[发明专利]基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机

说明书

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机，用于无固定支撑旋转体的健康监测系统供电。

背景技术

为满足直升机螺旋桨/汽车轮胎/航空发动机/高速列车/油气钻主轴等旋转体及其轴承组件的健康监测系统供电需求，国内外学者已经提出了多种形式的旋转式压电及电磁式微小型发电机。相对而言，旋转式电磁发电机已很成熟、且已被广泛应用，但因其在发电过程中会产生电磁干扰而不适于为无线传感监测系统供电，此外，电磁式发电机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、悬臂主轴等无固定支撑的场合。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，早期的旋转式压电发电机主要包括3大类：(i)惯性激励式，利用压电振子转动过程中受力方向的变化使其弯曲变形，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；(ii)拨动式，利用旋转机构拨动压电振子，需二者作相对转动，不适于汽车轮胎等无固定支撑的场合、且高速时冲击/噪音较大；(iii)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、且存在较大冲击/噪音和可能的撞击损毁。显然，上述沿旋转体旋转方向激励，即周向激励压电振子发电的方法已成为制约其实际应用的技术瓶颈，不适于高速、匀速、及使用空间/结构受限的场合。因此，人们又提出了基于磁力耦合激励的新型旋转式压电发电机，如中国专利201210319215.0、201210320165.8、201210318782.4、201210318930.2等，具有无冲击与噪音、转速适应能力强等优点，但这些发电机工作时必须通过轴承座或轴承盖等“固定件”与轴类“旋转体”间的相对转动实现压电振子的有效激励，故无法用于“无固定支撑”的旋转体发电需求，如旋转风力发电机的叶片、汽车轮胎、以及各类外伸的悬臂旋转轴等；同时，上述旋转式压电发电机仅在“固定件”或“旋转体”上安装压电振子，未能充分利用发电机的轴向空间，发电机的体积能量密度低。

此外，现有悬臂梁式旋转压电发电机采用的压电振子是等宽度的、且其固定端直径小于安装有磁铁的自由端的直径，弊端在于：压电振子弯曲变形时根部应力大，易造成压电振子损毁；发电机半径方向尺度一定时，压电振子的面积小、总体发电能力弱；最关键的是，高转速时磁铁离心力会使压电振子的轴向振动位移减小、甚至无振动，故发电效率低。

发明内容

本发明提供一种基于压电悬臂梁互激的悬垂式旋转发电机，针对螺旋桨/汽车车轮/悬臂轴等无固定支撑或支撑点离轴端较远旋转体的健康监测系统供电需求，以解决现有旋转式压电发电机所存在的发电效率低的问题。

本发明采取的技术方案是：左端盖和右端盖分别通过螺钉安装在壳体的两端，所述壳体外部下侧通过螺钉安装有配重块；所述左端盖、右端盖、壳体以及安装于壳体上的配重块共同构成定子；所述左右端盖内侧壁上均镶嵌有轴承，所述左右端盖与壳体之间均压接有金属基板一；所述金属基板一与其侧面粘接的压电晶片一构成扇形压电振子一，所述压电振子一的自由端通过螺钉安装有磁铁一；转子的转轴通过轴承安装在左右端盖上，所述转轴的一端通过螺母安装有连接盘，转轴上设有辐板和轮缘；所述轮缘的左右两侧通过螺钉固定有金属基板二，所述金属基板二与其表面粘接的压电晶片二构成扇形压电振子二，所述压电振子二的自由端通过螺钉安装有磁铁二；所述轴向相邻的磁铁一与磁铁二之间、以及两个磁铁二之间的同性磁极靠近安装，所述磁铁一的磁矩m₁和磁铁二的磁矩m₂之间的关系为m₁>m₂(l/L)⁴，其中l和L分别为磁铁一和磁铁二之间、以及两个磁铁二之间的相邻磁极间的初始轴向距离；电刷的内圈和外圈分别通过螺钉固定在转轴和右端盖上，压电振子一和压电振子二分别通过导线组一和导线组二与电刷的外圈及内圈相连，电刷的内圈通过导线组三与置于连接盘上的接线柱相连，所述导线组三通过转轴上的导线槽穿出。