[实用新型]基于限位盘保护的悬臂梁式旋转压电发电机

说明书

技术领域

本实用新型属于压电发电及自供电应用技术领域，具体涉及一种基于限位盘保护的悬臂梁式旋转压电发电机。

背景技术

利用薄片型压电振子构造微小型旋转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旋转体的自供电传感监测(如直升机螺旋桨、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。显然，上述沿旋转体旋转方向激励(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，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

针对各类旋转构件健康监测系统自供电的需求现状、现有旋转压电发电机在可靠性以及转速适应能力等方面所存在的弊端，本实用新型提出一种使悬臂梁压电振子在限位盘保护下轴向弯曲振动并发电的旋转式压电发电机，简称基于限位盘保护的悬臂梁式旋转压电发电机。

本实用新型采用的实施方案是：机架的侧壁上镶嵌有轴承，所述机架侧壁安装有第一定磁铁；机架的箱体端部通过螺钉安装在端盖上，所述端盖上安装有第二定磁铁；旋转轴的一端通过轴承安装在所述机架上，所述旋转轴的花键上安装有限位盘、悬臂梁压电振子和挡圈，所述限位盘和旋转轴通过花键连接，所述悬臂梁压电振子和挡圈通过螺钉安装在所述旋转轴的花键上；所述悬臂梁压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；所述悬臂梁压电振子自由端一侧与限位盘侧壁上的限位凸起压接在一起；第一、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一侧，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端盖上的第二定磁铁的同性磁极相对安装；所述第一、第二定磁铁的数量相等。

在本实用新型中，第一定磁铁和第二定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，从而使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。

在旋转轴连续转动的情况下，安装在机架和端盖侧壁上的第一、第二定磁铁相对静止，而安装于所述压电振子上的第一动磁铁和第二动磁铁相对转动。当转动的第一动磁铁与第一定磁铁靠近时，两个同性的磁极之间产生排斥力，并使旋转轴上的压电振子沿旋转轴的轴线方向向右弯曲，同时旋转轴的限位盘上的凸起对悬臂梁压电振子接触支撑；同理，当转动的第二动磁铁与第二定磁铁靠近时，两个同性磁极间产生排斥力，并使旋转轴上的压电振子沿旋转轴的轴线方向向左弯曲，旋转轴的限位盘上的凸起对悬臂梁压电振子接触支撑。随着旋转轴的连续转动，两侧压电振子在排斥力的推动下即产生连续的轴向往复弯曲振动，并将机械能转换成电能。