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基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发电机

阅读:675发布:2023-01-21

专利汇可以提供基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发电机专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发 电机 ,属于新 能源 和发电技术领域。端盖及 配重 块 安装在主体上,端盖及主体上镶有 轴承 , 轴承 内圈 中安装有 转轴 ,转轴上固定有连接盘、设有 法兰 盘;端盖、主体及法兰上装有压电振子,压电振子上固定有磁 铁 ;两个电刷内圈固定在转轴上、 外圈 分别固定在端盖和主体上。优点是利用配重块构造 定子 ,通过置于定子及 转子 上的压电振子互激发电,无需外界固定 支撑 、发电量大;发电机为独立部件,无需改变旋转体结构、便于安装与维护;工作中无明显共振峰,故可靠性高、 电压 波动 小、有效频带宽。,下面是基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发电机专利的具体信息内容。

1.一种基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发电机,其特征在于:端盖通过螺钉安装在主体侧壁端部,所述主体外部下侧通过螺钉安装有配重;所述端盖及主体底壁内侧均设有沉孔、镶嵌有轴承;所述轴承内圈中安装有转子转轴,所述转轴上设有导线槽的一端通过螺母固定有连接盘;所述转轴上设有法兰盘,法兰盘上设有导线孔,法兰盘两侧分别设有沉孔;端盖及主体底壁内侧、以及转子的法兰盘两侧分别通过螺钉固定有环形金属基板,所述金属基板与其侧面所粘接的圆形压电晶片构成圆形压电振子;位于端盖和主体上的压电振子的中心处通过螺钉安装有磁一,位于法兰上的压电振子的中心处通过螺钉安装有磁铁二,各轴向相邻的所述磁铁一和磁铁二、以及两个磁铁二之间的同性磁极靠近安装,所述磁铁一和磁铁二到转轴中心的距离相等;两个电刷的内圈通过螺钉固定在转轴上,两个电刷中,一个电刷的外圈通过螺钉固定在端盖的内侧,另一个电刷的外圈通过螺钉固定在壳体的底壁内侧;位于端盖及壳体底壁内侧的压电振子通过导线组一与电刷外圈相连、位于法兰盘两侧的压电振子通过导线组二与电刷内圈相连;所述两个电刷的内圈经导线组三相连后再经导线组四与位于连接盘上的导线柱组相连,导线组四经位于转轴上的导线槽穿出。
2.根据权利要求1所述的基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发电机,其特征在于:
所述配重块的重应满足: 其中G为配重块的重力,ηn为磁铁二数
量与磁铁一数量的最大公约数,Q为配重块的圆心,且Q<150°,Fy为磁铁二和磁铁一之间产生沿圆周方向的最大排斥力,R为磁铁二及磁铁一中心到转轴中心的距离,RG为配重块质心到转轴中心的距离。
3.根据权利要求1所述的基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发电机,其特征在于:
磁铁一和磁铁二的磁矩应满足 其中m1和m2分别为磁铁一和磁铁二的磁矩,l为磁铁一和磁铁二之间轴向距离,L为两个磁铁二之间轴向距离。

说明书全文

基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发电机

技术领域

[0001] 本发明属于新能源和发电技术领域,具体涉及一种基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发电机,用于无固定支撑旋转体的健康监测系统供电。

背景技术

[0002] 为满足直升机螺旋桨/汽车轮胎/航空发动机/高速列车/油气钻主轴等旋转体及其轴承组件的健康监测系统供电需求,国内外学者已经提出了多种形式的旋转式压电及电磁式微小型发电机。相对而言,旋转式电磁发电机已很成熟、且已被广泛应用,但因其在发电过程中会产生电磁干扰而不适于为无线传感监测系统供电,此外,电磁式发电机需要动子与定子作相对运动、且动/定子尺寸相当,故结构复杂、体积大,无法或不便用于某些需要将发电机与旋转体相集成的微小及远程控制系统,尤其不适于汽车轮胎、悬臂主轴等无固定支撑的场合。与之相比,薄片型压电振子因结构简单、体积小、且可与旋转体集成,故被认为是构造微小型旋转发电机的有效方法。
[0003] 根据激励方式,早期的旋转式压电发电机主要包括3大类:(i)惯性激励式,利用压电振子转动过程中受方向的变化使其弯曲变形,该方法结构简单,但仅适于低速(高速、尤其是匀高速转动时,因离心力过大而无法产生交替的双向变形)、且转动状态骤变将使压电振子因受力/变形过大而损毁;(ii)拨动式,利用旋转机构拨动压电振子,需二者作相对转动,不适于汽车轮胎等无固定支撑的场合、且高速时冲击/噪音较大;(iii)撞击式,利用旋转坠落的球撞击压电振子,该方法也仅适用于转速较低的场合、且存在较大冲击/噪音和可能的撞击损毁。显然,上述沿旋转体旋转方向激励,即周向激励压电振子发电的方法已成为制约其实际应用的技术瓶颈,不适于高速、匀速、及使用空间/结构受限的场合。因此,人们又提出了基于磁力耦合激励的新型旋转式压电发电机,如中国专利201210319215.0、201210320165.8、201210318782.4、201210318930.2等,具有无冲击与噪音、转速适应能力强等优点,但这些发电机工作时必须通过轴承座或轴承盖等“固定件”与轴类“旋转体”间的相对转动实现压电振子的有效激励,故无法用于“无固定支撑”的旋转体发电需求,如旋转力发电机的叶片、汽车轮胎、以及各类外伸的悬臂旋转轴等;同时,上述旋转式压电发电机仅在“固定件”或“旋转体”上安装压电振子,未能充分利用发电机的轴向空间,发电机的体积能量密度低。

发明内容

[0004] 本发明提供一种基于圆形压电振子互激的悬垂式旋转发电机,针对螺旋桨/汽车车轮、悬臂轴等无固定支撑或支撑点离轴端距离较远旋转体的健康监测系统供电需求,以解决现有旋转式压电发电机所存在的未能充分利用发电机的轴向空间,发电机的体积能量密度低的问题,本发明采取的技术方案是:端盖通过螺钉安装在主体侧壁端部,所述主体外部下侧通过螺钉安装有配重;所述端盖及主体底壁内侧均设有沉孔、镶嵌有轴承;所述轴承内圈中安装有转子的转轴,所述转轴上设有导线槽的一端通过螺母固定有连接盘;所述转轴上设有法兰盘,法兰盘上设有导线孔,法兰盘两侧分别设有沉孔;端盖及主体底壁内侧、以及转子的法兰盘两侧分别通过螺钉固定有环形金属基板,所述金属基板与其侧面所粘接的圆形压电晶片构成圆形压电振子;位于端盖和主体上的压电振子的中心处通过螺钉安装有磁一,位于法兰上的压电振子的中心处通过螺钉安装有磁铁二,各轴向相邻的所述磁铁一和磁铁二、以及两个磁铁二之间的同性磁极靠近安装,所述磁铁一和磁铁二到转轴中心的距离相等;两个电刷的内圈通过螺钉固定在转轴上,两个电刷中,一个电刷的外圈通过螺钉固定在端盖的内侧,另一个电刷的外圈通过螺钉固定在壳体的底壁内侧;位于端盖及壳体底壁内侧的压电振子通过导线组一与电刷外圈相连、位于法兰盘两侧的压电振子通过导线组二与电刷内圈相连;所述两个电刷的内圈经导线组三相连后再经导线组四与位于连接盘上的导线柱组相连,导线组四经位于转轴上的导线槽穿出。
[0005] 本发明所述配重块的重力应满足: 其中G为配重块的重力,ηn为磁铁二数量与磁铁一数量的最大公约数,Q为配重块的圆心,且Q<150°,Fy为磁铁二和磁铁一之间产生沿圆周方向的最大排斥力,R为磁铁二及磁铁一中心到转轴中心的距离,RG为配重块质心到转轴中心的距离。
[0006] 磁铁一和磁铁二的磁矩应满足 其中m1和m2分别为磁铁一和磁铁二的磁矩,l为磁铁一和磁铁二之间轴向距离,L为两个磁铁二之间轴向距离。
[0007] 本发明的优点是结构新颖,(1)利用配重块构造定子,使安装在定子及转子上的压电振子间相互激励而发电,无需外界固定支撑、发电量大;(2)发电机为集成式独立部件,无需改变旋转体结构、便于安装与维护;(3)圆形压电振子强度及固有频率高,工作中无明显的共振峰,故可靠性高、输出电压波动小、有效频带宽;(4)压电振子轴向对称配置,其轴向振动力属于内力且相互抵消,对旋转体无影响。附图说明
[0008] 图1是本发明一个较佳实施例中发电装置的结构剖面图;
[0009] 图2是图1的I部放大图;
[0010] 图3是图1的A-A视图;
[0011] 图4为压电振子的结构示意图;
[0012] 图5为图4剖视图。

具体实施方式

[0013] 端盖2通过螺钉安装在主体1侧壁101的端部,所述主体1的外部下侧通过螺钉安装有配重块8;所述端盖2及主体1的底壁102内侧分别设有沉孔201和103、还分别镶嵌有轴承5;所述轴承5的内圈中安装有转子7的转轴701,所述转轴701上设有导线槽705的一端通过螺母9固定有连接盘10;所述转轴701上设有法兰盘702,法兰盘702上设有导线孔703,法兰盘702两侧分别设有沉孔704;端盖2及主体1的底壁102内侧、以及转子7的法兰盘702的两侧分别通过螺钉固定有环形金属基板301,所述各个金属基板301与其侧面所粘接的圆形压电晶片302构成圆形压电振子3;位于端盖2和主体1上的压电振子3的中心处通过螺钉安装有磁铁一4,位于法兰702上的压电振子3的中心处通过螺钉安装有磁铁二13,所述各轴向相邻的磁铁一4和磁铁二13、以及两个磁铁二13之间的同性磁极靠近安装,所述磁铁一4和磁铁二13到转轴701中心的距离相等;两个电刷6的内圈通过螺钉固定在转轴701上、外圈通过螺钉固定在端盖2和主体1的底壁102内侧;位于端盖2及主体1的底壁102内侧的压电振子3通过导线组一14与电刷6的外圈相连、位于法兰盘
702两侧的压电振子3通过导线组二15与电刷6的内圈相连;所述两个电刷6的内圈经导线组三16相连后再经导线组四17与位于连接盘10上的导线柱组12相连,导线组四17经位于转轴701上的导线槽705穿出。
[0014] 本发明所述配重块的重力应满足: 其中ηn为磁铁二数量与磁铁一数量的最大公约数,Q<150°为配重块的圆心角,Fy为磁铁二和磁铁一之间产生沿圆周方向的最大排斥力,R为磁铁二及磁铁一中心到转轴中心的距离,RG为配重块质心到转轴中心的距离。
[0015] 磁铁一和磁铁二应满足 其中m1和m2分别为磁铁一和磁铁二的磁矩,l为磁铁一和磁铁二之间轴向距离,L为两个磁铁二之间轴向距离,μ0为真空磁导率。
[0016] 工作过程中,连接盘10通过螺钉安装在旋转体11的端部、并带动法兰盘702以及安装在法兰盘702上的磁铁二13随旋转体II一起旋转。当磁铁二13在圆周方向上靠近磁铁一4、且所述两个磁铁在圆周方向上未重叠时,磁铁二13和磁铁一4之间产生沿圆周方向的排斥力Fy,从而产生使磁铁一4沿转轴701转动的驱动转矩My,当磁铁二13与磁铁一4在圆周方向“相切”时驱动力矩最大,即为My=RFy,其中R为磁铁二13及磁铁一4的中心到转轴701中心的距离;由于本发明中主体1的外部下侧通过螺钉安装有配重块8,当配重块8因受驱动转矩My作用转过一定角度Q1时,配重块8的重力G产生一个反向的制动转矩MG=GRGcosQ1,其中RG为配重块8质心到转轴701中心的距离。
[0017] 为确保发电机工作过程中配重块8的质心始终处于转轴701中心的下方,应使当配重块8转角为Q1=(180-Q)/2时各磁铁二13与磁铁一4之间驱动转矩之和小于或等于制动转矩,即 由此得配重块8的重力应满足:其中ηn为磁铁二13数量na与磁铁一4数量nb的最大公约数,
Q<150°为配重块8的圆心角。
[0018] 当主体1因配重块8的作用而不随转子7转动时,位于端盖2及主体1上的磁铁一4与安装在法兰盘702上的磁铁二13之间产生相对转动,从而使其所在的各压电振子3产生轴向弯曲振动并将机械能转换成电能。根据电磁学理论,两轴向相邻磁铁一4与磁铁二
13之间、以及两相邻磁铁二13之间的轴向排斥力分别为 和
其中m1和m2分别为磁铁一4和磁铁二13的磁矩,l为磁铁一4和磁铁二13之间轴向距离,L为两个磁铁二13之间轴向距离,μ0为真空磁导率,ηS=0~1为磁铁一4和磁铁二13之间的重叠面积系数。因此,为使所述的位于端盖2、主体1及法兰盘702上的各压电振子都能产生往复的轴向弯曲振动,当ηS=1时应有:
即需满足
[0019] 本发明中,转子7的法兰盘702上、以及相对静止的主体1和端盖2上均安装有压电振子,通过压电振子间的相对转动实现互激,故在发电机轴向尺寸一定的情况下发电量可成倍提高;同时,因所述各压电振子在轴向上对称安装,故其轴向振动力属内力、相互抵消,对旋转体II无影响。
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