CN102801356B - 基于磁力耦合轴向激励的转盘式压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁力耦合轴向激励的转盘式压电发电机，属于压电发电领域。机床箱体上镶嵌有轴承和磁铁一；旋转轴通过轴承安装在机床箱体上，所述旋转轴的轴肩两侧分别安装有转盘和监测***，转盘上安装有压电振子；所述压电振子由磁性金属基板和压电晶片粘接而成，所述压电振子和监测***通过导线组连接；磁铁架的法兰端通过螺钉安装在机床箱体上，磁铁架底端内侧镶嵌有磁铁二，所述磁铁一与磁铁二的异性磁极与压电振子靠近安装。优点是磁性金属基板压电振子置于轴上且通过磁力耦合轴向激励，无接触冲击、噪音及冲击破坏，直接将电能提供给随轴转动的监测***；压电振子轴向弯曲变形及发电量不受转动状态影响，匀速及高速时均可发电。
Description
技术领域
本发明属于压电发电及自供电应用技术领域，具体涉及一种基于磁力耦合轴向激励的转盘式压电发电机，用于机床传动轴及轴承等旋转类构件的健康状态监测***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及航空发动机、高速列车、油气钻、机床主轴等旋转体的自供电传感监测而提出的；此外，微型风力发电机的需求也是催生旋转式压电发电机的关键要素。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***，尤其不适于汽车轮胎压力监测***等无相对运动的场合。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。
根据激励方式的不同，现有旋转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，利用带有拨齿的旋转机构拨动固定的压电振子、或利用固定的拨齿拨动旋转的压电振子使其沿旋转方向的变形，该方法需二者作相对转动，不适于汽车轮胎、独立的悬臂主轴等无固定支撑的场合、且高速时冲击、噪音较大；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。
上述已有的3类旋转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，过大的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、汽车轮胎、航空发动机、高速列车、油气钻主轴等高转速或使用空间/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-高速转动的新型旋转式压电发电机依然是很多领域所急需的。
发明内容
本发明提供一种基于磁力耦合轴向激励的转盘式压电发电机，针对机床传动轴及轴承等各类旋转构件健康监测***自供电的需求现状，用以解决现有旋转压电发电机在可靠性及转速适应能力等方面所存在的问题。
本发明采取的技术方案是：机床箱体侧壁上镶嵌有轴承和磁铁一；旋转轴的一端通过轴承安装在所述的机床箱体侧壁上，所述旋转轴的轴肩的两侧通过螺钉分别安装有转盘和监测***；在所述转盘上通过螺钉安装有磁性金属基板，所述磁性金属基板与其表面所粘接的压电晶片共同构成压电振子，所述压电振子和监测***通过导线组连接；磁铁架的法兰端通过螺钉安装在所述的机床箱体侧壁上、且将所述压电振子罩在内部；在所述磁铁架的底端的内侧镶嵌有磁铁二；所述磁铁一与磁铁二的异性磁极与压电振子靠近安装；所述磁铁一与磁铁二的数量相等、且几何中心至旋转轴中心的距离相等、且其几何中心与旋转轴中心的连线之间的夹角为Q=360o/n,其中n为磁铁一和磁铁二的数量之和。
在本发明中， 机床箱体侧壁上的磁铁一和磁铁架底端内侧的磁铁的作用是对随旋转轴转动的压电振子施加交变的磁场；用于构成压电振子的磁性金属基板在磁场可被极化，从而与所靠近的磁铁一或磁铁二之间产生吸引力，并带动压电晶片产生沿旋转轴轴线方向的弯曲变形，进而将机械能转换成电能。压电振子固定在旋转轴上、且随其转动，直接将所生成的电能直接供给随旋转轴一同旋转的传感监测***。
当旋转轴连续转动时，压电振子随旋转轴一起转动，而机床箱体侧壁上的磁铁一及磁铁架底端内侧的磁铁相对静止。当转动的压电振子与所述磁铁一的N极靠近时，所述压电振子的磁性金属基板上与所述磁铁一相邻的表面被极化成S极、另一表面被极化成N极；同理，当转动的压电振子与所述磁铁二的S靠近时，所述压电振子的磁性金属基板上与所述磁铁二相邻的表面被极化成N极、另一表面被极化成S极。在旋转的压电振子与磁铁一和磁铁二交替靠近的过程中，其磁性金属基板被极化后的磁极方向并不改变，即磁化后形成的S极始终与磁铁一的N极相对、磁化后形成的N极始终与磁铁二的S极相对。因此，当压电振子与磁铁一靠近时，两个异性磁极相吸，使压电振子产生沿旋转轴轴线方向向左的弯曲变形；当压电振子与磁铁二靠近时，两个异性磁极相吸，使压电振子产生沿旋转轴轴线方向向右的弯曲变形。随着旋转轴的连续转动，压电振子在两个相反方向的磁力吸引下将产生连续的轴向往复弯曲振动，并将机械能转换成电能。
本发明的特色在于：利用薄片型磁性金属基板压电振子在磁场中被磁化后所产生的吸引力激励压电振子轴向弯曲变形，压电振子上无需额外配置磁铁，发电元件轴向尺寸短、结构简单、可靠性高；压电振子的弯曲变形量及发电量主要由磁铁的磁场强度决定，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压电振子置于旋转轴上，通过磁力耦合实现非接触激励，无接触冲击、噪音及接触激励可能造成的压电振子损毁，且便于将电能提供给随旋转轴转动的监测***；② 压电振子沿旋转轴的轴向弯曲变形，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剖视简图；
图2是图1的A-A视图；
图3是图1的I部放大图
图4是本发明压电振子的结构示意图；
图5是图4的B-B剖面图。
具体实施方式
机床箱体侧壁1上镶嵌有轴承2和磁铁一4；旋转轴3的一端301通过轴承2安装在所述的机床箱体侧壁1上，所述旋转轴3的轴肩302的两侧通过螺钉分别安装有转盘5和监测***7；在所述转盘5上通过螺钉安装有磁性金属基板601，所述磁性金属基板601与其表面所粘接的压电晶片602共同构成压电振子6，所述压电振子6和监测***7通过导线组9连接；磁铁架8的法兰端801通过螺钉安装在所述机床箱体侧壁1上、且将所述压电振子6罩在内部；在所述磁铁架8的底端802的内侧镶嵌有磁铁二4’；所述磁铁一4与磁铁二4’的异性磁极与压电振子6靠近安装；所述磁铁一4与磁铁二4’的数量相等、且几何中心至旋转轴3的中心的距离相等、且其几何中心与旋转轴3的中心的连线之间的夹角为Q=360o/n,其中n为磁铁一4和磁铁二4’的数量之和。
在本发明中， 机床箱体侧壁1上的磁铁一4和磁铁架8的底端802内侧的磁铁4’的作用是对随旋转轴3转动的压电振子6施加交变的磁场；用于构成压电振子6的磁性金属基板601在磁场可被极化，从而与所靠近的磁铁一4或磁铁二4’之间产生吸引力，并带动压电晶片602产生沿旋转轴轴线方向的弯曲变形，进而将机械能转换成电能。压电振子6固定在旋转轴3上、且随其转动，直接将所生成的电能直接供给随旋转轴3一同旋转的传感监测***7。
当旋转轴3连续转动时，压电振子6随旋转轴3一起转动，而机床箱体侧壁1上的磁铁一4和磁铁架8的底端802内侧的磁铁4’相对静止。当转动的压电振子6与机床箱体侧壁1上磁铁一4的N极靠近时，所述压电振子6的磁性金属基板601上与所述磁铁一4相邻的表面被极化成S极、另一表面被极化成N极；同理，当转动的压电振子6与磁铁架8的底端802内侧的磁铁二4’的S靠近时，所述压电振子6的磁性金属基板601上与所述磁铁二4’相邻的表面被极化成N极、另一表面被极化成S极。可见，在旋转的压电振子6与磁铁一4和磁铁二4’交替靠近的过程中，其磁性金属基板601被极化后的磁极方向并不改变，即磁化后形成的S极始终与磁铁一4的N极相对、磁化后形成的N极始终与磁铁二4’的S极相对。因此，当压电振子6与磁铁一4靠近时，两个异性磁极相吸，使压电振子6产生沿旋转轴3的轴线方向向左的弯曲变形；当压电振子6与磁铁二4’靠近时，两个异性磁极相吸，使压电振子6产生沿旋转轴3的轴线方向向右的弯曲变形。随着旋转轴3的连续转动，压电振子6在两个相反方向的磁力作用下将产生连续的轴向往复弯曲振动，并将机械能转换成电能。
Claims (1)
1.一种基于磁力耦合轴向激励的转盘式压电发电机，其特征在于：机床箱体侧壁上镶嵌有轴承和磁铁一；旋转轴的一端通过轴承安装在所述的机床箱体侧壁上，所述旋转轴的轴肩的两侧通过螺钉分别安装有转盘和监测***；在所述转盘上通过螺钉安装有磁性金属基板，所述磁性金属基板与其表面所粘接的压电晶片共同构成压电振子，所述压电振子和监测***通过导线组连接；磁铁架的法兰端通过螺钉安装在所述的机床箱体侧壁上、且将所述压电振子罩在内部；在所述磁铁架的底端的内侧镶嵌有磁铁二；所述磁铁一与磁铁二的异性磁极与压电振子靠近安装；所述磁铁一与磁铁二的数量相等、且几何中心至旋转轴中心的距离相等、且其几何中心与旋转轴中心的连线之间的夹角为Q=360o/n,其中n为磁铁一和磁铁二的数量之和。
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