[實用新型]一種軸端懸垂式壓電懸臂梁發電機

有效

• 申請號: 201320313551.4
• 申請日: 2013-05-31
• 公開（公告）號: CN203313091U
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 程光明;楊振宇;闞君武;曾平;王淑云
• 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

本實用新型屬于新能源和發電技術領域，具體涉及一種軸端懸垂式壓電懸臂梁發電機，用于無固定支撐旋轉體的健康監測系統供電。

背景技術

為滿足直升機螺旋槳/汽車輪胎/航空發動機/高速列車/油氣鉆主軸等旋轉體及其軸承組件的健康監測系統供電需求，國內外學者已經提出了多種形式的旋轉式壓電及電磁式微小型發電機。相對而言，旋轉式電磁發電機已很成熟、且已被廣泛應用，但因其在發電過程中會產生電磁干擾而不適于為無線傳感監測系統供電，此外，電磁式發電機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，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，早期的旋轉式壓電發電機主要包括3大類：(i)慣性激勵式，利用壓電振子轉動過程中受力方向的變化使其彎曲變形，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；(ii)撥動式，利用旋轉機構撥動壓電振子，需二者作相對轉動，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、且存在較大沖擊/噪音和可能的撞擊損毀。顯然，上述沿旋轉體旋轉方向激勵，即周向激勵壓電振子發電的方法已成為制約其實際應用的技術瓶頸，不適于高速、勻速、及使用空間/結構受限的場合。因此，人們又提出了基于磁力耦合激勵的新型旋轉式壓電發電機，如中國專利201210319215.0、201210320165.8、201210318782.4、201210318930.2等，具有無沖擊與噪音、轉速適應能力強等優點，但這些發電機工作時必須通過軸承座或軸承蓋等“固定件”與軸類“旋轉體”間的相對轉動實現壓電振子的有效激勵，故無法用于“無固定支撐”的旋轉體發電需求，如旋轉風力發電機的葉片、汽車輪胎、以及各類外伸的懸臂旋轉軸等。

此外，現有懸臂梁式旋轉壓電發電機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根部應力大，易造成壓電振子損毀；發電機半徑方向尺度一定時，壓電振子的面積小、總體發電能力弱；采用多個壓電振子時各壓電振子自由端質量相等，僅在某些特定轉速時發生共振，轉速適應能力低；最關鍵的是，高轉速時磁鐵離心力會使壓電振子的軸向振動位移減小、甚至無振動，故發電效率低。

發明內容

本實用新型提供一種軸端懸垂式壓電懸臂梁發電機，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旋轉體的健康監測系統供電需求，以解決現有旋轉式壓電發電機所存在的轉速適應能力低，高轉速時磁鐵離心力會使壓電振子的軸向振動位移減小、甚至無振動，發電效率低的問題。

本實用新型采取的技術方案是：左端蓋和右端蓋分別通過螺釘安裝在殼體的兩端，所述殼體的內部下側通過螺釘安裝有半環形配重塊；所述左端蓋和右端蓋的上部分別設有減重孔一和減重孔二，所述左端蓋和右端蓋的底壁內側均鑲嵌有圓形磁鐵一和軸承；所述左端蓋及右端蓋與殼體之間均壓接有金屬基板，所述金屬基板與粘接在其側面的壓電晶片構成扇形壓電振子，所述壓電振子的自由端通過螺釘安裝有圓形磁鐵二和調頻質量塊，轉子的轉軸通過軸承安裝在左端蓋和右端蓋上，所述轉軸的一端通過螺母安裝有連接盤；所述轉子的轉盤上鑲嵌有圓形磁鐵三；所述磁鐵一、磁鐵二和磁鐵三的半徑r相等，所述各磁鐵中心距轉軸中心的距離R相等，且轉盤圓周方向上兩相鄰磁鐵三中心與轉軸中心連線間的夾角為Q₀=4arcsin(r/R)，其中r、R分別為所述磁鐵三的半徑及其中心到轉軸中心間的距離；所述軸向相鄰的磁鐵二與磁鐵一之間、以及磁鐵二和磁鐵三之間的同性磁極靠近安裝；所述磁鐵一、質量塊及磁鐵二的中心線重合；位于磁鐵三左右兩側壓電振子上的中心相互重合的質量塊的質量相等，位于磁鐵三同一側壓電振子上的各質量塊的質量互不相等，磁鐵三和質量塊質量之和最大的組和磁鐵三和質量塊質量之和最小的組相鄰，其余相鄰兩個磁鐵三和質量塊組的質量之和的差相等。