[實用新型]一種基于夾持限位的軸端懸垂式壓電梁發電機

有效

• 申請號: 201320313585.3
• 申請日: 2013-05-31
• 公開（公告）號: CN203313092U
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 程光明;陳一峰;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，具體涉及一種基于夾持限位的軸端懸垂式壓電梁發電機，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，現有的某些發電機采用的是等寬壓電懸臂梁結構、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多個明顯的振動峰值，從而使壓電振子工作中應力變化大、可靠性低、有效速帶窄；最關鍵的是，高轉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電。

發明內容

本實用新型提供一種基于夾持限位的軸端懸垂式壓電梁發電機，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的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發電效率低、可靠性低、有效速帶窄、或壓電振子無法發電的問題。

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兩端，所述左端蓋、右端蓋底部內側分別鑲嵌有限位環一和軸承；懸錘錘體通過螺釘固定在殼體內部，懸錘上設有兩個限位環和一個通孔，且所述限位環和通孔圓心相同；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一和限位環二的尖點之間，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，所述轉軸的一端還通過螺母固定有連接盤；所述轉子的轉盤上鑲嵌有圓形磁鐵二，所述轉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壓電振子端部磁鐵一距轉軸中心的距離相同；位于轉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的磁鐵一的磁極配置方向相同。

本實用新型所述懸錘的重力應滿足：其中η_n為安裝在錘體一側壓電振子上磁鐵一的數量與安裝在轉盤上磁鐵二的數量的最大公約數，Q<150°為錘體的中心角，F_y為磁鐵二和磁鐵一之間產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軸中心的距離，R_G為懸錘質心到轉軸中心的距離。