用新型提供一种基于夹持限位的轴端悬垂式压电梁发电机，针对螺旋桨/汽车车轮、悬臂轴等无固定支撑旋或支撑点离轴端距离较远的转体的健康监测系统供电需求，以解决现有旋转式压电发电机所存在的发电效率低、可靠性低、有效速带窄、或压电振子无法发电的问题。

本实用新型采取的技术方案是：左端盖和右端盖分别通过螺钉安装在壳体两端，所述左端盖、右端盖底部内侧分别镶嵌有限位环一和轴承；悬锤锤体通过螺钉固定在壳体内部，悬锤上设有两个限位环和一个通孔，且所述限位环和通孔圆心相同；所述左端盖、右端盖与壳体间分别压接有扇形压电振子，该压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，压电振子的另一端夹持在限位环一和限位环二的尖点之间，压电振子自由端通过螺钉安装有圆形磁铁一；转子的转轴通过轴承安装在左端盖和右端盖上，所述转轴的一端还通过螺母固定有连接盘；所述转子的转盘上镶嵌有圆形磁铁二，所述转盘及安装于其上的磁铁二置于悬锤的通孔中；所述磁铁二及其左右两侧压电振子端部磁铁一距转轴中心的距离相同；位于转盘圆周方向上两相邻磁铁二的磁极配置方向相反，磁铁二左右两侧压电振子端部的磁铁一的相邻磁极的极性相反，且置于磁铁二同一侧的磁铁一的磁极配置方向相同。

本实用新型所述悬锤的重力应满足：

其中η_n为安装在锤体一侧压电振子上磁铁一的数量与安装在转盘上磁铁二的数量的最大公约数，Q<150°为锤体的中心角，F_y为磁铁二和磁铁一之间产生沿圆周方向的最大作用力，R为磁铁二及磁铁一的中心到转轴中心的距离，R_G为悬锤质心到转轴中心的距离。

本实用新型所述磁铁一与磁铁二应满足如下关系：Q₀=4arcsin(r/R)，其中，μ₀为真空磁导率，l为磁铁一与磁铁二相邻磁极间的轴向距离，L为两个磁铁一相邻磁极间的轴向距离，m₁、m₂分别为磁铁一及磁铁二的磁矩，λ为与压电振子的结构及材料参数有关的系数，σ^*为压电材料的许拉应力，r、R分别为磁铁二半径及该磁铁到转轴中心间的距离，Q₀为转盘圆周方向上两相邻磁铁二中心与转轴中心连线间的夹角。

本实用新型的优点是结构新颖，（1）利用悬锤惯性力使压电振子及其端部磁铁一保持相对静止、并与随转盘转动的磁铁二之间产生相对转动，激励压电振子发电，无需外界固定支撑；（2）发电机为集成式独立部件，无需改变旋转体结构、便于安装与维护；（3）压电振子受限位环制约，可靠性高、有效速带宽；（4）压电振子轴向对称配置，其振动力相互抵消，对旋转体无影响。

附图说明

图1是本实用新型一个较佳实施例中发电装置的结构剖面图；

图2是图1的A-A视图；

图3是悬锤的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是本夹持限位发电机与悬臂梁发电机的输出电压-转速特性曲线对比图。

具体实施方式

左端盖2和右端盖12分别通过螺钉安装在壳体1的两端，所述左端盖2及右端盖12底部内侧分别镶嵌有限位环一4和轴承6；悬锤9的锤体901通过螺钉固定在壳体1的内部，悬锤9上设有两个限位环902和一个通孔903，且所述限位环902和通孔903的圆心相同；所述左端盖2及右端盖12与壳体1之间分别压接有扇形压电振子3，所述压电振子3由金属基板301及压电晶片302粘接而成，所述压电振子3的另一端夹持在限位环一4和限位环二902的尖点之间，压电振子3的自由端还通过螺钉安装有圆形磁铁一5；转子7的转轴701通过轴承6安装在左端盖2和右端盖12上，所述转轴701的一端还通过螺母11固定有连接盘10；所述转子7的转盘702上镶嵌有圆形磁铁二8，所述转盘702及安装于其上的磁铁二8置于悬锤9的通孔903中；所述磁铁二8及其左右两侧压电振子3端部磁铁一5距转轴701中心的距离相同；位于转盘702圆周方向上两相邻磁铁二8的磁极配置方向相反，磁铁二8左右两侧压电振子3端部的磁铁一5的相邻磁极的极性相反，且置于磁铁二8同一侧的磁铁一5的磁极配置方向相同。

本实用新型所述悬锤的重力应满足：

其中η_n为安装在锤体一侧压电振子上磁铁一的数量与安装在转盘上磁铁二的数量的最大公约数，Q<150°为锤体的中心角，F_y为磁铁二和磁铁一之间产生沿圆周方向的最大作用力，R为磁铁二及磁铁一的中心到转轴中心的距离，R_G为悬锤质心到转轴中心的距离。

本实用新型所述磁铁一与磁铁二应满足如下关系：

Q₀=4arcsin(r/R)，其中，μ₀为真空磁导率，l为磁铁一与磁铁二相邻磁极间的轴向距离，L为两个磁铁一相邻磁极间的轴向距离，m₁、m₂分别为磁铁一及磁铁二的磁矩，λ为与压电振子的结构及材料参数有关的系数，σ^*为压电材料的许拉应力，r、R分别为磁铁二半径及该磁铁到转轴中心间的距离，Q₀为转盘圆周方向上两相邻磁铁二中心与转轴中心连线间的夹角。

工作过程中，连接盘10通过螺钉安装在旋转体I的端部，并带动转盘702及磁铁二8随旋转体I一同旋转。当磁铁二8在圆周方向上靠近磁铁一5、且所述两个磁铁在圆周方向上未重叠时，磁铁二8和磁铁一5之间产生沿圆周方向的作用力F_y，从而产生使磁铁一5及悬锤9沿转轴701转动的驱动转矩M_y，当磁铁二8与磁铁一5在圆周方向“相切”时驱动力矩最大，即为M_y=RF_y，其中R为磁铁二8及磁铁一5的中心到转轴701中心的距离；因初始状态下悬锤9的质心位于转轴701下方，当悬锤9因受驱动转矩M_y作用转过一定角度Q₁时，悬锤9的重力G产生一个反向的制动转矩M_G=GR_GcosQ₁，其中R_G为悬锤9质心到转轴701中心的距离。

为确保发电机工作过程中悬锤9的质心始终处于转轴701中心的下方，应使当悬锤9转角为Q₁=(180-Q)/2时各磁铁二8与磁铁一5之间驱动转矩之和小于或等于制动转矩，即

由此得悬锤9的重力应满足：

其中η_n为安装在锤体901一侧压电振子3上的磁铁一5的数量n_a与安装在转盘702上的磁铁二8的数量n_b的最大公约数，Q<150°为锤体901的中心角。

当悬锤9不随转子7转动时，压电振子3及其端部磁铁一5与置于转盘702上的磁铁二8之间产生相对转动，改变磁铁一5与磁铁二8的重叠面积、并使它们之间的作用力按照由小到大、再由大到小的规律变化；磁铁一5与磁铁二8的同性磁极相互靠近时产生排斥力、异性磁极相互靠近时产生吸引力，所述磁铁间交替变化的排斥力与吸引力迫使压电振子3产生往复的轴向弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

在发电机的上述工作过程中，压电振子3所受的作用力即为磁铁一5与磁铁二8间的相互作用力。以图1中左侧磁铁一5为例，其所受总的外力为：

其中：+、-号分别表示吸引力和排斥力，

为磁铁一5与磁铁二8之间的作用力，

为两个磁铁一5之间的轴向吸引力，η_S为磁铁一5与单个或两个在转盘702圆周方向相邻的磁铁二8之间的重叠面积与磁铁总面积之比，l为磁铁一5与磁铁二8相邻磁极间的轴向距离，L为两个磁铁一5相邻磁极之间的轴向距离，m₁、m₂分别为磁铁一5及磁铁二8的磁矩，μ₀为真空磁导率。当磁铁一5与磁铁二8中心线重合时，面积比为η_S=1，且磁铁一5所受的吸引力大于排斥力，故压电振子3所受的最大作用力为

为确保压电晶片302在工作中不因承受过大拉应力损毁，应使

其中λ为与压电振子3的结构及材料参数有关的系数，σ^*为压电材料的许用拉应力。

为使磁铁一5与磁铁二8之间产生交替变化的吸引力和排斥力，本实用新型中磁铁一5不应与位于转盘702上两个相邻磁铁二8同时重合，即转盘702上两个相邻磁铁二8中的一个与磁铁一5“切出”时另一个“切入”，此时的面积比应为η_S=0，故转盘702圆周方向上两相邻磁铁二8中心与转轴701中心连线间的夹角应为

Q₀=4arcsin(r/R)，其中r、R分别为磁铁二8半径及该磁铁与转轴701中心间的距离。在这种工作模式下，压电振子3所承受的是简谐激励，故仅能在其固有频率时发生共振；相反，对于现有的无限位环夹持的悬臂梁型压电振子发电机，为避免磁铁间相互吸附、损毁压电振子，只能采用排斥的方法激励，其激励方式为周期性冲击激励，故悬臂梁型压电振子在其固有频率的整数倍或整数分之一倍时都会出现共振峰，共振时振幅过大易造成压电振子损毁、而非共振时又可能因振幅及所生成的电压过低而不能满足使用要求。

此外，本实用新型中压电振子3因受限位环一4和限位环二902的尖点夹持，受外力作用时绕所述限位环的尖点转动，与无限位环的悬臂梁压电振子相比其抗弯刚度及固有频率高、自由端轴向变形量小，故两种不同工作方式压电振子的电压-转速特性不同，即图5中的Vg-n特性曲线不同。图5中ZL和XL分别为传统悬臂梁压电振子及本实用新型中有限位环压电振子的电压特性曲线，从图中可以看出，ZL曲线中有多个使输出电压出现峰值的转速，且最大与最小电压相差较大，最大电压过高时易使压电振子因变形过大而碎裂、而最小电压过低时又难以满足实时供电的需求；相对而言，XL曲线的最大与最小电压的差异较小，即有限位环时压电振子在整个转速域内应力波动较小，压电振子不至因变形过大而损毁，故可靠性高、有效速带宽。在100-900r/min范围内，XL曲线的电压值均大于传感监测系统所需的5V供电电压，而ZL曲线在转速大于500r/min后的电压均低于5V，因此本实用新型中采用限位环限制压电振子的变形量可有效提高压电振子的可靠性及有效速带宽度。

在本实用新型中，利用悬锤9的惯性力使安装在压电振子3端部的磁铁一5在圆周方向上保持相对静止、并与随转盘702转动的磁铁二8之间产生相对转动，实现压电振子的有效激励并发电，无需外界固定支撑；该发电机为独立的部件，使用过程中无需改变旋转体结构，且便于安装与维护；压电振子因受限位环制约，故发电机的可靠性高、有效速带宽。

Claims (3)

1.一种基于夹持限位的轴端悬垂式压电梁发电机，其特征在于：左端盖和右端盖分别通过螺钉安装在壳体两端，所述左端盖、右端盖底部内侧分别镶嵌有限位环一和轴承；悬锤锤体通过螺钉固定在壳体内部，悬锤上设有两个限位环和一个通孔，且所述限位环和通孔圆心相同；所述左端盖、右端盖与壳体间分别压接有扇形压电振子，该压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，压电振子的另一端夹持在限位环一和限位环二的尖点之间，压电振子自由端通过螺钉安装有圆形磁铁一；转子的转轴通过轴承安装在左端盖和右端盖上，所述转轴的一端还通过螺母固定有连接盘；所述转子的转盘上镶嵌有圆形磁铁二，所述转盘及安装于其上的磁铁二置于悬锤的通孔中；所述磁铁二及其左右两侧压电振子端部磁铁一距转轴中心的距离相同；位于转盘圆周方向上两相邻磁铁二的磁极配置方向相反，磁铁二左右两侧压电振子端部的磁铁一的相邻磁极的极性相反，且置于磁铁二同一侧的磁铁一的磁极配置方向相同。

2.根据权利要求1所述的基于夹持限位的轴端悬垂式压电梁发电机，其特征在于：所述悬锤的重力应满足：

其中η_n为安装在锤体一侧压电振子上磁铁一的数量与安装在转盘上磁铁二的数量的最大公约数，Q<150°为锤体的中心角，F_y为磁铁二和磁铁一之间产生沿圆周方向的最大作用力，R为磁铁二及磁铁一的中心到转轴中心的距离，R_G为悬锤质心到转轴中心的距离。

3.根据权利要求1所述的基于夹持限位的轴端悬垂式压电梁发电机，其特征在于：所述磁铁一与磁铁二应满足如下关系：

Q₀=4arcsin(r/R)，其中，μ₀为真空磁导率，l为磁铁一与磁铁二相邻磁极间的轴向距离，L为两个磁铁一相邻磁极间的轴向距离，m₁、m₂分别为磁铁一及磁铁二的磁矩，λ为与压电振子的结构及材料参数有关的系数，σ^*为压电材料的许拉应力，r、R分别为磁铁二半径及该磁铁到转轴中心间的距离，Q₀为转盘圆周方向上两相邻磁铁二中心与转轴中心连线间的夹角。

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