專利名稱：雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于壓電發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)，用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測系統(tǒng)供電。
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(jī)的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外持續(xù)多年的熱點(diǎn)。針對發(fā)電機(jī)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(jī)，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(jī)最初是為解決直升機(jī)螺旋槳、汽車輪胎壓力、航空發(fā)動機(jī)/高速列車/油氣鉆主軸等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的自供電傳感監(jiān)測而提出的。就發(fā)電/供電能力而言，旋轉(zhuǎn)式電磁發(fā)電機(jī)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(yùn)動、且動/定子尺寸相當(dāng)，故結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，無法或不便用于某些需要將發(fā)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)體相集成的微小及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。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(rèn)為是構(gòu)造微小型旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的有效方法。根據(jù)激勵方式的不同，現(xiàn)有隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)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，利用固定的撥齒撥動旋轉(zhuǎn)的壓電振子使其沿旋轉(zhuǎn)方向彎曲變形，該方法在高速時易產(chǎn)生較大的沖擊和噪音較大，且易使壓電振子因變性過大而損壞撞擊式，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3類隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)的共同特點(diǎn)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，過大變形會導(dǎo)致壓電振子碎裂，故可靠性低；②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(jī)并不適于直升機(jī)螺旋槳、航空發(fā)動機(jī)/高速列車/油氣鉆主軸等高轉(zhuǎn)速、勻速或使用空間/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)動的新型轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)依然是很多領(lǐng)域所急需的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)，為滿足旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的實(shí)時的、充足的電能需求，發(fā)電機(jī)須具備以下特性①隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，②具有足夠的發(fā)電能力，③勻速及高速時均可發(fā)電、且具有較高的可靠性。本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是兩個軸承座一和軸承座二之間用螺釘固定連接圓筒，在所述圓筒內(nèi)壁的不同橫截面上交替地鑲嵌多組定磁鐵一和定磁鐵二，所述定磁鐵一和定磁鐵二的磁極沿所述圓筒的徑向安裝、且磁極方向相反；在所述的軸承座一和軸承座二上均分別鑲嵌有軸承和磁環(huán)，且所述軸承座一和軸承座二上的磁環(huán)指向圓筒內(nèi)的磁極極性和與其相鄰的動磁鐵一或動磁鐵二指向圓筒內(nèi)的磁極極性相同；主軸通過所述的兩個軸承安裝在所述的兩個軸承座和上，在所述主軸的花鍵上套有壓電換能器，所述每組壓電換能器由一對階梯擋圈、一對短擋圈和各長擋圈壓接在所述的兩個軸承之間；所述每一組壓電換能器由金屬基板上的懸臂梁和壓電晶片粘接而成，在所述壓電換能器的金屬基板的中心處設(shè)有花鍵孔；一對動磁鐵一和動磁鐵二異性磁極相對地通過螺釘安裝在所述壓電換能器的自由端，所述同一組壓電換能器上的動磁鐵一和動磁鐵二磁極的軸向配置方向相同、相鄰兩組壓電換能器上的動磁鐵一和動磁鐵二磁極的 軸向配置方向相反；與磁環(huán)相鄰的動磁鐵一或動磁鐵二的磁極的極性和所述磁環(huán)上指向圓筒內(nèi)側(cè)的磁極極性相同。本實(shí)用新型的雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)可用于運(yùn)動中的旋轉(zhuǎn)主軸或固定安裝的旋轉(zhuǎn)主軸。例如，飛機(jī)及輪船螺旋槳等的主軸在繞其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動的同時，還隨飛機(jī)或輪船運(yùn)動，當(dāng)飛機(jī)及輪船加速或減速運(yùn)動時，壓電換能器在其自身及動磁鐵慣性力的作用下也會產(chǎn)生沿主軸軸線方向的彎曲變形；對于固定的機(jī)床等的主軸，在運(yùn)輸及裝配的過程中也存在使壓電換能器產(chǎn)生較大變形的可能。因此，本實(shí)用新型在軸承座上鑲嵌磁環(huán)，同時還使兩組相鄰的壓電換能器上的動磁鐵之間的同性磁極相對安裝，從而使磁環(huán)和與其相鄰的動磁鐵之間、以及兩組相鄰的壓電換能器上的動磁鐵之間產(chǎn)生排斥力，避免壓電換能器因變形量過大而損壞。在本實(shí)用新型中，位于軸承座上的磁環(huán)及位于圓筒上的定磁鐵一和定磁鐵二相對主軸的旋轉(zhuǎn)中心固定，而壓電換能器以及置于壓電換能器自由端的動磁鐵隨主軸旋轉(zhuǎn)。位于軸承座上的磁環(huán)的作用是給與之靠近的壓電換能器施加排斥力，且此排斥力通過兩組相鄰壓電換能器上的動磁鐵同性磁極的排斥作用沿軸向傳遞，從而避免壓電換能器產(chǎn)生過大的軸向變形；位于圓筒上的動磁鐵一和動磁鐵二作用是對旋轉(zhuǎn)的動磁鐵施加交替的推力，從而使壓電換能器沿主軸的軸向彎曲振動，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；因壓電換能器固定在主軸上且隨其轉(zhuǎn)動，便于將所生成的電能直接供給隨主軸旋轉(zhuǎn)的傳感監(jiān)測系統(tǒng)。本實(shí)用新型的特色在于采用雙向磁力耦合作用同時完成壓電換能器的軸向激勵和變形量控制，可靠性高；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(qiáng)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(qiáng)，在各種轉(zhuǎn)動狀態(tài)下都有較強(qiáng)的發(fā)電能力。本實(shí)用新型優(yōu)勢在于①壓電換能器隨主軸轉(zhuǎn)動、并通過雙向磁力耦合作用實(shí)現(xiàn)非接觸軸向激勵和變形保護(hù)，無接觸沖擊與噪音、可靠性高、且便于將電能提供給隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的監(jiān)測系統(tǒng)壓電換能器沿主軸軸向彎曲變形，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是本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理簡圖；圖2是圖I的A-A視圖；圖3是本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；[0014]圖4是圖3的B-B剖面圖；圖5是圖I的I部放大圖；圖6是圖I的II部放大具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型所提出的雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)可用于各種類型旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，如直升機(jī)螺旋槳、航空發(fā)動機(jī)、高速列車、油氣鉆主軸等。針對不同的應(yīng)用場合，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)可能存在一定的區(qū)別，但不影響本實(shí)用新型的新穎性及創(chuàng)造性，現(xiàn)以螺旋槳主軸應(yīng)用為例，具體說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式兩個軸承座一 I和軸承座二 I’之間用螺釘固定連接圓筒2，在所述圓筒2內(nèi)壁的不同橫截面上交替地鑲嵌多組定磁鐵一 4和定磁鐵二 4’，所述定磁鐵一 4和定磁鐵二 4’的磁極沿所述圓筒2的徑向安裝、且磁極方向相反；在所述的軸承座一 I和軸承座二 I’上均 分別鑲嵌有軸承5和磁環(huán)12，且所述軸承座一 I和軸承座二 I’上的磁環(huán)12指向圓筒2內(nèi)的磁極極性和與其相鄰的動磁鐵一 4或動磁鐵二 4’指向圓筒2內(nèi)的磁極極性相同；主軸6通過所述的兩個軸承5安裝在所述的兩個軸承座I和I’上，在所述主軸6的花鍵601上套有壓電換能器7，所述每組壓電換能器7由一對階梯擋圈8、一對短擋圈9和各長擋圈10壓接在所述的兩個軸承5之間；所述每一組壓電換能器7由金屬基板701上的懸臂梁7011和壓電晶片702粘接而成，在所述壓電換能器7的金屬基板的中心處設(shè)有花鍵孔703 ;—對動磁鐵一 11和動磁鐵二 11’異性磁極相對地通過螺釘安裝在所述壓電換能器7的自由端，所述同一組壓電換能器7上的動磁鐵一 11和動磁鐵二 11’磁極的軸向配置方向相同、相鄰兩組壓電換能器7上的動磁鐵一 11和動磁鐵二 11’磁極的軸向配置方向相反；與磁環(huán)12相鄰的動磁鐵一 11或動磁鐵二 11’的磁極的極性和所述磁環(huán)12上指向圓筒2內(nèi)側(cè)的磁極極性相同。本實(shí)用新型的雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)可用于運(yùn)動中的旋轉(zhuǎn)主軸或固定安裝的旋轉(zhuǎn)主軸。例如，飛機(jī)及輪船螺旋槳等的主軸6在繞其回轉(zhuǎn)中心 轉(zhuǎn)動的同時，還隨飛機(jī)或輪船運(yùn)動，當(dāng)飛機(jī)及輪船加速或減速運(yùn)動時，壓電換能器7在其自身及動磁鐵一 11和動磁鐵二 11’慣性力的作用下也會產(chǎn)生沿主軸6軸線方向的彎曲變形；對于固定的機(jī)床等的主軸6，在運(yùn)輸及裝配的過程中也存在使壓電換能器7產(chǎn)生較大變形的可能。因此，本實(shí)用新型在軸承座一 I和軸承座二 I’上鑲嵌磁環(huán)12，同時還使兩組相鄰的壓電換能器7上的動磁鐵一 11和動磁鐵二 11’之間的同性磁極相對安裝，從而使磁環(huán)12和與其相鄰的動磁鐵一 11或動磁鐵二 11’之間、以及兩組相鄰的壓電換能器7上的動磁鐵
一11和動磁鐵二 11’之間產(chǎn)生排斥力，避免壓電換能器7因變形量過大而損壞。在本實(shí)用新型中，位于軸承座一 I和軸承座二 I’上的磁環(huán)12及位于圓筒2上的定磁鐵一 4和定磁鐵二 4’相對主軸6的旋轉(zhuǎn)中心固定,而壓電換能器7以及置于壓電換能器7自由端的動磁鐵一 11和動磁鐵二 11’隨主軸6旋轉(zhuǎn)。位于軸承座一 I和軸承座二 I’上的磁環(huán)12的作用是給與之靠近的壓電換能器7施加排斥力，且此排斥力通過兩組相鄰壓電換能器7上的動磁鐵一 11和動磁鐵二 11’同性磁極的排斥作用沿軸向傳遞，從而避免壓電換能器7產(chǎn)生過大的軸向變形；位于圓筒2上的動磁鐵一 4和動磁鐵二 4’作用是對旋轉(zhuǎn)的動磁鐵11或動磁鐵11’施加交替的推力，從而使壓電換能器7沿主軸6的軸向彎曲振動，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；因壓電換能器7固定在主軸6上且隨其轉(zhuǎn)動，便于將所生成的電能直接供給隨主軸6旋轉(zhuǎn)的傳感監(jiān)測系統(tǒng)。本實(shí)用新型中磁場力激勵壓電換能器軸向彎曲變形并限制其變形量的過程如下當(dāng)主軸6旋轉(zhuǎn)使動磁鐵一 11和動磁鐵二 11 ’轉(zhuǎn)至下方且與動磁鐵一 4靠近時，從左至右的第一、第三、第五壓電換能器7向右彎曲、第二、第四、第六壓電換能器7向左彎曲，因此相鄰的第一與第二、第三與第四、第五與第六壓電換能器7上的動磁鐵一 11與動磁鐵
二11’的N極相互靠近，產(chǎn)生逐漸增加的排斥力，從而抑制壓電換能器7因受定磁鐵一 4作用所產(chǎn)生的變形量；當(dāng)主軸6旋轉(zhuǎn)使動磁鐵一 11和動磁鐵二 11’轉(zhuǎn)至上方且與動磁鐵二 4’靠近時，從左至右的第一、第三、第五壓電環(huán)能7向左彎曲、第二、第四、第六壓電環(huán)能7向右彎曲，則相鄰的第二與第三、第四與第五壓電換能器7上的動磁鐵一 11與動磁鐵二 11’的S極相互靠近、第一及第六壓電振子上的動磁鐵一 11或動磁鐵二 11’的S極與與其相鄰磁環(huán)12的S極靠近，產(chǎn)生逐漸增加的排斥力，從而抑制壓電換能器7因受定磁鐵二 4’作用所 產(chǎn)生的變形量。在本實(shí)用新型的壓電發(fā)電機(jī)工作過程中，利用動磁鐵一 11及動磁鐵二 11’與定磁鐵一 4或動磁鐵二 4’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；同時，還利用相鄰兩個壓電換能器7上的動磁鐵一 11與動磁鐵二 11’之間的排斥力、以及與磁環(huán)12相鄰壓電換能器7上的動磁鐵一 11或動磁鐵二 11’與所述磁環(huán)12的同性磁極之間的排斥力限制壓電換能器的變形量，從而避免因變形量過大而損毀。
權(quán)利要求1. 一種雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于兩個軸承座一和軸承座二之間用螺釘固定連接圓筒，在所述圓筒內(nèi)壁的不同橫截面上交替地鑲嵌多組定磁鐵一和定磁鐵二，所述定磁鐵一和定磁鐵二的磁極沿所述圓筒的徑向安裝、且磁極方向相反；在所述的軸承座一和軸承座二上均分別鑲嵌有軸承和磁環(huán)，且所述軸承座一和軸承座二上的磁環(huán)指向圓筒內(nèi)的磁極極性和與其相鄰的動磁鐵一或動磁鐵二指向圓筒內(nèi)的磁極極性相同；主軸通過所述的兩個軸承安裝在所述的兩個軸承座和上，在所述主軸的花鍵上套有壓電換能器，所述每組壓電換能器由一對階梯擋圈、一對短擋圈和各長擋圈壓接在所述的兩個軸承之間；所述每一組壓電換能器由金屬基板上的懸臂梁和壓電晶片粘接而成，在所述壓電換能器的金屬基板的中心處設(shè)有花鍵孔；一對動磁鐵一和動磁鐵二異性磁極相對地通過螺釘安裝在所述壓電換能器的自由端，所述同一組壓電換能器上的動磁鐵一和動磁鐵二磁極的軸向配置方向相同、相鄰兩組壓電換能器上的動磁鐵一和動磁鐵二磁極的軸向配置方向相反；與磁環(huán)相鄰的動磁鐵一或動磁鐵二的磁極的極性和所述磁環(huán)上指向圓筒內(nèi)側(cè)的磁極極性相同。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種雙向磁力耦合軸向激勵并限位的轉(zhuǎn)軸式壓電發(fā)電機(jī)，屬于壓電發(fā)電領(lǐng)域。兩個軸承座之間用螺釘固定有圓筒，圓筒內(nèi)壁的不同橫截面上交替地鑲嵌多組定磁鐵一和定磁鐵二；兩個軸承座上均鑲嵌有軸承和磁環(huán)，主軸通過軸承安裝軸承座上，主軸的花鍵上套有多組壓電換能器；一對兒動磁鐵異性磁極相對地通過螺釘安裝在所述壓電換能器的自由端。優(yōu)點(diǎn)是無接觸沖擊與噪音、可靠性高、且便于將電能提供給隨旋轉(zhuǎn)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H02N2/18GK202721624SQ20122044246
公開日2013年2月6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)明者王淑云, 闞君武, 徐海龍, 蔡建成, 尹曉紅, 曾平 申請人:浙江師范大學(xué)