[发明专利]基于悬臂梁压电振子轴向弯曲振动的轴式发电机

说明书

技术领域

本发明属于压电发电及自供电应用技术领域，具体涉及一种基于悬臂梁压电振子轴向弯曲振动的轴式发电机。

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系统，尤其不适于汽车轮胎压力监测系统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悬臂梁压电振子轴向弯曲振动的轴式发电机，针对各类旋转构件健康监测系统自供电的需求现状、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：机架的侧壁上镶嵌有轴承和第一定磁铁，机架的箱体端部通过螺钉安装有磁铁架，所述磁铁架上镶嵌有第二定磁铁；旋转轴的一端通过轴承安装在所述机架上，所述旋转轴的轴肩上通过螺钉安装有悬臂梁压电振子、挡圈和监测系统；所述压电振子和监测系统通过导线组连接；所述悬臂梁压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；第一动磁铁和第二动磁铁通过螺钉固定在所述悬臂梁压电振子自由端的两侧；所述第一动磁铁、第二动磁铁的异性磁极相对安装，所述第一动磁铁与位于机架侧壁上的第一定磁铁的同性磁极相对安装，所述第二动磁铁与位于磁铁架上的第二定磁铁的同性磁极相对安装；所述第一定磁铁、第二定磁铁的数量相等，所述第一定磁铁和第二定磁铁与所述第一动磁铁和第二动磁铁的几何中心至旋转轴中心的距离相等；所述第一定磁铁、第二定磁铁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=2-20为所述各定磁铁的数量之和。

在本发明中，位于机架侧壁上的第一动磁铁和位于磁铁架上的第二动磁铁作用是对随旋转轴转动的第一、第二动磁铁产生交替的推力，从而是悬臂梁压电振子产生沿旋转轴轴向的弯曲振动、并将机械能转换成电能；悬臂梁压电振子固定旋转轴上且随其转动，便于将其生成的电能提供给随旋转轴一同旋转的传感监测系统。