一种磁耦合非共振旋转压电发电机

摘要

本发明涉及一种磁耦合非共振旋转压电发电机，属发电技术领域。旋转轴装在底壳上，端部装有转盘，转盘端面上嵌有激励磁铁；壳体右侧装在底壳上，左侧装有端盖；壳体顶端设有螺纹孔，内侧设有凸台；调节螺栓经由螺纹孔从壳体内部伸出，外侧旋有锁紧螺母；调节螺栓底部的圆凸台伸入加载块的豁口中；铁磁性基板两端分别装在加载块和凸台上，中部通过导向块约束其横向位移，并由此分为上压电振子与下压电振子；导向块装在端盖上；上、下压电振子由铁磁性基板与压电晶片粘结而成，压电晶片位于铁磁性基板左侧；当调节螺栓调整至上极限位置时，上、下压电振子处于其弹性变形之内，于下极限位置时，上、下压电振子工作在其最大许用压应力范围内。

说明书

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种磁耦合非共振旋转压电发电机。

背景技术

随着微功率无线传感器和分布式传感技术在健康监测、航天航空与程序控制系统等领域中的普及，作为其主要供能方式的化学电池所带来的环境污染问题变得不容忽视。为此，回收自然环境中振动能、人体运动能、旋转动能和流体能等能量的微小型发电机在国内外广受青睐。旋转式压电发电机是回收旋转体动能的重要方法之一，其实现能量回收的主要方式大致有惯性激励、拨动激励、冲击激励以及旋磁激励，其中旋磁激励由于无冲击、低噪声、安全性相对较高，而在近年来倍受关注。旋磁激励虽很大程度上解决了冲击与噪声的问题，但依然无法避免不同工作环境下激励频率与发电机固有频率不匹配导致的发电效率低下的问题。为了便于适应不同激励频率下的工作环境，可调频概念被提出，如中国专利201210592977.8、201310211521.7分别通过电控方式与引入非线性力进行调频，但前者的调频能力低下，而后者由于磁力的非线性作用，故不易精确控制；此外，两者都采用了悬臂梁式压电振子作为发电单元，故工作过程中容易损毁，安全性较差。

发明内容

针对现有旋转式压电发电机所存在的问题，本发明提出一种磁耦合非共振旋转压电发电机，本发明采用的实施方案是：旋转轴经轴承安装在底壳上，端部安装有转盘，转盘的端面上均布地镶嵌有激励磁铁；壳体的右侧法兰端经螺钉安装在底壳上，左侧经螺钉安装有端盖；壳体的顶端设有螺纹孔，内侧设有凸台；调节螺栓经由螺纹孔从壳体的内部伸出，外侧旋有锁紧螺母；调节螺栓的底部设有圆凸台，圆凸台伸入加载块的豁口中；铁磁性基板的两端分别经螺钉和压块安装在加载块和凸台上，中部通过带豁口的导向块约束其横向位移，并由此分为上压电振子与下压电振子；导向块经螺钉安装在端盖上；上压电振子与下压电振子由铁磁性基板与压电晶片粘结而成，压电晶片位于铁磁性基板的左侧，铁磁性基板的材料为镍合金；当调节螺栓调整至上极限位置时，上压电振子与下压电振子处于其弹性变形之内，于下极限位置时，上压电振子与下压电振子工作在其最大许用压应力之内。

工作时，旋转轴带动转盘转动，激励磁铁也随之转动；由于铁磁性基板是铁磁性材料，能够被磁化且与激励磁铁间产生相互吸引力，现以上压电振子为例描述其发电过程：当激励磁铁靠近铁磁性基板时，两者间的相互作用力增大从而使上压电振子沿旋转轴的轴线方向弯曲变形，当激励磁铁远离铁磁性基板时，由于铁磁性基板的弹性恢复力，上压电振子逐渐恢复变形。激励磁铁与铁磁性基板间作用力的交替变化即构成了上压电振子与下压电振子的往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

本发明中，发电机的固有频率即上下压电振子的固有频率可根据不同工作环境需求加以调整，以便获得更高的发电效率，方法为：松开锁紧螺母，旋转调节螺栓至理想位置并重新锁紧；调节螺栓的位置变动将以端部拉力或端部压力的方式作用至上下压电振子，从而使其内部张力、弯曲刚度及固有频率发生变化，此时发电机的固有频率为：

其中，F为作用在上压电振子与下压电振子上的端部力，下标s/c分别表示拉力与压力；E为杨氏模量；I为惯性矩；l为长度；m_e为等效质量。端部力作用下发电机的固有频率与其自然状态下的固有频率的比值α与F的关系如图5所示。

优势与特色：①发电机固有频率可根据旋转体的转速与驱动能力及其它参数值进行调整，激励频率低于发电机固有频率时无谐振峰，故可有效增加频带宽度、发电量及可靠性；②无需更改发电机结构及其它系统参数即可实现各压电振子的同步调节，调频方法便捷、有效；③压电振子采用铁磁性材料基板，无需另外安装磁铁，激励更加便捷，质量小、进一步提升了谐振频率。

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的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中加载块的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明中发电机的固有频率调节能力与端部力的关系图；

图6为本发明中发电机在不同激励距离时的电压-转速特性曲线。

具体实施方式

旋转轴a经轴承安装在底壳b上，端部安装有转盘c，转盘c的端面上均布地镶嵌有激励磁铁d；壳体e的右侧法兰端经螺钉安装在底壳b上，左侧经螺钉安装有端盖m；壳体e的顶端设有螺纹孔，内侧设有凸台e1；调节螺栓f经由螺纹孔从壳体e的内部伸出，外侧旋有锁紧螺母g；调节螺栓f的底部设有圆凸台f1，圆凸台f1伸入加载块h的豁口中；铁磁性基板k1的两端分别经螺钉和压块安装在加载块h和凸台e1上，中部通过带豁口的导向块j约束其横向位移，并由此分为上压电振子kf与下压电振子ks；导向块j经螺钉安装在端盖m上；上压电振子kf与下压电振子ks由铁磁性基板k1与压电晶片k2粘结而成，压电晶片k2位于铁磁性基板k1的左侧，铁磁性基板k1的材料为镍合金；当调节螺栓f调整至上极限位置时，上压电振子kf与下压电振子ks处于其弹性变形之内，于下极限位置时，上压电振子kf与下压电振子ks工作在其最大许用压应力之内。

工作时，旋转轴a带动转盘c转动，激励磁铁d也随之转动；由于铁磁性基板k1是铁磁性材料，能够被磁化且与激励磁铁d间产生相互吸引力，现以上压电振子kf为例描述其发电过程：当激励磁铁d靠近铁磁性基板k1时，两者间的相互作用力增大从而使上压电振子kf沿旋转轴a的轴线方向弯曲变形，当激励磁铁d远离铁磁性基板k1时，由于铁磁性基板k1的弹性恢复力，上压电振子kf逐渐恢复变形。激励磁铁d与铁磁性基板k1间作用力的交替变化即构成了上压电振子kf与下压电振子ks的往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

本发明中，发电机的固有频率即上压电振子kf与下压电振子ks的固有频率可根据不同工作环境需求加以调整，以便获得更高的发电效率，方法为：松开锁紧螺母g，旋转调节螺栓f至理想位置并重新锁紧。调节螺栓f的位置变动将以端部拉力或端部压力的方式作用至上压电振子kf与下压电振子ks，从而使其内部张力、弯曲刚度及固有频率发生变化，此时发电机的固有频率为：

其中，F为作用在上压电振子kf与下压电振子ks上的端部力，下标s/c分别表示拉力与压力；E为杨氏模量；I为惯性矩；l为长度；m_e为等效质量。端部力作用下发电机的固有频率与其自然状态下的固有频率的比值α与F的关系如图5所示。

与采用磁铁耦合激励的旋转发电机不同，本发明中上压电振子kf与下压电振子ks上无需加装磁铁故自身的谐振频率就很高，在上压电振子kf与下压电振子ks不被拉伸的情况下即可获得较宽的频带、即在较大的转速范围内不至出现谐振峰，如图6所示，图6中l是激励磁铁d到上压电振子kf与下压电振子ks的距离。