CN102801358A

CN102801358A - 双向磁力耦合轴向激励并限位的转轴式压电发电机

Info

Publication number: CN102801358A
Application number: CN2012103189302A
Authority: CN
Inventors: 王淑云; 阚君武; 徐海龙; 蔡建成; 尹晓红; 曾平
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2012-09-01
Filing date: 2012-09-01
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-09-01
Also published as: CN102801358B

Abstract

本发明涉一种双向磁力耦合轴向激励并限位的转轴式压电发电机，属于压电发电领域。两个轴承座之间用螺钉固定有圆筒，圆筒内壁的不同横截面上交替地镶嵌多组定磁铁一和定磁铁二；两个轴承座上均镶嵌有轴承和磁环，主轴通过轴承安装轴承座上，主轴的花键上套有多组压电换能器；一对儿动磁铁异性磁极相对地通过螺钉安装在所述压电换能器的自由端。优点是无接触冲击与噪音、可靠性高、且便于将电能提供给随旋转轴转动的监测系统，匀速及高速时均可发电。

Description

双向磁力耦合轴向激励并限位的转轴式压电发电机

技术领域

本发明属于压电发电领域，具体涉及一种双向磁力耦合轴向激励并限位的转轴式压电发电机，用于旋转机械健康监测系统供电。

背景技术

利用薄片型压电振子构造微小型压电发电机的研究已经成为国内外持续多年的热点。针对发电机原动力来源及应用目的的不同，目前国内外均已提出了多种结构形式的悬臂梁式压电发电机，主要包括振动式和旋转式两大类型。其中，旋转式压电发电机最初是为解决直升机螺旋桨、汽车轮胎压力、航空发动机/高速列车/油气钻主轴等旋转机械的自供电传感监测而提出的。就发电/供电能力而言，旋转式电磁发电机已很成熟、且已被广泛应用，但因其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。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。

根据激励方式的不同，现有随旋转体转动的转轴式压电发电机可分为3大类：① 惯性激励式，利用压电振子随轴转动过程中受力方向的变化使其沿旋转方向弯曲变形，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；②拨动式，利用固定的拨齿拨动旋转的压电振子使其沿旋转方向弯曲变形，该方法在高速时易产生较大的冲击和噪音较大，且易使压电振子因变性过大而损坏；③ 撞击式，利用旋转坠落的钢球撞击压电振子，该方法也仅适用于转速较低的场合，且存在较大的接触冲击与噪音、还可使压电振子因接触冲击而损毁。

上述3类随旋转体转动的转轴式压电发电机的共同特点是压电振子均沿旋转体的旋转方向变形，其变形量和发电量完全取决于旋转体的转速及转动状态，由此所带来的弊端在于：①压电振子变形量不可控，过大变形会导致压电振子碎裂，故可靠性低；②在高速、匀速、尤其是匀-高速时，压电振子不会被有效激励，环境适应能力及频带宽度有限。可见，现有旋转式压电发电机并不适于直升机螺旋桨、航空发动机/高速列车/油气钻主轴等高转速、匀速或使用空间/结构受限的场合。因此，结构简单、可靠性高、频带宽、无冲击/噪音、且适用于匀速/高速、尤其是匀-高速转动的新型转轴式压电发电机依然是很多领域所急需的。

发明内容

本发明提供一种双向磁力耦合轴向激励并限位的转轴式压电发电机，为满足旋转机械健康监测系统所需的实时的、充足的电能需求，发电机须具备以下特性：①随旋转体转动，②具有足够的发电能力，③匀速及高速时均可发电、且具有较高的可靠性。

本发明采取的技术方案是：两个轴承座一和轴承座二之间用螺钉固定连接圆筒，在所述圆筒内壁的不同横截面上交替地镶嵌多组定磁铁一和定磁铁二，所述定磁铁一和定磁铁二的磁极沿所述圆筒的径向安装、且磁极方向相反；在所述的轴承座一和轴承座二上均分别镶嵌有轴承和磁环,且所述轴承座一和轴承座二上的磁环指向圆筒内的磁极极性和与其相邻的动磁铁一或动磁铁二指向圆筒内的磁极极性相同；主轴通过所述的两个轴承安装在所述的两个轴承座和上，在所述主轴的花键上套有压电换能器，所述每组压电换能器由一对阶梯挡圈、一对短挡圈和各长挡圈压接在所述的两个轴承之间；所述每一组压电换能器由金属基板上的悬臂梁和压电晶片粘接而成，在所述压电换能器的金属基板的中心处设有花键孔；一对动磁铁一和动磁铁二异性磁极相对地通过螺钉安装在所述压电换能器的自由端，所述同一组压电换能器上的动磁铁一和动磁铁二磁极的轴向配置方向相同、相邻两组压电换能器上的动磁铁一和动磁铁二磁极的轴向配置方向相反；与磁环相邻的动磁铁一或动磁铁二的磁极的极性和所述磁环上指向圆筒内侧的磁极极性相同。

本发明的双向磁力耦合轴向激励并限位的转轴式压电发电机可用于运动中的旋转主轴或固定安装的旋转主轴。例如，飞机及轮船螺旋桨等的主轴在绕其回转中心转动的同时，还随飞机或轮船运动，当飞机及轮船加速或减速运动时，压电换能器在其自身及动磁铁惯性力的作用下也会产生沿主轴轴线方向的弯曲变形；对于固定的机床等的主轴，在运输及装配的过程中也存在使压电换能器产生较大变形的可能。因此，本发明在轴承座上镶嵌磁环，同时还使两组相邻的压电换能器上的动磁铁之间的同性磁极相对安装，从而使磁环和与其相邻的动磁铁之间、以及两组相邻的压电换能器上的动磁铁之间产生排斥力，避免压电换能器因变形量过大而损坏。

在本发明中，位于轴承座上的磁环及位于圆筒上的定磁铁一和定磁铁二相对主轴的旋转中心固定，而压电换能器以及置于压电换能器自由端的动磁铁随主轴旋转。位于轴承座上的磁环的作用是给与之靠近的压电换能器施加排斥力，且此排斥力通过两组相邻压电换能器上的动磁铁同性磁极的排斥作用沿轴向传递，从而避免压电换能器产生过大的轴向变形；位于圆筒上的动磁铁一和动磁铁二作用是对旋转的动磁铁施加交替的推力，从而使压电换能器沿主轴的轴向弯曲振动，并将机械能转换成电能；因压电换能器固定在主轴上且随其转动，便于将所生成的电能直接供给随主轴旋转的传感监测系统。

本发明的特色在于：采用双向磁力耦合作用同时完成压电换能器的轴向激励和变形量控制，可靠性高；压电振子的弯曲变形量及发电量主要由磁极间的磁场强度决定，旋转轴增速、减速、及转速高低等状态变化对其无直接影响，因此对转速适应能力强，在各种转动状态下都有较强的发电能力。

本发明优势在于：①压电换能器随主轴转动、并通过双向磁力耦合作用实现非接触轴向激励和变形保护，无接触冲击与噪音、可靠性高、且便于将电能提供给随旋转轴转动的监测系统；② 压电换能器沿主轴轴向弯曲变形，变形量及发电量不受旋转轴转动状态影响，匀速及高速时均可发电。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构原理简图；

图2是图1的A-A视图；

图3是本发明一个较佳实施例中压电换能器的结构示意图；

图4是图3的B-B剖面图；

图5是图1的I部放大图；

图6是图1的II部放大图；

具体实施方式

本发明所提出的双向磁力耦合轴向激励并限位的转轴式压电发电机可用于各种类型旋转构件，如直升机螺旋桨、航空发动机、高速列车、油气钻主轴等。针对不同的应用场合，旋转构件的具体结构可能存在一定的区别，但不影响本发明的新颖性及创造性，现以螺旋桨主轴应用为例，具体说明本发明的实施方式：

两个轴承座一1和轴承座二1’之间用螺钉固定连接圆筒2，在所述圆筒2内壁的不同横截面上交替地镶嵌多组定磁铁一4和定磁铁二4’，所述定磁铁一4和定磁铁二4’的磁极沿所述圆筒2的径向安装、且磁极方向相反；在所述的轴承座一1和轴承座二1’上均分别镶嵌有轴承5和磁环12,且所述轴承座一1和轴承座二1’上的磁环12指向圆筒2内的磁极极性和与其相邻的动磁铁一4或动磁铁二4’指向圆筒2 内的磁极极性相同；主轴6通过所述的两个轴承5安装在所述的两个轴承座1和1’上，在所述主轴6的花键601上套有压电换能器7，所述每组压电换能器7由一对阶梯挡圈8、一对短挡圈9和各长挡圈10压接在所述的两个轴承5之间；所述每一组压电换能器7由金属基板701上的悬臂梁7011和压电晶片702粘接而成，在所述压电换能器7的金属基板的中心处设有花键孔703；一对动磁铁一11和动磁铁二11’异性磁极相对地通过螺钉安装在所述压电换能器7的自由端，所述同一组压电换能器7上的动磁铁一11和动磁铁二11’磁极的轴向配置方向相同、相邻两组压电换能器7上的动磁铁一11和动磁铁二11’ 磁极的轴向配置方向相反；与磁环12相邻的动磁铁一11或动磁铁二11’的磁极的极性和所述磁环12上指向圆筒2内侧的磁极极性相同。

本发明的双向磁力耦合轴向激励并限位的转轴式压电发电机可用于运动中的旋转主轴或固定安装的旋转主轴。例如，飞机及轮船螺旋桨等的主轴6在绕其回转中心转动的同时，还随飞机或轮船运动，当飞机及轮船加速或减速运动时，压电换能器7在其自身及动磁铁一11和动磁铁二11’惯性力的作用下也会产生沿主轴6轴线方向的弯曲变形；对于固定的机床等的主轴6，在运输及装配的过程中也存在使压电换能器7产生较大变形的可能。因此，本发明在轴承座一1和轴承座二1’上镶嵌磁环12，同时还使两组相邻的压电换能器7上的动磁铁一11和动磁铁二11’之间的同性磁极相对安装，从而使磁环12和与其相邻的动磁铁一11或动磁铁二11’之间、以及两组相邻的压电换能器7上的动磁铁一11和动磁铁二11’之间产生排斥力，避免压电换能器7因变形量过大而损坏。

在本发明中，位于轴承座一1和轴承座二1’上的磁环12及位于圆筒2上的定磁铁一4和定磁铁二4’相对主轴6的旋转中心固定，而压电换能器7以及置于压电换能器7自由端的动磁铁一11和动磁铁二11’随主轴6旋转。位于轴承座一1和轴承座二1’上的磁环12的作用是给与之靠近的压电换能器7施加排斥力，且此排斥力通过两组相邻压电换能器7上的动磁铁一11和动磁铁二11’同性磁极的排斥作用沿轴向传递，从而避免压电换能器7产生过大的轴向变形；位于圆筒2上的动磁铁一4和动磁铁二4’作用是对旋转的动磁铁11或动磁铁11’施加交替的推力，从而使压电换能器7沿主轴6的轴向弯曲振动，并将机械能转换成电能；因压电换能器7固定在主轴6上且随其转动，便于将所生成的电能直接供给随主轴6旋转的传感监测系统。

本发明中磁场力激励压电换能器轴向弯曲变形并限制其变形量的过程如下：

当主轴6旋转使动磁铁一11和动磁铁二11’转至下方且与动磁铁一4靠近时，从左至右的第一、第三、第五压电换能器7向右弯曲、第二、第四、第六压电换能器7向左弯曲，因此相邻的第一与第二、第三与第四、第五与第六压电换能器7上的动磁铁一11与动磁铁二11’的N极相互靠近，产生逐渐增加的排斥力，从而抑制压电换能器7因受定磁铁一4作用所产生的变形量；当主轴6旋转使动磁铁一11和动磁铁二11’转至上方且与动磁铁二4’靠近时，从左至右的第一、第三、第五压电环能7向左弯曲、第二、第四、第六压电环能7向右弯曲，则相邻的第二与第三、第四与第五压电换能器7上的动磁铁一11与动磁铁二11’的S极相互靠近、第一及第六压电振子上的动磁铁一11或动磁铁二11’的S极与与其相邻磁环12的S极靠近，产生逐渐增加的排斥力，从而抑制压电换能器7因受定磁铁二4’作用所产生的变形量。

在本发明的压电发电机工作过程中，利用动磁铁一11及动磁铁二11’与定磁铁一4或动磁铁二4’之间同性磁极靠近时产生的排斥力激励压电振子轴向变形；同时，还利用相邻两个压电换能器7上的动磁铁一11与动磁铁二11’之间的排斥力、以及与磁环12相邻压电换能器7上的动磁铁一11或动磁铁二11’与所述磁环12的同性磁极之间的排斥力限制压电换能器的变形量，从而避免因变形量过大而损毁。

Claims

1.一种双向磁力耦合轴向激励并限位的转轴式压电发电机，其特征在于：两个轴承座一和轴承座二之间用螺钉固定连接圆筒，在所述圆筒内壁的不同横截面上交替地镶嵌多组定磁铁一和定磁铁二，所述定磁铁一和定磁铁二的磁极沿所述圆筒的径向安装、且磁极方向相反；在所述的轴承座一和轴承座二上均分别镶嵌有轴承和磁环,且所述轴承座一和轴承座二上的磁环指向圆筒内的磁极极性和与其相邻的动磁铁一或动磁铁二指向圆筒内的磁极极性相同；主轴通过所述的两个轴承安装在所述的两个轴承座和上，在所述主轴的花键上套有压电换能器，所述每组压电换能器由一对阶梯挡圈、一对短挡圈和各长挡圈压接在所述的两个轴承之间；所述每一组压电换能器由金属基板上的悬臂梁和压电晶片粘接而成，在所述压电换能器的金属基板的中心处设有花键孔；一对动磁铁一和动磁铁二异性磁极相对地通过螺钉安装在所述压电换能器的自由端，所述同一组压电换能器上的动磁铁一和动磁铁二磁极的轴向配置方向相同、相邻两组压电换能器上的动磁铁一和动磁铁二磁极的轴向配置方向相反；与磁环相邻的动磁铁一或动磁铁二的磁极的极性和所述磁环上指向圆筒内侧的磁极极性相同。