CN113271034B - 一种非接触间接激励的两用发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触间接激励的两用发电机，属新能源领域。机壳上设有由内外腔构成的阶梯腔和带内轴孔的内轴套，激励盘由带激励磁铁的盘体和带外轴孔的外轴套构成；转轴装在旋转体上，内轴孔套在转轴上，外轴孔套在内轴套上；外腔底壁上装有换能器、腔环和耦合器，耦合器为磁耦合器或非磁耦合器，换能器为压电换能器、摩擦换能器或压电‑摩擦复合换能器；换能器、腔环及耦合器围成耦合腔；机壳和激励盘之一随转轴转动，另一个保持相对静止；机壳和激励盘相对转动时，激励磁铁经耦合器及耦合腔迫使换能器往复弯曲变形并将机械能转换成电能，电能经处理后存储起来或供给传感器，传感器实时地获得相关***参数后再经发射***发射出去。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种非接触间接激励的两用发电机，利用压电及摩擦原理回收旋转体动能或流体动能，为旋转体监测***及河流监测***等供电。
背景技术
根据资料，全球投入使用的物联网传感器及设备或已由2016年的1～2亿个增加到2020年的260亿个，物联网传感器及设备的信息获取与交换均需持续不断的能量供给，如电池供电则需经常更换、电缆供电则成本高、可移动性差、不便用于旋转机械及野外自然环境。因此，人们提出了功能各异的微小型旋转发电机，以期通过收集环境能实现真正意义上的自供电和免维护。实践表明，为构建自供电的机械结构健康及自然环境监测***，可采用压电旋转发电机回收旋转机械能和流体动能。旋转机械能包括机床、发动机、发电机、油气钻、车辆等的主轴、轴承、齿轮，风机及风力发电机等的叶轮和叶片动能，流体能包括长输油气、化工设备、自来水、煤气等管道流体能，航空器、船舶、高铁等引起的相对流、河流、风等的动能。现实环境中旋转体转速及流体速度高且变化范围较大，其中航空发动机转速近1万转/分，故要求发电机应具较强的环境适应性和可靠性，以确保较大速度范围内均能被有效激励、并安全可靠地运行。然而，现有压电发电机大多通过接触激励发电、高速时换能器易因冲击过大损坏，摩擦发电机通过滑移方式发电、易因摩擦副摩擦磨损失效，都严重地制约了自供电传感监测技术的推广应用。
发明内容
本发明提出一种非接触间接激励的两用发电机，本发明采用的实施方案是：主要由机壳、激励盘、转轴、激励磁铁、弹簧或惯性块、压环、腔环、换能器、电路板、传感器及耦合器构成，耦合器为磁耦合器或非磁耦合器；转轴安装在旋转体上，机壳套在转轴上，激励盘套在壳体上，激励磁铁装在激励盘上，传感器、电路板、换能器及耦合器装在壳体上，电路板上设有能量转换与控制电路及发射***，换能器及传感器经不同的导线组与电路板相连；壳体和激励盘之一随转轴转动，另一个通过加装惯性块、或经弹簧和绳索与基础连接保持相对静止，基础为地面、机床床身、变速箱壳体等固定物。
机壳上设有阶梯腔和带有内轴孔的内轴套，机壳为轴盘结构，阶梯腔和内轴套位于机壳的同侧；阶梯腔沿机壳的圆周方向上均布，阶梯腔由同轴的内腔和外腔构成，内腔直径小于外腔直径；内轴套和内轴孔同轴，各阶梯腔到内轴套的距离相等，即阶梯腔的圆心距内轴套轴线的距离相等；激励盘由盘体和带有外轴孔的外轴套构成，外轴孔和外轴套同轴，激励磁铁沿圆周方向均布地安装在盘体上；转轴由法兰和轴体构成，法兰与轴体垂直，法兰的外侧面设有沉腔。
转轴的法兰经螺钉安装在旋转体上，机壳的内轴孔套在转轴的轴体上并经挡片限位，机壳与转轴可相对转动；激励盘的外轴孔套在机壳的内轴套上，外轴孔与内轴套间设有密封圈，激励盘经内轴套的轴肩和转轴的法兰限位，即激励盘的外轴套位于内轴套的轴肩和转轴的法兰之间，激励盘与机壳相对转动，激励盘与机壳的侧壁间设有密封圈。
机壳的至少一个内腔底壁上安装有电路板、侧壁上装有传感器，外腔底壁上由内至外依次装有换能器、腔环和耦合器，压环经螺钉由外到内依次将耦合器、腔环和换能器压接在外腔的底壁上，耦合器为磁耦合器或非磁耦合器，换能器为压电换能器、摩擦换能器或压电-摩擦复合换能器；换能器和耦合器为可弯曲变形的圆形结构，换能器和耦合器的外缘固定，换能器、腔环及耦合器围成耦合腔；换能器、耦合器及耦合腔构成两自由度阻尼振动***，其***阻尼及固有频率可通过改变耦合腔高度及换能器和耦合器的刚度调节。
磁耦合器由弹性片及其所安装的受激磁铁构成，受激磁铁经螺钉或铆钉安装在弹性片上；非磁耦合器为单一的金属片、或由金属片和金属块构成，金属片和金属块为一体结构或经螺钉或铆钉安装的组装结构，非磁耦合器的材料为铁磁性材料，即非磁耦合器中金属片和金属块材料为铁磁性材料，如铁、镍、钴、锰等铁磁性材料或其合金，非磁耦合器接近激励磁铁时被磁化且与激励磁铁间产生吸引力。
换能器由基片与其一侧或两侧所设置的换能片构成，换能片为单个圆片或一组扇形片，换能片为单层、二层或三层结构；单层的换能片为压电片，二层的换能片为由电极片与压电片粘接而成的压电换能片或由电极片与外摩擦片粘接而成的摩擦换能片，三层的换能片为由电极片与其两侧所分别粘接的压电片和外摩擦片构成的压电-摩擦复合换能片；单层的换能片与基片粘接成一体，二层和三层的换能片经与基片压接安装，电极片与基片间不导通，换能片为二层和三层结构时基片两侧粘接有内摩擦片；二层和三层的换能片的固定端与基片的固定端经腔环压接，压电换能片的电极片与基片上的内摩擦片接触，摩擦换能片及压电-摩擦复合换能片的外摩擦片与基片上的内摩擦片接触。
压电片的材料为PZT类晶片或PVDF类薄膜，电极片和基片的材料为铜或铍青铜，外摩擦片为与基片或基片上所粘接的内摩擦片的摩擦电序列相隔较远的材料，如：内摩擦片材料为聚酰胺、基片材料为铜时，外摩擦片材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺。
仅含压电换能片的换能器为压电发电单元，仅含有摩擦换能片的换能器为摩擦发电单元，同时含有压电换能片和摩擦换能片的换能器为压电-摩擦复合发电单元，各换能器经不同的导线组与电路板相连。
机壳和激励盘之一与转轴连接并随转轴转动，即机壳和激励盘中有且只有一个与转轴连接，如机壳的内轴套或激励盘的外轴套之一经螺钉与转轴的法兰连接，机壳和激励盘中另一个未与转轴连接者需经螺钉安装有惯性块以保持相对静止、或弹簧和绳索固定在基础上；激励磁铁经耦合器及耦合腔激励换能器产生往复轴向弯曲变形并将机械能转换成电能；机壳与转轴连接所构成的是旋转发电机，适于构造自供电旋转体监测***；激励盘与转轴连接所构成的是旋转激励发电机，适于利用流体发电、构造自供电的流体与环境监测***，此时需在转轴端部安装叶片。
以机壳与转轴相互连接构成的含有非磁耦合器的旋转发电机为例，工作过程如下：
机壳随旋转体转动时，激励盘在弹簧弹力或惯性块的惯性力作用下保持相对静止、不随旋转体转动，机壳上的换能器及非磁耦合器与激励盘上的激励磁铁之间形成相对转动：非磁耦合器由远及近逐渐靠近激励磁铁时，非磁耦合器被激励磁铁磁化，非磁耦合器与激励磁铁间产生相互吸引力，非磁耦合器向激励盘的方向弯曲变形；非磁耦合器逐渐转动并远离激励磁铁时，非磁耦合器与激励磁铁间的吸引力逐渐减小，非磁耦合器在其自身弹性力的作用下逐渐复位；非磁耦合器与激励磁铁间交替的接近与分离迫使非磁耦合器产生往复的轴向弯曲变形，进而使耦合腔内的气体压力交替地增加和减小，气体压力变化迫使换能器产生往复的轴向弯曲变形：压电片弯曲变形、应力交替地增加和减小，压电发电单元发电；内摩擦片和外摩擦片往复地接触与分离，摩擦发电单元发电；各发电单元所生成的电能经电路板上的转换电路处理后存储起来或供给传感器，传感器实时地获得相关***参数后再经电路板上的发射***发射出去。
耦合器为磁耦合器时，工作过程与上述过程相近，差别在于：受激磁铁不存在被极化的过程，且受激磁铁与激励磁铁间的作用力可为吸引力、排斥力、或吸引-排斥交替的作用力。
本发明中，换能器工作中不受激励磁铁的直接作用、仅受耦合腔内的气体作用，故不会产生弯扭变形，换能器上各点的变形方向相同，可有效提高压电发电单元和摩擦发电单元的效率及可靠性。
为降低激励盘与耦合器间的切向作用力，各耦合器不同时与激励磁铁相互作用；为使耦合器工作在一阶模态下、提高耦合腔内气体的压缩效果，应避免耦合器同时与两个圆周方向相邻的激励磁铁相互作用；合理的***参数关系为：Nm<Np，Nm≤π/[arcsin(rm/R)+arcsin(rp/R)]，其中，Nm和Np分别为激励盘上均布的激励磁铁的数量和机壳上均布的耦合器的数量，rm和rp分别为激励磁铁半径和耦合器半径，R为激励磁铁和耦合器的回转半径。
本发明中，为提升有效带宽，耦合器的固有频率应不低于激励频率，可通过弹性片和金属片的厚度设计获得所需的固有频率；对于磁耦合器和由金属片与金属块构成的非磁耦合器，合理的弹性片和金属片的厚度h为：
)，其中：M和ξ分别为耦合器的等效质量和等效阻尼比，n和Nm分别为转轴转速及激励磁铁数量，rp为耦合器的半径，η为与半径比有关的系数，半径比是指受激磁铁或金属块的半径r与耦合器半径rp之比；对于铍青铜材料的弹性片和金属片，r/rp＝0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8时η＝1.8864、3.1694、5.8035、12.0063、30.107、107.3138。
优势与特色：耦合器非接触激励换能器，属两自由端***，***幅频特性易通过耦合器及耦合器参数获得，有效频带宽且范围可调；换能器自身无需安装磁铁，受激励时无扭曲变形，固有频率与可靠性高，可有效避免低频共振；两种发电原理有效结合，单位体积能量密度大、发电能力强。
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是本发明一个较佳实施例中机壳的结构示意图；
图3是图2的右视图；
图4是本发明一个较佳实施例中安装激励磁铁后的激励盘结构示意图；
图5是图4的左视图；
图6是本发明一个较佳实施例中转轴的结构示意图；
图7是换能片为圆形结构时换能器的结构示意图；
图8是换能片为扇形结构时换能器的结构示意图；
图9是图8的左视图。
具体实施方式
一种非接触间接激励的两用发电机，主要由机壳a、激励盘b、转轴c、挡片d、激励磁铁e、弹簧f或惯性块j、压环g、腔环h、换能器i、电路板p、传感器s及耦合器构成，耦合器为磁耦合器k或非磁耦合器m；转轴c安装在旋转体Z上，机壳a套在转轴c上，激励盘b套在机壳a上，激励磁铁e安装在激励盘b上，传感器s、电路板p、换能器i及耦合器安装在壳体a上，电路板p上设有能量转换与控制电路及发射***，换能器i及传感器s经不同的导线组与电路板p相连；壳体a和激励盘b之一随转轴c转动、另一个通过加装惯性块j保持相对静止、或经弹簧f和绳索与基础连接，基础为地面、机床床身、变速箱壳体等固定物。
机壳a上设有阶梯腔a1和带有内轴孔a3的内轴套a2，机壳a为轴盘结构，阶梯腔a1和内轴套a2位于机壳a的同一侧；阶梯腔a1沿机壳a的圆周方向上均布，阶梯腔a1由内腔a11和外腔a12构成，内腔a11和外腔a12同轴，内腔a11的直径小于外腔a12的直径；内轴套a2和内轴孔a3同轴，各阶梯腔a1距内轴套a2的距离相等，即阶梯腔a1的圆心距内轴套a2的轴线的距离相等；激励盘b由盘体b1和带有外轴孔b3的外轴套b2构成，外轴孔b3和外轴套b2同轴，激励磁铁e沿圆周方向均布地安装在盘体b1上；转轴c由法兰c1和轴体c2构成，法兰c1与轴体c2垂直，法兰c1的外侧面设有沉腔c3。
转轴c的法兰c1经螺钉安装在旋转体Z上，机壳a的内轴孔a3套在转轴c的轴体c2上并经挡片d限位，机壳a与转轴c可相对转动；激励盘b的外轴孔b3套在机壳a的内轴套a2上，外轴孔b3与内轴套a2之间设有密封圈x，激励盘b经内轴套a2的轴肩和转轴c的法兰c1限位，即激励盘b的外轴套b2位于内轴套a2的轴肩和转轴c的法兰c1之间，激励盘b与机壳a的侧壁间设有密封圈y，激励盘b与机壳a相对转动。
至少一个内腔a11的底壁上安装有电路板p、侧壁上装有传感器s；机壳a的外腔a12的底壁上由内至外依次装有换能器i、腔环h、耦合器、压环g，耦合器为磁耦合器k或非磁耦合器m，换能器i为压电换能器、摩擦换能器或压电-摩擦复合换能器；换能器i和耦合器为可弯曲变形的圆形结构，换能器i和耦合器的外缘固定，换能器i、腔环h及耦合器围成耦合腔C；换能器i、耦合器及耦合腔C构成两自由度阻尼振动***，其***阻尼及固有频率可通过改变耦合腔C的高度及换能器i和耦合器的刚度调节。
磁耦合器k由弹性片k1及其所安装的受激磁铁k2构成，受激磁铁k2经螺钉或铆钉安装在弹性片k1上；非磁耦合器m为单一的金属片m1、或由金属片m1和金属块m2构成，金属片m1和金属块m2为一体结构或经螺钉或铆钉安装的组装结构，非磁耦合器m的材料为铁磁性材料，即非磁耦合器m中金属片m1和金属块m2材料为铁磁性材料，如铁、镍、钴、锰等铁磁性材料或其合金，非磁耦合器m接近激励磁铁e时被磁化且与激励磁铁e间产生吸引力。
换能器i由基片i1与其一侧或两侧所设置的换能片i2构成，换能片i2为单个圆片或一组扇形片，换能片i2为单层、二层或三层结构；单层的换能片i2为压电片，二层的换能片i2为由电极片与压电片粘接而成的压电换能片或由电极片与外摩擦片粘接而成的摩擦换能片，三层的换能片i2为由电极片与其两侧所分别粘接的压电片和外摩擦片构成的压电-摩擦复合换能片；单层的换能片i2经与基片i1粘接成一体，二层和三层的换能片i2与基片i1压接安装，换能片i2为二层和三层结构时基片i1两侧粘接有内摩擦片；二层和三层的换能片i2与基片i1的固定端经腔环h压接在一起，电极片与基片i1间不导通，压电换能片的电极片与基片i1上的内摩擦片接触，摩擦换能片及压电-摩擦复合换能片的外摩擦片与基片i1上的内摩擦片接触。
压电片的材料为PZT类晶片或PVDF类薄膜，电极片和基片i1的材料为铜或铍青铜，外摩擦片为与基片i1或基片i1上所粘接的内摩擦片的摩擦电序列相隔较远的材料，如：内摩擦片的材料为聚酰胺、基片i1的材料为铜时，外摩擦片材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺。
仅含压电换能片的换能器i为压电发电单元，仅含有摩擦换能片的换能器i为摩擦发电单元，同时含有压电换能片和摩擦换能片的换能器i为压电-摩擦复合发电单元，各换能器经不同的导线组与电路板p相连。
机壳a和激励盘b之一与转轴c连接，即机壳a和激励盘b中有且只有一个与转轴c连接，如机壳a的内轴套a2或激励盘b的外轴套b2之一经螺钉与转轴c的法兰c1连接，机壳a和激励盘b中未与转轴c连接者需经螺钉安装有惯性块j以保持相对静止、或弹簧f和绳索固定在基础上；激励磁铁e经耦合器及耦合腔C迫使换能器i产生往复轴向弯曲变形并将机械能转换成电能；机壳a与转轴c连接所构成的是旋转发电机，适于构造自供电旋转体监测***；激励盘b与转轴c连接所构成的是旋转激励发电机，适于利用流体发电、构造自供电的流体与环境监测***，此时需在转轴c的端部安装叶片。
以机壳a与转轴c相互连接构成的含有非磁耦合器m的旋转发电机为例，工作过程如下：
机壳a随旋转体Z转动时，激励盘b在弹簧f的弹力或惯性块j的惯性力作用下保持相对静止、不随旋转体Z转动，机壳a上的换能器i及非磁耦合器m与激励盘b上的激励磁铁e之间形成相对转动：非磁耦合器m由远及近逐渐靠近激励磁铁e时，非磁耦合器m被激励磁铁e磁化，非磁耦合器m与激励磁铁e之间产生相互吸引力，非磁耦合器m向激励盘b的方向弯曲变形；非磁耦合器m逐渐转动并远离激励磁铁e时，非磁耦合器m与激励磁铁e间的吸引力逐渐减小，非磁耦合器m在其自身弹性力的作用下逐渐复位；非磁耦合器m与激励磁铁e之间交替的接近与分离迫使非磁耦合器m产生往复的轴向弯曲变形，进而使耦合腔C内的气体压力交替地增加和减小，气体压力变化迫使换能器i产生往复的轴向弯曲变形：压电片弯曲变形、应力交替地增加和减小，压电发电单元发电；内摩擦片和外摩擦片往复地接触与分离，摩擦发电单元发电；各发电单元所生成的电能经电路板p上的转换电路处理后存储起来或供给传感器s，传感器s实时地获得相关***参数后再经电路板p上的发射***发射出去。
耦合器为磁耦合器k时，工作过程与上述过程相近，差别在于：受激磁铁k2不存在被极化的过程，且受激磁铁k2与激励磁铁e间的作用力可为吸引力、排斥力、或吸引-排斥交替的作用力。
本发明中，换能器i工作中不受激励磁铁e的直接作用、仅受耦合腔C内的气体作用，故不会产生弯扭变形，换能器i上各点的变形方向相同，可有效提高压电发电单元和摩擦发电单元的效率及可靠性。
为降低激励盘b与耦合器间的切向作用力，各耦合器不同时与激励磁铁e相互作用；为使耦合器工作在一阶模态下、提高耦合腔C内气体的压缩效果，应避免耦合器同时与两个圆周方向相邻的激励磁铁e相互作用；合理的***参数关系为：Nm<Np，Nm≤π/[arcsin(rm/R)+arcsin(rp/R)]，其中，Nm和Np分别为激励盘b上均布的激励磁铁e的数量和机壳a上均布的耦合器的数量，rm和rp分别为激励磁铁e的半径和耦合器的半径，R为激励磁铁e和耦合器的回转半径。
本发明中，为提升有效带宽，耦合器的固有频率应不低于激励频率，可通过弹性片k1和金属片m1的厚度设计获得所需的固有频率；对于磁耦合器k和由金属片m1与金属块m2构成的非磁耦合器m，合理的弹性片k1和金属片m1的厚度为：
其中：M、ξ分别为耦合器的等效质量和等效阻尼比，n和Nm分别为转轴c的转速及激励磁铁e的数量，rp为耦合器的半径，η为与半径比有关的系数，半径比是指受激磁铁k2或金属块m2的半径r与耦合器的半径rp之比；对于铍青铜材料的弹性片k1和金属片m1，r/rp＝0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8时)＝1.8864、3.1694、5.8035、12.0063、30.107、107.3138。/>
Claims (2)
1.一种非接触间接激励的两用发电机，包括机壳、激励盘、转轴、激励磁铁、弹簧或惯性块、腔环、换能器、电路板、传感器及耦合器，电路板和传感器装在机壳上；其特征在于：机壳上设有由内腔和外腔构成的阶梯腔和带内轴孔的内轴套，激励盘由装有激励磁铁的盘体和带有外轴孔的外轴套构成；转轴的法兰装在旋转体上，内轴孔套在转轴的轴体上，外轴孔套在内轴套上；外腔底壁上中由内至外依次装有换能器、腔环和耦合器，耦合器为磁耦合器或非磁耦合器，磁耦合器由弹性片及其所安装的受激磁铁构成，非磁耦合器为单一金属片、或由金属片和金属块构成，非磁耦合器接近激励磁铁时被磁化且与激励磁铁间产生吸引力；换能器为压电换能器、摩擦换能器或压电-摩擦复合换能器；换能器和耦合器为可弯曲变形的圆形结构，换能器和耦合器的外缘固定，换能器、腔环及耦合器围成耦合腔；机壳和激励盘之一随转轴转动，另一个通过加装惯性块、或经弹簧和绳索与基础连接保持相对静止；机壳与转轴连接构成旋转发电机，激励盘与转轴连接构成旋转激励发电机；机壳和激励盘相对转动时，激励磁铁经耦合器及耦合腔激励换能器产生往复轴向弯曲变形并将机械能转换成电能，电能经处理后存储起来或供给传感器，传感器实时地获得相关***参数后再经发射***发射出去。
2.根据权利要求1所述的一种非接触间接激励的两用发电机，其特征在于：换能器由基片与换能片构成，换能片为单层的压电片、由电极片与压电片或外摩擦片粘接而成的二层结构、或由电极片与其两侧所分别粘接的压电片和外摩擦片构成的三层结构；单层的换能片与基片粘接成一体，二层和三层的换能片的固定端与基片的固定端压接。
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