專利名稱：基于懸臂梁壓電振子軸向彎曲振動的軸式發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電發(fā)電及自供電應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于懸臂梁壓電振子軸向彎曲振動的軸式發(fā)電機。
背景技術(shù)：
利用薄片型壓電振子構(gòu)造微小型壓電發(fā)電機的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外持續(xù)多年的熱點。針對發(fā)電機原動力來源及應(yīng)用目的的不同，目前國內(nèi)外均已提出了多種結(jié)構(gòu)形式的懸臂梁式壓電發(fā)電機，主要包括振動式和旋轉(zhuǎn)式兩大類型。其中，旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機最初是為解決直升機螺旋槳、汽車輪胎壓力、航空發(fā)動機、高速列車、油氣鉆主軸等旋轉(zhuǎn)體的自供電傳感監(jiān)測而提出的；此外，微型風力發(fā)電機的需求也是催生旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機的關(guān)鍵要素。就發(fā)電、供電能力而言，旋轉(zhuǎn)式電磁發(fā)電機已很成熟、且已被廣泛應(yīng)用，但因其需要動子與定子作相對運動、且動、定子尺寸相當，故結(jié)構(gòu)復雜、體積大，無法或不便用于某些需要將發(fā)電機與旋轉(zhuǎn)體相集成的微小及遠程控制系統(tǒng)，尤其不適于汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等無相 對運動的場合。與之相比，薄片型壓電振子因結(jié)構(gòu)簡單、體積小、且可與旋轉(zhuǎn)體集成，故被認為是構(gòu)造微小型旋轉(zhuǎn)發(fā)電機的有效方法。根據(jù)激勵方式的不同，現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機可分為3大類①慣性激勵式，利用壓電振子隨軸轉(zhuǎn)動過程中受力方向的變化使其沿旋轉(zhuǎn)方向彎曲變形，該方法結(jié)構(gòu)簡單，但僅適于低速，高速、尤其是勻高速轉(zhuǎn)動時因離心力過大而無法產(chǎn)生交替的雙向變形、且轉(zhuǎn)動狀態(tài)驟變將使壓電振子因受力/變形過大而損毀撥動式，利用帶有撥齒的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)撥動固定的壓電振子、或利用固定的撥齒撥動旋轉(zhuǎn)的壓電振子使其沿旋轉(zhuǎn)方向的變形，該方法需二者作相對轉(zhuǎn)動，不適于汽車輪胎、獨立的懸臂主軸等無固定支撐的場合、且高速時沖擊/噪音較大撞擊式，利用旋轉(zhuǎn)墜落的鋼球撞擊壓電振子，該方法也僅適用于轉(zhuǎn)速較低的場合，且存在較大的接觸沖擊與噪音、還可使壓電振子因接觸沖擊而損毀。上述已有的3類旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機的共同特點是壓電振子均沿旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)方向變形，其變形量和發(fā)電量完全取決于旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動狀態(tài)，由此所帶來的弊端在于①壓電振子變形量不可控，過大的變形會導致壓電振子碎裂，故可靠性低在高速、勻速、尤其是勻-高速時，壓電振子不會被有效激勵，環(huán)境適應(yīng)能力及頻帶寬度有限?？梢?，現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機并不適于直升機螺旋槳、汽車輪胎、航空發(fā)動機、高速列車、油氣鉆主軸等高轉(zhuǎn)速或使用空間、結(jié)構(gòu)受限的場合。因此，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、頻帶寬、無沖擊、噪音、且適用于勻速、高速、尤其是勻高速轉(zhuǎn)動的新型旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機依然是很多領(lǐng)域所急需的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于懸臂梁壓電振子軸向彎曲振動的軸式發(fā)電機，針對各類旋轉(zhuǎn)構(gòu)件健康監(jiān)測系統(tǒng)自供電的需求現(xiàn)狀、以解決現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機在可靠性及轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力等方面所存在的問題。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是機架的側(cè)壁上鑲嵌有軸承和第一定磁鐵，機架的箱體端部通過螺釘安裝有磁鐵架，所述磁鐵架上鑲嵌有第二定磁鐵；旋轉(zhuǎn)軸的一端通過軸承安裝在所述機架上，所述旋轉(zhuǎn)軸的軸肩上通過螺釘安裝有懸臂梁壓電振子、擋圈和監(jiān)測系統(tǒng)；所述壓電振子和監(jiān)測系統(tǒng)通過導線組連接；所述懸臂梁壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成；第一動磁鐵和第二動磁鐵通過螺釘固定在所述懸臂梁壓電振子自由端的兩側(cè)；所述第一動磁鐵、第二動磁鐵的異性磁極相對安裝，所述第一動磁鐵與位于機架側(cè)壁上的第一定磁鐵的同性磁極相對安裝，所述第二動磁鐵與位于磁鐵架上的第二定磁鐵的同性磁極相對安裝；所述第一定磁鐵、第二定磁鐵的數(shù)量相等，所述第一定磁鐵和第二定磁鐵與所述第一動磁鐵和第二動磁鐵的幾何中心至旋轉(zhuǎn)軸中心的距離相等；所述第一定磁鐵、第二定磁鐵幾何中心與旋轉(zhuǎn)軸中心的連線之間的夾角為Q=360°/n，其中n=2-20為所述各定磁鐵的數(shù)量之和。在本發(fā)明中，位于機架側(cè)壁上的第一動磁鐵和位于磁鐵架上的第二動磁鐵作用是對隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的第一、第二動磁鐵產(chǎn)生交替的推力，從而是懸臂梁壓電振子產(chǎn)生沿旋轉(zhuǎn) 軸軸向的彎曲振動、并將機械能轉(zhuǎn)換成電能；懸臂梁壓電振子固定旋轉(zhuǎn)軸上且隨其轉(zhuǎn)動，便于將其生成的電能提供給隨旋轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)的傳感監(jiān)測系統(tǒng)。在旋轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動的情況下，懸臂梁壓電振子以及安裝于所述壓電振子上的第一動磁鐵、第二動磁鐵隨旋轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，而安裝在機架側(cè)壁上的第一定磁鐵和安裝在磁鐵架上的第二定磁鐵相對靜止。當轉(zhuǎn)動的第一動磁鐵與位于機架側(cè)壁上的第一定磁鐵靠近時，兩個同性的磁極之間產(chǎn)生排斥力、并使壓電振子沿旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向向右彎曲；相反，當轉(zhuǎn)動的第二動磁鐵與位于磁鐵架上的第二定磁鐵靠近時時，兩個同性磁極間產(chǎn)生排斥力、并使使壓電振子沿旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向向左彎曲。隨著旋轉(zhuǎn)軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動，壓電振子在兩個相反方向磁力的推動下即產(chǎn)生連續(xù)的軸向往復彎曲振動，并將機械能轉(zhuǎn)換成電能。本發(fā)明的特色在于采用動磁鐵與定磁鐵之間同性磁極靠近時產(chǎn)生的排斥力激勵壓電振子軸向變形，動-定磁鐵間不會因相吸而接觸，從而提高壓電振子的可靠性；壓電振子的彎曲變形量及發(fā)電量主要由磁極間的磁場強度決定，旋轉(zhuǎn)軸增速、減速、及轉(zhuǎn)速高低等狀態(tài)變化對其無直接影響，因此對轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力強，在各種轉(zhuǎn)動狀態(tài)下都有較強的發(fā)電能力。本發(fā)明優(yōu)勢在于①壓電振子置于旋轉(zhuǎn)軸上，通過磁力耦合實現(xiàn)非接觸激勵，無接觸沖擊、噪音及接觸激勵可能造成的壓電振子損毀，且便于將電能提供給隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的監(jiān)測系統(tǒng)壓電振子沿旋轉(zhuǎn)軸的軸向彎曲變形，變形量及發(fā)電量不受旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動狀態(tài)影響，勻速及高速時均可發(fā)電。


圖I是本發(fā)明一個較佳實施例中發(fā)電機的結(jié)構(gòu)剖視簡圖；圖2是圖I的A-A視圖。
具體實施例方式機架I的側(cè)壁101上鑲嵌有軸承2和第一定磁鐵4，機架I的箱體102的端部通過螺釘安裝有磁鐵架8，所述磁鐵架8上鑲嵌有第二定磁鐵4’;旋轉(zhuǎn)軸3的一端301通過軸承2安裝在所述機架I上，所述旋轉(zhuǎn)軸3的軸肩302上通過螺釘安裝有懸臂梁壓電振子6、擋圈7和監(jiān)測系統(tǒng)9 ;所述壓電振子6和監(jiān)測系統(tǒng)9通過導線組10連接；所述懸臂梁壓電振子6由金屬基板601和壓電晶片602粘接而成；第一動磁鐵5和第二動磁鐵5’通過螺釘固定在所述懸臂梁壓電振子6的自由端的兩側(cè)；所述第一動磁鐵5和第二動磁鐵5’異性磁極相對安裝，所述第一動磁鐵5與位于機架I側(cè)壁101上的第一定磁鐵4的同性磁極相對安裝，所述第二動磁鐵5’與位于磁鐵架8上的第二定磁鐵4’的同性磁極相對安裝；所述第一定磁鐵4與第二定磁鐵4’的數(shù)量相等，所述第一定磁鐵4和第二定磁鐵4’與所述第一動磁鐵5和第二動磁鐵5’的幾何中心至旋轉(zhuǎn)軸中心的距離相等；所述第一定磁鐵、第二定磁鐵幾何中心與旋轉(zhuǎn)軸中心的連線之間的夾 角為Q=360°/n，其中n=2-20為所述各定磁鐵的數(shù)量之和。第一定磁鐵4和第二定磁鐵4’的幾何中心位于以旋轉(zhuǎn)軸3的軸心為圓心的同一圓周上、且二者的幾何中心與旋轉(zhuǎn)軸3中心的連線之間的夾角Q大于零。在本發(fā)明中，位于機架I側(cè)壁101上的第一動磁鐵4和位于磁鐵架8上的第二動磁鐵4’作用是對隨旋轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動的第一動磁鐵5和第二動磁鐵5’產(chǎn)生交替的推力，從而是懸臂梁壓電振子6產(chǎn)生沿旋轉(zhuǎn)軸3的軸向的彎曲振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換成電能；懸臂梁壓電振子6固定在旋轉(zhuǎn)軸3上且隨其轉(zhuǎn)動，便于將所生成的電能直接供給隨旋轉(zhuǎn)軸3 —同旋轉(zhuǎn)的傳感監(jiān)測系統(tǒng)9。當旋轉(zhuǎn)軸3連續(xù)轉(zhuǎn)動時，懸臂梁壓電振子6以及安裝于所述壓電振子6上的動磁鐵5和5’隨旋轉(zhuǎn)軸3 —起轉(zhuǎn)動，而安裝在機架I側(cè)壁101上的第一定磁鐵4和安裝在磁鐵架8上的第二定磁鐵4’相對靜止。當轉(zhuǎn)動的第一動磁鐵5與位于機架I側(cè)壁101上的第一定磁鐵4靠近時，兩個同性的S磁極之間產(chǎn)生排斥力、并使壓電振子6沿旋轉(zhuǎn)軸3的軸線方向向右彎曲變形；相反，當轉(zhuǎn)動的第二動磁鐵5’與位于磁鐵架8上的第二定磁鐵4’靠近時，兩個同性N磁極間產(chǎn)生排斥力、并使壓電振子6沿旋轉(zhuǎn)軸3的軸線向左彎曲。隨著旋轉(zhuǎn)軸3的連續(xù)轉(zhuǎn)動，壓電振子6在兩個相反方向磁力的推動下將產(chǎn)生連續(xù)的軸向往復彎曲振動，并將機械能轉(zhuǎn)換成電能。采用動磁鐵與定磁鐵之間同性磁極靠近時產(chǎn)生的排斥力激勵壓電振子軸向變形，動-定磁鐵間不會因相吸而接觸，壓電振子的彎曲變形量及發(fā)電量可通過動-定磁鐵間的磁場強度加以控制，從而避免因變形量過大而損毀，具有較高的可靠性及發(fā)電能力。
權(quán)利要求
1.一種基于懸臂梁壓電振子軸向彎曲振動的軸式發(fā)電機，其特征在于機架的側(cè)壁上鑲嵌有軸承和第一定磁鐵，機架的箱體端部通過螺釘安裝有磁鐵架，所述磁鐵架上鑲嵌有第二定磁鐵；旋轉(zhuǎn)軸的一端通過軸承安裝在所述機架上，所述旋轉(zhuǎn)軸的軸肩上通過螺釘安裝有懸臂梁壓電振子、擋圈和監(jiān)測系統(tǒng)；所述壓電振子和監(jiān)測系統(tǒng)通過導線組連接；所述懸臂梁壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成；第一動磁鐵和第二動磁鐵通過螺釘固定在所述懸臂梁壓電振子自由端的兩側(cè)；所述第一動磁鐵、第二動磁鐵的異性磁極相對安裝，所述第一動磁鐵與位于機架側(cè)壁上的第一定磁鐵的同性磁極相對安裝，所述第二動磁鐵與位于磁鐵架上的第二定磁鐵的同性磁極相對安裝；所述第一定磁鐵、第二定磁鐵的數(shù)量相等，所述第一定磁鐵和第二定磁鐵與所述第一動磁鐵和第二動磁鐵的幾何中心至旋轉(zhuǎn)軸中心的距離相等；所述第一定磁鐵、第二定磁鐵幾何中心與旋轉(zhuǎn)軸中心的連線之間的夾角為Q=360°/n,其中n=2-20為所述各定磁鐵的數(shù)量之和?！?br> 全文摘要
本發(fā)明涉一種基于懸臂梁壓電振子軸向彎曲振動的軸式發(fā)電機，屬于壓電發(fā)電領(lǐng)域。機架側(cè)壁上鑲有軸承和第一定磁鐵，機架箱體端部裝有磁鐵架，磁鐵架上鑲有第二定磁鐵；旋轉(zhuǎn)軸的一端通過軸承安裝在機架上，軸肩上裝有壓電振子和監(jiān)測系統(tǒng)，壓電振子自由端裝有第一、第二動磁鐵；所述動磁鐵的異性磁極相對安裝，所述動磁鐵與定磁鐵的同性磁極相對安裝；所述第一定磁鐵與第二定磁鐵的數(shù)量相等，所述定磁鐵與所述動磁鐵的幾何中心至旋轉(zhuǎn)軸中心的距離相等。優(yōu)點是無接觸沖擊、噪音及沖擊破壞，便于將電能提供給隨軸轉(zhuǎn)動的監(jiān)測系統(tǒng)，勻速及高速時均可發(fā)電。
文檔編號H02N2/18GK102832846SQ20121031930
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月1日
發(fā)明者闞君武, 王淑云, 凌榮華, 程光明, 馬繼杰, 陳宇航 申請人:浙江師范大學