[發(fā)明專利]一種基于夾持限位的軸端懸垂式壓電梁發(fā)電機

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310213605.4
• 申請日: 2013-05-31
• 公開（公告）號: CN103312215A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程光明;闞君武;陳一峰;曾平;王淑云
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 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(zé)任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于夾持限位的軸端懸垂式壓電梁發(fā)電機，用于無固定支撐旋轉(zhuǎn)體的健康監(jiān)測系統(tǒng)供電。

背景技術(shù)

為滿足直升機螺旋槳/汽車輪胎/航空發(fā)動機/高速列車/油氣鉆主軸等旋轉(zhuǎn)體及其軸承組件的健康監(jiān)測系統(tǒng)供電需求，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種形式的旋轉(zhuǎn)式壓電及電磁式微小型發(fā)電機。相對而言，旋轉(zhuǎn)式電磁發(fā)電機已很成熟、且已被廣泛應(yīng)用，但因其在發(fā)電過程中會產(chǎn)生電磁干擾而不適于為無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)供電，此外，電磁式發(fā)電機需要動子與定子作相對運動、且動/定子尺寸相當(dāng)，故結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，無法或不便用于某些需要將發(fā)電機與旋轉(zhuǎn)體相集成的微小及遠程控制系統(tǒng)，尤其不適于汽車輪胎、懸臂主軸等無固定支撐的場合。與之相比，薄片型壓電振子因結(jié)構(gòu)簡單、體積小、且可與旋轉(zhuǎn)體集成，故被認為是構(gòu)造微小型旋轉(zhuǎn)發(fā)電機的有效方法。

根據(jù)激勵方式，早期的旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機主要包括3大類:(1)慣性激勵式，利用壓電振子轉(zhuǎn)動過程中受力方向的變化使其彎曲變形，該方法結(jié)構(gòu)簡單，但僅適于低速(高速、尤其是勻高速轉(zhuǎn)動時，因離心力過大而無法產(chǎn)生交替的雙向變形)、且轉(zhuǎn)動狀態(tài)驟變將使壓電振子因受力/變形過大而損毀;(ii)撥動式，利用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)撥動壓電振子，需二者作相對轉(zhuǎn)動，不適于汽車輪胎等無固定支撐的場合、且高速時沖擊/噪音較大;(iii)撞擊式，利用旋轉(zhuǎn)墜落的鋼球撞擊壓電振子，該方法也僅適用于轉(zhuǎn)速較低的場合、且存在較大沖擊/噪音和可能的撞擊損毀。顯然，上述沿旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)方向激勵，即周向激勵壓電振子發(fā)電的方法已成為制約其實際應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，不適于高速、勻速、及使用空間/結(jié)構(gòu)受限的場合。因此，人們又提出了基于磁力耦合激勵的新型旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機，如中國專利201210319215.0、201210320165.8、201210318782.4、201210318930.2等，具有無沖擊與噪音、轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力強等優(yōu)點，但這些發(fā)電機工作時必須通過軸承座或軸承蓋等固定件與軸類旋轉(zhuǎn)體間的相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)壓電振子的有效激勵，故無法用于無固定支撐的旋轉(zhuǎn)體發(fā)電需求，如旋轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機的葉片、汽車輪胎、以及各類外伸的懸臂旋轉(zhuǎn)軸等。此外，現(xiàn)有的某些發(fā)電機采用的是等寬壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)、且其固定端直徑小于安裝有磁鐵的自由端的直徑，故受脈沖激勵時會出現(xiàn)多個明顯的振動峰值，從而使壓電振子工作中應(yīng)力變化大、可靠性低、有效速帶窄;最關(guān)鍵的是，高轉(zhuǎn)速時如置于壓電振子上的磁鐵離心力過大時，會降低其軸向振動位移，甚至保持在平衡位置，此時壓電振子將無法發(fā)電。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種基于夾持限位的軸端懸垂式壓電梁發(fā)電機，針對螺旋槳/汽車車輪、懸臂軸等無固定支撐旋或支撐點離軸端距離較遠的轉(zhuǎn)體的健康監(jiān)測系統(tǒng)供電需求，以解決現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機所存在的發(fā)電效率低、可靠性低、有效速帶窄、或壓電振子無法發(fā)電的問題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:左端蓋和右端蓋分別通過螺釘安裝在殼體兩端，所述左端蓋、右端蓋底部內(nèi)側(cè)分別鑲嵌有限位環(huán)一和軸承;懸錘錘體通過螺釘固定在殼體內(nèi)部，懸錘上設(shè)有兩個限位環(huán)和一個通孔，且所述限位環(huán)和通孔圓心相同;所述左端蓋、右端蓋與殼體間分別壓接有扇形壓電振子，該壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，壓電振子的另一端夾持在限位環(huán)一和限位環(huán)二的尖點之間，壓電振子自由端通過螺釘安裝有圓形磁鐵一;轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸通過軸承安裝在左端蓋和右端蓋上，所述轉(zhuǎn)軸的一端還通過螺母固定有連接盤;所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)盤上鑲嵌有圓形磁鐵二，所述轉(zhuǎn)盤及安裝于其上的磁鐵二置于懸錘的通孔中;所述磁鐵二及其左右兩側(cè)壓電振子端部磁鐵一距轉(zhuǎn)軸中心的距離相同;位于轉(zhuǎn)盤圓周方向上兩相鄰磁鐵二的磁極配置方向相反，磁鐵二左右兩側(cè)壓電振子端部的磁鐵一的相鄰磁極的極性相反，且置于磁鐵二同一側(cè)的磁鐵一的磁極配置方向相同。

本發(fā)明所述懸錘的重力應(yīng)滿足:其中η_n為安裝在錘體一，側(cè)壓電振子上磁鐵一的數(shù)量與安裝在轉(zhuǎn)盤上磁鐵二的數(shù)量的最大公約數(shù)，為錘體的中心角，F(xiàn)_y為磁鐵二和磁鐵一之間產(chǎn)生沿圓周方向的最大作用力，R為磁鐵二及磁鐵一的中心到轉(zhuǎn)軸中心的距離，R_G為懸錘質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸中心的距離。