[實(shí)用新型]基于壓電懸臂梁互激的懸垂式旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320313531.7
• 申請(qǐng)日: 2013-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN203313090U
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾平;李洋;闞君武;王淑云;程光明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18
• 代理公司: 吉林長(zhǎng)春新紀(jì)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

本實(shí)用新型屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電懸臂梁互激的懸垂式旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，用于無固定支撐旋轉(zhuǎn)體的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。

背景技術(shù)

為滿足直升機(jī)螺旋槳/汽車輪胎/航空發(fā)動(dòng)機(jī)/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(cè)系統(tǒng)供電需求，國(guó)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(jī)。相對(duì)而言，旋轉(zhuǎn)式電磁發(fā)電機(jī)已很成熟、且已被廣泛應(yīng)用，但因其在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾而不適于為無線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，此外，電磁式發(fā)電機(jī)需要?jiǎng)幼优c定子作相對(duì)運(yùn)動(dòng)、且動(dòng)/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(jī)與旋轉(zhuǎn)體相集成的微小及遠(yuǎn)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(chǎng)合。與之相比，薄片型壓電振子因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、且可與旋轉(zhuǎn)體集成，故被認(rèn)為是構(gòu)造微小型旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的有效方法。

根據(jù)激勵(lì)方式，早期的旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機(jī)主要包括3大類：(i)慣性激勵(lì)式，利用壓電振子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受力方向的變化使其彎曲變形，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但僅適于低速（高速、尤其是勻高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因離心力過大而無法產(chǎn)生交替的雙向變形）、且轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)驟變將使壓電振子因受力/變形過大而損毀；(ii)撥動(dòng)式，利用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)撥動(dòng)壓電振子，需二者作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，不適于汽車輪胎等無固定支撐的場(chǎng)合、且高速時(shí)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(chǎng)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(lì)，即周向激勵(lì)壓電振子發(fā)電的方法已成為制約其實(shí)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(chǎng)合。因此，人們又提出了基于磁力耦合激勵(lì)的新型旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機(jī)，如中國(guó)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但這些發(fā)電機(jī)工作時(shí)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓電振子的有效激勵(lì)，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(jī)的葉片、汽車輪胎、以及各類外伸的懸臂旋轉(zhuǎn)軸等；同時(shí)，上述旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機(jī)僅在“固定件”或“旋轉(zhuǎn)體”上安裝壓電振子，未能充分利用發(fā)電機(jī)的軸向空間，發(fā)電機(jī)的體積能量密度低。

此外，現(xiàn)有懸臂梁式旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)采用的壓電振子是等寬度的、且其固定端直徑小于安裝有磁鐵的自由端的直徑，弊端在于：壓電振子彎曲變形時(shí)根部應(yīng)力大，易造成壓電振子損毀；發(fā)電機(jī)半徑方向尺度一定時(shí)，壓電振子的面積小、總體發(fā)電能力弱；最關(guān)鍵的是，高轉(zhuǎn)速時(shí)磁鐵離心力會(huì)使壓電振子的軸向振動(dòng)位移減小、甚至無振動(dòng)，故發(fā)電效率低。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型提供一種基于壓電懸臂梁互激的懸垂式旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，針對(duì)螺旋槳/汽車車輪/懸臂軸等無固定支撐或支撐點(diǎn)離軸端較遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)體的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電需求，以解決現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機(jī)所存在的發(fā)電效率低的問題。

本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是：左端蓋和右端蓋分別通過螺釘安裝在殼體的兩端，所述殼體外部下側(cè)通過螺釘安裝有配重塊；所述左端蓋、右端蓋、殼體以及安裝于殼體上的配重塊共同構(gòu)成定子；所述左右端蓋內(nèi)側(cè)壁上均鑲嵌有軸承，所述左右端蓋與殼體之間均壓接有金屬基板一；所述金屬基板一與其側(cè)面粘接的壓電晶片一構(gòu)成扇形壓電振子一，所述壓電振子一的自由端通過螺釘安裝有磁鐵一；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸通過軸承安裝在左右端蓋上，所述轉(zhuǎn)軸的一端通過螺母安裝有連接盤，轉(zhuǎn)軸上設(shè)有輻板和輪緣；所述輪緣的左右兩側(cè)通過螺釘固定有金屬基板二，所述金屬基板二與其表面粘接的壓電晶片二構(gòu)成扇形壓電振子二，所述壓電振子二的自由端通過螺釘安裝有磁鐵二；所述軸向相鄰的磁鐵一與磁鐵二之間、以及兩個(gè)磁鐵二之間的同性磁極靠近安裝，所述磁鐵一的磁矩m₁和磁鐵二的磁矩m₂之間的關(guān)系為m₁>m₂(l/L)⁴，其中l(wèi)和L分別為磁鐵一和磁鐵二之間、以及兩個(gè)磁鐵二之間的相鄰磁極間的初始軸向距離；電刷的內(nèi)圈和外圈分別通過螺釘固定在轉(zhuǎn)軸和右端蓋上，壓電振子一和壓電振子二分別通過導(dǎo)線組一和導(dǎo)線組二與電刷的外圈及內(nèi)圈相連，電刷的內(nèi)圈通過導(dǎo)線組三與置于連接盤上的接線柱相連，所述導(dǎo)線組三通過轉(zhuǎn)軸上的導(dǎo)線槽穿出。