CN112152508B - 一种旋转激励的摩擦-压电复合发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转激励的摩擦‑压电复合发电机，属新能源技术领域。端盖装在筒端部，转轴装在端盖和壳底上；激励器的摆圈套在定圈上，定圈与摆圈轴线存在轴倾角，摆圈的外缘上设有拨环，拨环的两侧装有拨片，定圈装在转轴上并随转轴转动；两托架及隔环装在壳筒的内侧，托架由环板和护板构成，护板凸面上设有由摩擦层和电极层构成的复合膜；托架的环板与隔环之间压接有压电振子，压电振子的基板靠近摩擦层安装，压电振子与复合膜构成摩擦副；拨环两侧的拨片位于两个轴向相邻的压电振子之间；转轴转动时，拨片迫使压电振子往复弯曲变形并与复合膜间的反复接触与脱离，压电振子的基板与压电片之间构成压电发电端，基板与复合膜之间构成摩擦发电端。

Description

一种旋转激励的摩擦-压电复合发电机

技术领域

本发明属于新能源与能量回收技术领域，具体涉及一种旋转激励的摩擦-压电复合发电机，用于风能、水流及旋转体动能收集。

背景技术

近年来，高层建筑物、桥梁、大型与高速旋转机械的实时健康传感监测技术已被广泛应用。此外，用于河流水质污染、防洪预警及大气污染等方面的监测已受到国家相关部门的高度重视，国内专家学者相继提出了相应的监测方法和手段，如针对河水污染的水质监测技术、针对洪水及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术。同时，为实现各类监测***的自供电和免维护，人们已着手研制用于不同类型监测***的微小型发电机。目前研究较多的微小型发电机包括压电、电磁和摩擦原理的三类，每种微小型发电机都有其自身的特点和应用领域。从实际应用的角度，目前所提出的各类发电机仍面临较多的技术瓶颈，较普遍的共性问题归纳如下：①发电能力及单位体积能量密度较低，②环境适应性有限，即对流体流速、振动频率及旋转体转速的适应能力低，③可靠性低，如压电陶瓷易因环境振动强度过大而损毁、滑动摩擦发电机易因摩擦副间摩擦磨损而失效，④存在电磁干扰，如电磁发电机、基于磁耦合辅助激励的非线性压电及摩擦发电机工作时都存在一定的磁场。当然，目前还很难在同一种发电机中把上述各种问题都加以解决。单纯的压电发电机和摩擦发电机的共性特点是无电磁干扰，故更适于无线传感监测***，其各自的发电能力、可靠性及环境适应性都有待进一步提高。

发明内容

本发明提出一种旋转激励的摩擦-压电复合发电机，本发明采用的实施方案是：所提出的复合发电机主要包括机壳、轴承、端盖、转轴、轴套、拨片、激励器、托架、复合膜、压电振子及电路板。端盖经螺钉安装在壳筒端部，转轴经挡片和轴承安装在端盖和壳底上，轴承经挡片和转轴的轴肩定位，挡片经螺钉安装在转轴上无轴肩的一端。

激励器的摆圈经滚动体套在定圈上，滚动体为滚珠或圆柱，定圈轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角称为轴倾角，激励器宽度方向的对称中心面与摆圈轴线垂直，即定圈轴线与其侧面在同一剖切面内的所形成的锐角为90-Q度；摆圈的外缘上设有拨环，拨环、摆圈及滚动体在激励器宽度方向上的对称中心面重合，拨环的两侧经螺钉安装有拨片，拨片为弹性金属片、橡胶片或塑料片；激励器的定圈经两个轴套安装在转轴上，轴套轴向两侧面间的夹角为轴倾角，轴套位于轴承的内圈和激励器的定圈之间，轴套经螺钉固定在转轴上，轴套及激励器的定圈随转轴转动。

两个托架及隔环经螺钉安装在壳筒的内侧凸台上，托架由环板和护板构成，护板的弧形凸面上均布地设有复合膜，复合膜由摩擦层和电极层构成，电极层介于护板的弧形凸面与摩擦层之间，摩擦层的材料为聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。托架的环板与隔环之间压接有压电振子，压电振子为由基板与其一侧所粘接的压电片构成的悬臂梁，基板靠近复合膜的摩擦层安装，压电振子均布安装且其数量与复合膜的数量相等，压电振子与其所正对安装的复合膜构成一个摩擦副；拨环两侧的拨片位于两个轴向相邻的压电振子之间，为确保拨片能将压电振子压接在复合膜的表面上且不产生机械冲击，需满足：r₂cosQ<r₁<r₃，其中r1为拨环的半径、r2为托架的环板上设置复合膜后的内缘半径、r3为拨片的外缘半径；电路板经螺钉安装在壳底上。

本发明的复合发电机可与风力发电机、机床等旋转机械的主轴连接，用于收集旋转机械能发电，此时转轴与旋转体的主轴轴线应重合；用于收集风及水流等流体能时，转轴的另一端经螺钉安装有一组叶片，叶片的功能是将流体运动转换成旋转运动。

本发明的复合发电机中，定圈轴线、摆圈轴线及压电振子宽带方向的对称中心处于同一平面内时：与托架的环板距离较近的压电振子的变形量最大，且所述压电振子被拨片推靠在复合膜上，基板贴合在复合膜的摩擦层表面；与托架的环板距离较远的压电振子不受与其相邻拨片的作用，压电振子与其相邻的拨片接触但无相互作用力，压电振子与其相邻的复合膜脱离接触。

工作中，激励器的定圈随转轴转动时摆圈与定圈之间相对转动，同时摆圈及拨片还绕摆圈的几何对称中心轴向摆动；机壳、托架及压电振子不随转轴转动，故转轴转动时摆圈及拨片相对压电振子、托架及复合膜作轴向往复径向摆动；以压电振子宽度方向的对称面为铅垂面且经过转轴d的轴线的情况为例，发电机的激励与复位过程如下：①拨片摆动并逐渐靠近与其相邻的托架和复合膜时，拨片迫使与其相邻的压电振子弯曲变形，且拨片迫使压电振子的基板贴合在复合膜的摩擦层上，此时定圈轴线与摆圈轴线在铅垂面内的夹角为轴倾角、压电振子弯曲变形量最大，压电片长度方向上各点的应力相等且小于许用应力；②拨片摆动并逐渐远离与其相邻的托架和复合膜时，被拨片顶靠在托架上的压电振子在其自身弹性力的作用下逐渐复位并与其所贴合的复合膜的表面逐渐脱离，待定圈轴线与摆圈轴线在铅垂面内的夹角为轴倾角时压电振子恢复至平直状态且基板与摩擦层完全脱离。

上述摆圈往复摆动并经拨片迫使压电振子往复弯曲变形的过程中，存在两种机械能到电能的转换过程：压电振子发生弯曲变形并将机械能转换成电能，此过程利用的是压电材料的正压电效应、称为压电发电；同时，基板与摩擦层接触分离过程中也将机械能转换成电能，此为过程摩擦发电，故本发明的发电机为摩擦发电与压电发电所构成的复合发电机。转轴转动时，拨片迫使压电振子往复弯曲变形并与复合膜间的反复接触与脱离，压电振子的基板与压电片之间构成压电发电端，基板与复合膜之间构成摩擦发电端，进而将机械能转换成电能。

摩擦发电的原理是：基板与摩擦层的接触会使其内表面带上符号相反的电荷，而当整两个表面逐渐分离并形成一定间隙或距离时便产生一定的电势差，此时如基板和复合膜的电极层经负载连通便会产生电流；基板和复合膜的摩擦层再度分离时由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会回流到原来的电极。

本发明中，压电振子的基板与压电片之间构成压电发电端，基板与复合膜之间构成摩擦发电端，压电发电端和摩擦发电端可独立输出，也可组合输出；独立输出时基板和压电片构成一对电极、基板和复合膜的电极层构成一对电极；组合输出时，基板作为一个电极，复合膜的电极层与压电片经导线并联后作为一个电极，组合输出时压电片和摩擦层产生的电荷属性相同，即均为正电荷或均为负电荷。压电发电与摩擦发电端产生的电能经导线与电路板上的转换电路处理后输出或存储。

以铅垂面内安装的压电振子为例，本发明发电机的工作过程如下：摆圈轴线、定圈轴线及压电振子宽带方向的对称中心处于铅垂面内且摆圈轴线与定圈轴线间的夹角为轴倾角时，上方左侧和下方右侧压电振子的基板被顶靠在托架上的复合膜上，压电振子的弯曲变形量最大；同时，上方右侧和下方左侧的压电振子恢复至自然的平直状态并与复合膜完全脱离；随转轴的继续转动，上方左侧和下方右侧压电振子变形量逐渐减小并与复合膜逐渐脱离，同时，上方右侧和下方左侧的压电振子的变形量逐渐增加并与复合膜逐渐贴合；转轴d转过180度时，上方左侧和下方右侧压电振子变形量为零并与复合膜完全脱离，同时，上方右侧和下方左侧的压电振子的变形量最大并与复合膜完全贴合；此后，转轴再进一步转动且转过360度时，上方左侧和下方右侧压电振子的基板再度被顶靠在托架上的复合膜上，上方右侧和下方左侧的压电振子再度恢复至自然的平直状态。

发电机上述工作过程中，压电振子的弯曲变形量及基板与摩擦层间的接触应力大小仅由复合膜弯曲半径及摆圈和拨片的结构参数决定，与其它工作参数无关，故工作中压电振子因弯曲变形产生的电压及压电振子与复合膜间摩擦产生的电压在各转速下都分别是恒定的。

本发明中，为避免压电片因应力过大而损毁，应确保R>R*，其中，R为复合膜的摩擦层的凸面的弯曲半径，R*为压电振子的许用弯曲半径，压电振子的许用弯曲半径是指使压电片应力达到许用应力时粘接面处的弯曲半径；基板和压电片厚度相等时

h为基板的厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和

分别为压电材料的机电耦合系数和许用应力，η为与胶层厚度有关的修正系数。

优势与特色：将压电发电与摩擦发电有机结合，结构及激励过程简单、无电磁干扰、无接触冲击和噪音，单位体积能量密度大、发供电电能力强；压电振子变形量及摩擦副接触力由激励器结构尺寸决定，各种不同的转速下输出电压恒定，可靠性高、有效频带宽、转速适应性强；摩擦发电端通过接触-分离结构发电，避免了滑移结构所造成的表面摩擦磨损。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2是图1中半轴转过180度时发电机的结构示意图；

图3是带有复合膜的托架、隔环及压电振子组装后的结构示意图；

图4是图3的A-A剖面图；

图5激励器与拨片组装后结构示意图。

具体实施方式

本发明所提出的复合发电机主要包括机壳a、轴承c、端盖b、转轴d、轴套n、装有拨片j的激励器f、托架m、复合膜h、压电振子i及电路板p。端盖b经螺钉安装在机壳a的壳筒a2端部，转轴d经挡片e和轴承c安装在端盖b和机壳a的壳底a1上，轴承c经挡片e和转轴d的轴肩定位，挡片e经螺钉安装在转轴d上无轴肩的一端。

激励器f的摆圈f2经滚动体f3套在定圈f1上，滚动体f3为滚珠或圆柱，定圈轴线x1与摆圈轴线x2在同一平面内的夹角Q称为轴倾角，激励器f宽度方向的对称中心面与摆圈轴线x2垂直，即定圈轴线x1与其侧面在同一剖切面内的所形成的锐角为90-Q度；摆圈f2的外缘上设有拨环f4，拨环f4、摆圈f2及滚动体f3在激励器f宽度方向上的对称中心面重合，拨环f4的两侧经螺钉安装有拨片j，拨片j为弹性金属片、橡胶片或塑料片；激励器f的定圈f1经两个轴套n安装在转轴d上，轴套n轴向两侧面间的夹角为轴倾角Q，轴套n位于轴承c的内圈和激励器f的定圈f1之间，轴套n经螺钉固定在转轴d上，轴套n及激励器f的定圈f1随转轴d转动。

两个托架m及隔环k经螺钉安装在壳筒a2的内侧凸台上，托架m由环板m1和护板m2构成，护板m2的弧形凸面m3上均布地设有复合膜h，复合膜h由摩擦层h1和电极层h1构成，电极层h1介于护板m2的弧形凸面m3与摩擦层h1之间，摩擦层h1的材料为聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。托架m的环板m1与隔环k之间压接有一个或一组压电振子i，压电振子i为由基板i2与其一侧所粘接的压电片i1构成的悬臂梁，基板i2靠近复合膜h的摩擦层h1安装，压电振子i均布安装且其数量与复合膜h的数量相等，压电振子i与其所正对安装的复合膜h构成一个摩擦副；拨环f4两侧的拨片j位于两个轴向相邻的压电振子i之间，为确保拨片j能将压电振子i压接在复合膜h的表面上且不产生机械冲击，需满足：r₂cosQ<r₁<r₃，其中r1为拨环f4的半径、r2为托架m的环板m1上设置复合膜h后的内缘半径、r3为拨片j外缘半径；电路板p经螺钉安装在壳底a1上。

本发明的复合发电机可与风力发电机、机床等旋转机械的主轴连接，用于收集旋转机械能发电，此时转轴d与旋转体的主轴轴线应重合；用于收集风及水流等流体能时，转轴d的另一端经螺钉安装有一组叶片，叶片的功能是将流体运动转换成旋转运动。

本发明的复合发电机中，定圈轴线x1、摆圈轴线x2及压电振子i宽带方向的对称中心处于同一平面内时：与托架m的环板m1距离较近的压电振子i的变形量最大，且所述压电振子i被拨片j推靠在复合膜h上，基板i2贴合在复合膜h的摩擦层h1表面；与托架m的环板m1距离较远的压电振子i不受与其相邻拨片j的作用，压电振子与其相邻的拨片j接触但无相互作用力，压电振子与其相邻的复合膜h脱离接触。

工作中，激励器f的定圈f1随转轴d转动时摆圈f2与定圈f1之间相对转动，同时摆圈f2及拨片j还绕摆圈f2的几何对称中心o轴向摆动；机壳a、托架m及压电振子i不随转轴d转动，故转轴d转动时摆圈f2及拨片j相对压电振子i、托架m及复合膜h作轴向往复径向摆动；以压电振子i宽度方向的对称面为铅垂面且经过转轴d的轴线的情况为例，发电机的激励与复位过程如下：①拨片j摆动并逐渐靠近与其相邻的托架m和复合膜h时，拨片j迫使与其相邻的压电振子i弯曲变形，且拨片j迫使压电振子i的基板i2贴合在复合膜h的摩擦层h1上，此时定圈轴线x1与摆圈轴线x2在铅垂面内的夹角为轴倾角Q、压电振子i的弯曲变形量最大，压电片i1长度方向上各点的应力相等且小于许用应力；②拨片j摆动并逐渐远离与其相邻的托架m和复合膜h时，被拨片j顶靠在托架m上的压电振子i在其自身弹性力的作用下逐渐复位并与其所贴合的复合膜h的表面逐渐脱离，待定圈轴线x1与摆圈轴线x2在铅垂面内的夹角为轴倾角Q时压电振子i恢复至平直状态且基板i2与摩擦层h1完全脱离。

上述摆圈f2往复摆动并经拨片j迫使压电振子i往复弯曲变形的过程中，存在两种机械能到电能的转换过程：压电振子i发生弯曲变形并将机械能转换成电能，此过程利用的是压电材料的正压电效应、称为压电发电；同时，基板i2与摩擦层h2接触分离过程中也将机械能转换成电能，此为过程摩擦发电，故本发明的发电机为摩擦发电与压电发电所构成的复合发电机。

摩擦发电的原理是：基板i2与摩擦层h1的接触会使其内表面带上符号相反的电荷，而当整两个表面逐渐分离并形成一定间隙或距离时便产生一定的电势差，此时如基板i2和复合膜h的电极层h2经负载连通便会产生电流；基板i2和复合膜h的摩擦层h1再度分离时由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会回流到原来的电极。

本发明中，压电振子i的基板i2与压电片i1之间构成压电发电端，压电振子i的基板i2与复合膜h之间构成摩擦发电端，压电发电端和摩擦发电端可独立输出，也可组合输出；独立输出时基板i2和压电片i1构成一对电极、基板i2和复合膜h的电极层h2构成一对电极；组合输出时，基板i2作为一个电极，复合膜h的电极层h2与压电片i1经导线并联后作为一个电极，组合输出时压电片i1和摩擦层h1产生的电荷属性相同，即均为正电荷或均为负电荷。压电发电与摩擦发电端产生的电能经导线与电路板p上的转换电路处理后输出或存储。

以铅垂面内安装的压电振子i为例，本发明发电机的工作过程如下：摆圈轴线x2、定圈轴线x1及压电振子i宽带方向的对称中心处于铅垂面内且摆圈轴线x2与定圈轴线x1间的夹角为轴倾角时，上方左侧和下方右侧压电振子i的基板i2被顶靠在托架m上的复合膜h上，压电振子i的弯曲变形量最大；同时，上方右侧和下方左侧的压电振子i恢复至自然的平直状态并与复合膜h完全脱离；随转轴d的继续转动，上方左侧和下方右侧压电振子i变形量逐渐减小并与复合膜h脱离，同时，上方右侧和下方左侧的压电振子i的变形量逐渐增加并与复合膜h逐渐贴合；转轴d转过180度时，上方左侧和下方右侧压电振子i变形量为零并与复合膜h完全脱离，同时，上方右侧和下方左侧的压电振子i的变形量最大并与复合膜h完全贴合；此后，转轴d再进一步转动且转过360度时，上方左侧和下方右侧压电振子i的基板i2再度被顶靠在托架m上的复合膜h上，上方右侧和下方左侧的压电振子i再度恢复至自然的平直状态。

发电机上述工作过程中，压电振子i的弯曲变形量及基板i2与摩擦层h1间的接触应力大小仅由复合膜h的弯曲半径及摆圈f和拨片j的结构参数决定，与其它工作参数无关，故工作中压电振子i因弯曲变形产生的电压及压电振子i与复合膜h间产生的电压在各转速下都分别是恒定的。

本发明中，应确保R>R*，其中，R为复合膜h的摩擦层h1的凸面的弯曲半径，R*为压电振子i的许用弯曲半径，压电振子i的许用弯曲半径R*是指使压电片i1应力达到许用应力时粘接面处的弯曲半径；基板i2和压电片i1厚度相等时

h为基板的厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板i2和压电片i1的杨氏模量，k₃₁和

分别为压电材料的机电耦合系数和许用应力，η为与胶层厚度有关的修正系数。

Claims (2)

1.一种旋转激励的摩擦-压电复合发电机，主要包括机壳、轴承、端盖、转轴、轴套、拨片、激励器、托架、复合膜、压电振子及电路板，其特征在于：端盖装在筒端部，转轴经轴承装在端盖和壳底上；激励器的摆圈套在定圈上，定圈轴线与摆圈轴线在同一平面内存在轴倾角，激励器宽度方向的对称中心面与摆圈轴线垂直，摆圈的外缘上设有拨环，拨环的两侧装有拨片；定圈经轴套安装在转轴上并随转轴转动；两个托架及隔环装在壳筒的内侧，托架由环板和护板构成，护板的弧形凸面上均布地设有复合膜，复合膜由摩擦层和电极层构成，电极层介于护板的弧形凸面与摩擦层之间；托架的环板与隔环之间压接有压电振子，压电振子为由基板与其一侧所粘接的压电片构成的悬臂梁，基板靠近复合膜的摩擦层安装，压电振子与其所正对安装的复合膜构成一个摩擦副；拨环两侧的拨片位于两个轴向相邻的压电振子之间；转轴转动时，拨片迫使压电振子往复弯曲变形并与复合膜间的反复接触与脱离；定圈轴线、摆圈轴线及压电振子宽带方向的对称中心处于同一平面内时，与托架的环板距离较近的压电振子的变形量最大、基板贴合在复合膜的摩擦层表面，与托架的环板距离较远的压电振子与其相邻的拨片接触但无相互作用力、压电振子与其相邻的复合膜脱离接触；基板与压电片之间构成压电发电端，基板与复合膜之间构成摩擦发电端。

2.根据权利要求1所述的一种旋转激励的摩擦-压电复合发电机，其特征在于：为确保拨片能将压电振子压接在复合膜的表面上且不产生机械冲击，需满足：r₂cosQ<r₁<r₃，其中：r₁为拨环的半径、r₂为托架的环板上设置复合膜后的内缘半径、r₃为拨片的外缘半径。

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