技术领域
[0001] 本实用新型属于新
能源和发电技术领域，具体涉及一种发电装置。
背景技术
[0002]
轴承是一种典型的机械
基础件，在机械、车辆、航空航天、轮船及能源等领域都有着极其广泛的应用；然而，轴承也是转动机器中最易损坏的零件之一，
旋转机械故障的30％是由轴承失效所引发的。因此，轴承的状态监测与早期故障诊断已引起人们的高度重视。轴承状态的在线监测已经逐步成为大型
风力发
电机、轮船、高
铁以及航空器等领域不可或缺的技术，所需监测的指标包括诸如
温度、振动、转速及噪音等。早期的轴承监测系统主要是外挂式的，其弊端之一是
传感器与
信号源间的距离较远，属于非
接触的间接测量，故误差较大。近年来，人们又相继提出了不同形式的嵌入式监测系统，这种方法可解决测量
精度及准确性问题，但需要改变相关设备的结构或其完整性，以便安装传感监测系统，这不但容易引起设备零部件的
应力集中等问题，在一些结构复杂或空间有限的设备上也是无法实现的；最为关键的是，当监测系统需要随
轴承内圈或
外圈一起转动时，不便通过电线供电，而采用
电池供电使用时间很短。因此，目前的轴承监测系统基本上还都是非实时的、间接的非接触测量，难以及时准确地获得轴承的运行状态。
发明内容
[0003] 针对现有轴承监测系统在实际应用中所存在的各类问题，本实用新型提供一种发电装置。本实用新型采用的实施方案是：一种发电装置，主要由外圈、圆柱滚子、密封挡环一和密封挡环二、内圈、环形骨架一和骨架二、环形
电路板一和
电路板二、金属片一和金属片二、压电片一和压电片二、受激
磁铁一和受激磁铁二、激励磁铁一和激励磁铁二等构成。所述所述外圈两端设有内环槽、内圈两端设有外环槽，所述外圈左内环槽和内圈右外环槽处分别通过
过盈配合安装有设有辐板的骨架一和骨架二；电路板一与金属片一和密封挡环一通过螺钉固定在骨架一左右两侧，并与骨架一构成密闭辐腔一；压电片一粘接在金属片一上、且置于辐腔一内；受激磁铁一通过螺钉与压电片一及金属片一相连；压电片一及金属片一通过
导线组一与电路板一相连；传感器一固定在环形骨架一上、且置于辐腔一内；所述传感器一通过导线组二与电路板一相连；金属片二和密封挡环二与电路板二通过螺钉固定在骨架二的左右两侧，并与环形骨架二构成密闭辐腔二；压电片二粘接在金属片二上、且置于密闭辐腔二内；受激磁铁二通过螺钉与压电片二及金属片二相连接；压电片二及金属片二通过导线组三与电路板二相连接；传感器二固定在环形骨架二上、且置于密闭辐腔二内；所述传感器二经导线组四与电路板二相连；激励磁铁一及激励磁铁二镶嵌在圆柱滚子两侧，并分别与受激磁铁一及受激磁铁二正对，所述各轴向相邻两磁铁的异性磁极靠近安装。
[0004] 为提高发电量，所述各磁铁的半径相等且由式 计算得到，其中：R为
圆柱滚子轴承内圈
滚道的半径，r为圆柱滚子半径，n0为圆柱滚子的数量；
称为定
角比，Q2＝360/n0为两相邻激励磁铁一或两相邻激励磁铁二的中心与其回转中心O的连线间的夹角，Q1为通过回转中心O且与所述激励磁铁一或二相切的直线间的夹角；较佳的定角比为k＝1.5～3.5。
[0005] 工作过程中，圆柱滚子随着外圈或内圈转动而滚动，同时还带动圆柱滚子及与镶嵌在所述圆柱滚子上的激励磁铁一和激励磁铁二一起转动，从而使激励磁铁一和受激磁铁一及激励磁铁二和受激磁铁二之间产生相对运动，并使激励磁铁一与受激磁铁一之间的作用力、以及激励磁铁二与受激磁铁二之间作用力发生变化，迫使压电片一和压电片二交替的弯曲
变形，将机械能转换成
电能；压电片一所生成的电能经导线组一输出给电路板一上的
能量转换处理电路，再经导线组二输出给传感器一；压电片一所生成的电能经导线组三输出给电路板二上的能量转换处理电路，再经导线组四输出给传感器二；从而实现轴承运动状态的自供电实时监测。
[0006] 为确保压电片产生的电能可满足传感器的自供电需求，应尽可能提高压电片产生的电能。激励磁铁与受激磁铁相对转动一周时，单个压电片产生的电能为其中：Cf为压电片的自由电容，Vg＝ηF为压电片生成的开路
电压，η为与压电片尺度及材料有关的系数，F为压电片所受的外部作用力，
2
h＝nF 称为能量系数。显然，在其它条件不变时，可通过提高压电片所受外部作用力F提高电压，通过提高能量系数h提高电能。根据本实用新型圆柱滚子轴承的工作原理以及
磁场为空间分布的实际情况，任一受激磁铁一都同时受多个激励磁铁一作用、任一受激磁铁二都同时受多个激励磁铁二作用。故在其它条件确定的情况下，所述某个受激磁铁一及受激磁铁二所受作用力分别与其所对应的定角比k有关，且存在较佳的定角比k使得作用力F、电压Vg、及电能Eg较大；当取k＝1.5～3.5时，所获得的电压和电能都较大，可确保能量系数不低于其最大值的1/2。
[0007] 图7给出了不同定角比时受激磁铁所受作用力F与转角比j＝Q3/Q1的试验曲线，其中Q3为受激磁铁及激励磁铁中心与其回转中心O的连线间的夹角，故转角比j表征的是受激磁铁与激励磁铁间的距离。图7说明，定角比不同时，受激磁铁所受激励磁铁作用力的大小及激励的次数不同。作用力最大值、激励次数以及能量系数与定角比k的关系曲线如图8所示。显然，当取k＝1.5～3.5时，所得电压和电能都较大，能量系数大于其最大值的1/2。
[0008] 压电片产生的电压和电能除了与作用力F，定角比k有关外，跟作用力F的作用时间也有很大的关系。当作用力F，定角比k确定时，根据I＝Ft，若激励磁铁一或二作用时间t过小，压电片几乎不产生电压和电能，可通过提高作用时间t来提高对压电片的冲量。根据计算，圆柱滚子(激励磁铁一或二)公转一周时间为T＝120(R+r)/nR，其中R为内圈滚道半径，r为圆柱滚子半径，n(r/min)为内圈转速(假设外圈转速为0)。作用时间t＝
240(R+r)arctan(r0/(R+r))/nπR，其中r0为激励磁铁半径。与本实用新型激励磁铁一或二(圆柱滚子)相同旋转半径并直接相对转动的激励磁铁公转一周的时间为T0＝60/n，作用时间为t0＝120arctan(r0/(R+r))/πn，则时间比γ＝t/t0＝2(R+r)/R。所以本实用新型可延长激励磁铁一或二的作用时间，即可提高压电片产生电压和电能。
[0009] 优势与特色：轴承自身具有自供能传感监测功能，作为独立的标准部件使用，无需改变其安装设备的结构，可实现真正意义上的实时在线监测。
附图说明
[0010] 图1是本实用新型一个较佳
实施例中圆柱滚子轴承的结构剖面图；
[0011] 图2是
轴承内圈及外圈上未安装环形骨架时的结构示意图；
[0012] 图3是图1的A-A视图；
[0013] 图4是图1的B-B视图；
[0014] 图5是本实用新型中激励磁铁与受激磁铁相对转动后的结构示意图；
[0015] 图6是金属片二7’结构示意图
[0016] 图7是不同定角比时受激磁铁所受作用力与转角比的关系曲线；
[0017] 图8是能量系数、最大作用力及激励次数与定角比的关系曲线；
具体实施方式
[0018] 针对现有轴承监测系统在实际应用中所存在的各类问题，本实用新型提供一种发电装置。本实用新型采用的实施方案是：一种发电装置，主要由外圈1、圆柱滚子2、密封挡环一3和密封挡环二3’、内圈4、环形骨架一5和骨架二5’、环形电路板一6和电路板二6’、金属片一7和金属片二7’、压电片一10和压电片二10’、受激磁铁一11和受激磁铁二11’、激励磁铁一8和激励磁铁二8’等构成。
[0019] 本实用新型中，所述外圈1左右两端分别设有内环槽101和101’，所述内圈4左右两端分别设有外环槽401和401’；所述外圈的左内环槽101内通过过盈配合安装有设有辐板501的环形骨架一5，所述环形骨架一5的内孔与内圈4的左外环槽401为间隙配合；所述内圈的右外环槽401’通过过盈配合安装有设有辐板501’的环形骨架二5’，所述环形骨架二5’的外孔与外圈1的右内环槽101’为间隙配合；所述电路板一6与金属片一7和密封挡环一3分别通过螺钉固定在环形骨架一5的左侧和右侧，并与环形骨架一5及辐板501共同构成密闭辐腔一502；所述压电片一10粘接在金属片一7上、且置于辐腔一502内；受激磁铁一11通过螺钉与压电片一10及金属片一7相连；所述压电片一10及金属片一7通过导线组一9与电路板一6相连接；传感器一13固定在环形骨架一5上、且置于辐腔一502内；所述传感器一13通过导线组二12与电路板一6相连接；所述金属片二7’和密封挡环二3’与电路板二6’分别通过螺钉固定在环形骨架二5’的左右两侧，并与环形骨架二5’及所述环形骨架二5’上的辐板501’共同构成密闭辐腔二502’；所述压电片二10’粘接在金属片二7’上、且置于密闭辐腔二502’内；受激磁铁二11’通过螺钉与压电片二10’及金属片二7’相连接；所述压电片二10’及金属片二7’通过导线组三9’与电路板二6’相连接；传感器二13’固定在环形骨架二5’上、且置于密闭辐腔二502’内；所述传感器二13’通过导线组四12’与电路板二6’相连接；激励磁铁一8及激励磁铁二8’镶嵌在圆柱滚子2两侧，并分别与受激磁铁一11及受激磁铁二11’正对；受激磁铁一11与激励磁铁一8之间、激励磁铁一8与激励磁铁二8’之间、以及激励磁铁二8’与受激磁铁11’之间的异性磁极靠近安装。
[0020] 为提高发电量，所述各磁铁的半径相等且由式 计算得到，其中：R为圆柱滚子轴承内圈滚道的半径，r为圆柱滚子2半径，n0为圆柱滚子2的数量，亦即激励磁铁一8及激励磁铁二8’的数量； 称为定角比，Q2＝360/n0为两相邻激励磁铁一8或两相邻激励磁铁二8’的中心与其回转中心O的连线间的夹角，Q1为通过回转中心O且与所述激励磁铁一8或二8’相切的直线间的夹角；较佳的定角比为k＝1.5～
3.5。
[0021] 工作过程中，圆柱滚子2随着外圈1或内圈4转动而滚动，同时还带动圆柱滚子2及与镶嵌在所述圆柱滚子上的激励磁铁一8和激励磁铁二8’一起转动，从而使激励磁铁一8和受激磁铁一11及激励磁铁二8’和受激磁铁二11’之间产生相对运动，并使激励磁铁一8与受激磁铁一11之间的作用力、以及激励磁铁二8’与受激磁铁二11’之间作用力发生变化，迫使压电片一10和压电片二10’交替的弯曲变形，将机械能转换成电能；压电片一
10所生成的电能经导线组一9输出给电路板一6上的能量转换处理电路，再经导线组二12输出给传感器一13；压电片一10’所生成的电能经导线组三9’输出给电路板二6’上的能量转换处理电路，再经导线组四12’输出给传感器二13’；从而实现轴承运动状态的自供电实时监测。
[0022] 为确保压电片产生的电能可满足传感器的自供电需求，应尽可能提高压电片产生的电能。激励磁铁与受激磁铁相对转动一周时，单个压电片产生的电能为其中：Cf为压电片的自由电容，Vg＝ηF为压电片生成的开路电压，η为与压电片尺度及材料有关的系数，F为压电片所受的外部作用力，
2
h＝nF 称为能量系数。显然，在其它条件不变时，可通过提高压电片所受外部作用力F提高电压，通过提高能量系数h提高电能。根据本实用新型圆柱滚子轴承的工作原理以及磁场为空间分布的实际情况，任一受激磁铁一11都同时受多个激励磁铁一8作用、任一受激磁铁二11’都同时受多个激励磁铁二8’作用。故在其它条件确定的情况下，所述某个受激磁铁一11及受激磁铁二11’所受作用力分别与其所对应的定角比k有关，且存在较佳的定角比k使得作用力F、电压Vg、及电能Eg较大。本实用新型中，较佳的定角比为k＝1.5～
3.5时，所获得的电压和电能都较大。
[0023] 图7给出了不同定角比时受激磁铁所受作用力F与转角比j＝Q3/Q1的试验曲线，其中Q3为受激磁铁及激励磁铁中心与其回转中心O的连线间的夹角，故转角比j表征的是受激磁铁与激励磁铁间的距离。图7说明，定角比不同时，受激磁铁所受激励磁铁作用力的大小及激励的次数不同。作用力最大值、激励次数以及能量系数与定角比k的关系曲线如图8所示。显然，当取k＝1.5～3.5时，所得电压和电能都较大，能量系数大于其最大值的1/2。
[0024] 压电片产生的电压和电能除了与作用力F，定角比k有关外，跟作用力F的作用时间也有很大的关系。当作用力F，定角比k确定时，根据I＝Ft，若激励磁铁一8或二8’作用时间t过小，压电片几乎不产生电压和电能，可通过提高作用时间t来提高对压电片的冲量。根据计算，圆柱滚子2(激励磁铁一8或二8’)公转一周时间为T＝120(R+r)/nR，其中R为内圈4滚道半径，r为圆柱滚子2半径，n(r/min)为内圈4转速(假设外圈1转速为0)。作用时间t＝240(R+r)arctan(r0/(R+r))/nπR，其中r0为激励磁铁半径。与本实用新型激励磁铁一8或二8’(圆柱滚子2)相同旋转半径并直接相对转动的激励磁铁公转一周的时间为T0＝60/n，作用时间为t0＝120arctan(r0/(R+r))/πn，则时间比γ＝t/t0＝2(R+r)/R。所以本实用新型可延长激励磁铁一8或二8’的作用时间，即可提高压电片产生电压和电能。
