[實用新型]雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉軸式壓電發電機

有效

• 申請號: 201220442464.4
• 申請日: 2012-09-01
• 公開（公告）號: CN202721624U
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 王淑云;闞君武;徐海龍;蔡建成;尹曉紅;曾平
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本實用新型屬于壓電發電領域，具體涉及一種雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉軸式壓電發電機，用于旋轉機械健康監測系統供電。?

背景技術

利用薄片型壓電振子構造微小型壓電發電機的研究已經成為國內外持續多年的熱點。針對發電機原動力來源及應用目的的不同，目前國內外均已提出了多種結構形式的懸臂梁式壓電發電機，主要包括振動式和旋轉式兩大類型。其中，旋轉式壓電發電機最初是為解決直升機螺旋槳、汽車輪胎壓力、航空發動機/高速列車/油氣鉆主軸等旋轉機械的自供電傳感監測而提出的。就發電/供電能力而言，旋轉式電磁發電機已很成熟、且已被廣泛應用，但因其需要動子與定子作相對運動、且動/定子尺寸相當，故結構復雜、體積大，無法或不便用于某些需要將發電機與旋轉體相集成的微小及遠程控制系統。與之相比，薄片型壓電振子因結構簡單、體積小、且可與旋轉體集成，故被認為是構造微小型旋轉發電機的有效方法。?

根據激勵方式的不同，現有隨旋轉體轉動的轉軸式壓電發電機可分為3大類：①?慣性激勵式，利用壓電振子隨軸轉動過程中受力方向的變化使其沿旋轉方向彎曲變形，該方法結構簡單，但僅適于低速，高速、尤其是勻高速轉動時因離心力過大而無法產生交替的雙向變形、且轉動狀態驟變將使壓電振子因受力/變形過大而損毀；②撥動式，利用固定的撥齒撥動旋轉的壓電振子使其沿旋轉方向彎曲變形，該方法在高速時易產生較大的沖擊和噪音較大，且易使壓電振子因變性過大而損壞；③?撞擊式，利用旋轉墜落的鋼球撞擊壓電振子，該方法也僅適用于轉速較低的場合，且存在較大的接觸沖擊與噪音、還可使壓電振子因接觸沖擊而損毀。?

上述3類隨旋轉體轉動的轉軸式壓電發電機的共同特點是壓電振子均沿旋轉體的旋轉方向變形，其變形量和發電量完全取決于旋轉體的轉速及轉動狀態，由此所帶來的弊端在于：①壓電振子變形量不可控，過大變形會導致壓電振子碎裂，故可靠性低；②在高速、勻速、尤其是勻-高速時，壓電振子不會被有效激勵，環境適應能力及頻帶寬度有限?？梢?，現有旋轉式壓電發電機并不適于直升機螺旋槳、航空發動機/高速列車/油氣鉆主軸等高轉速、勻速或使用空間/結構受限的場合。因此，結構簡單、?可靠性高、頻帶寬、無沖擊/噪音、且適用于勻速/高速、尤其是勻-高速轉動的新型轉軸式壓電發電機依然是很多領域所急需的。?

發明內容

本實用新型提供一種雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉軸式壓電發電機，為滿足旋轉機械健康監測系統所需的實時的、充足的電能需求，發電機須具備以下特性：①隨旋轉體轉動，②具有足夠的發電能力，③勻速及高速時均可發電、且具有較高的可靠性。?

本實用新型采取的技術方案是：兩個軸承座一和軸承座二之間用螺釘固定連接圓筒，在所述圓筒內壁的不同橫截面上交替地鑲嵌多組定磁鐵一和定磁鐵二，所述定磁鐵一和定磁鐵二的磁極沿所述圓筒的徑向安裝、且磁極方向相反；在所述的軸承座一和軸承座二上均分別鑲嵌有軸承和磁環,且所述軸承座一和軸承座二上的磁環指向圓筒內的磁極極性和與其相鄰的動磁鐵一或動磁鐵二指向圓筒內的磁極極性相同；主軸通過所述的兩個軸承安裝在所述的兩個軸承座和上，在所述主軸的花鍵上套有壓電換能器，所述每組壓電換能器由一對階梯擋圈、一對短擋圈和各長擋圈壓接在所述的兩個軸承之間；所述每一組壓電換能器由金屬基板上的懸臂梁和壓電晶片粘接而成，在所述壓電換能器的金屬基板的中心處設有花鍵孔；一對動磁鐵一和動磁鐵二異性磁極相對地通過螺釘安裝在所述壓電換能器的自由端，所述同一組壓電換能器上的動磁鐵一和動磁鐵二磁極的軸向配置方向相同、相鄰兩組壓電換能器上的動磁鐵一和動磁鐵二?磁極的軸向配置方向相反；與磁環相鄰的動磁鐵一或動磁鐵二的磁極的極性和所述磁環上指向圓筒內側的磁極極性相同。?

本實用新型的雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉軸式壓電發電機可用于運動中的旋轉主軸或固定安裝的旋轉主軸。例如，飛機及輪船螺旋槳等的主軸在繞其回轉中心轉動的同時，還隨飛機或輪船運動，當飛機及輪船加速或減速運動時，壓電換能器在其自身及動磁鐵慣性力的作用下也會產生沿主軸軸線方向的彎曲變形；對于固定的機床等的主軸，在運輸及裝配的過程中也存在使壓電換能器產生較大變形的可能。因此，本實用新型在軸承座上鑲嵌磁環，同時還使兩組相鄰的壓電換能器上的動磁鐵之間的同性磁極相對安裝，從而使磁環和與其相鄰的動磁鐵之間、以及兩組相鄰的壓電換能器上的動磁鐵之間產生排斥力，避免壓電換能器因變形量過大而損壞。?