專利名稱：基于磁力耦合軸向激勵的轉盤式壓電發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于壓電發(fā)電及自供電應用技術領域，具體涉及一種基于磁力耦合軸向激勵的轉盤式壓電發(fā)電機，用于機床傳動軸及軸承等旋轉類構件的健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)供電。
背景技術：
利用薄片型壓電振子構造微小型壓電發(fā)電機的研究已經成為國內外持續(xù)多年的熱點。針對發(fā)電機原動力來源及應用目的的不同，目前國內外均已提出了多種結構形式的懸臂梁式壓電發(fā)電機，主要包括振動式和旋轉式兩大類型。其中，旋轉式壓電發(fā)電機最初是為解決直升機螺旋槳及航空發(fā)動機、高速列車、油氣鉆、機床主軸等旋轉體的自供電傳感監(jiān)測而提出的；此外，微型風力發(fā)電機的需求也是催生旋轉式壓電發(fā)電機的關鍵要素。就發(fā)電、供電能力而言，旋轉式電磁發(fā)電機已很成熟、且已被廣泛應用，但因其需要動子與定子··作相對運動、且動/定子尺寸相當，故結構復雜、體積大，無法或不便用于某些需要將發(fā)電機與旋轉體相集成的微小及遠程控制系統(tǒng)，尤其不適于汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等無相對運動的場合。與之相比，薄片型壓電振子因結構簡單、體積小、且可與旋轉體集成，故被認為是構造微小型旋轉發(fā)電機的有效方法。根據激勵方式的不同，現(xiàn)有旋轉式壓電發(fā)電機可分為3大類①慣性激勵式，利用壓電振子隨軸轉動過程中受力方向的變化使其沿旋轉方向彎曲變形，該方法結構簡單，但僅適于低速，高速、尤其是勻高速轉動時因離心力過大而無法產生交替的雙向變形、且轉動狀態(tài)驟變將使壓電振子因受力、變形過大而損毀；②撥動式，利用帶有撥齒的旋轉機構撥動固定的壓電振子、或利用固定的撥齒撥動旋轉的壓電振子使其沿旋轉方向的變形，該方法需二者作相對轉動，不適于汽車輪胎、獨立的懸臂主軸等無固定支撐的場合、且高速時沖擊、噪音較大撞擊式，利用旋轉墜落的鋼球撞擊壓電振子，該方法也僅適用于轉速較低的場合，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。上述已有的3類旋轉式壓電發(fā)電機的共同特點是壓電振子均沿旋轉體的旋轉方向變形，其變形量和發(fā)電量完全取決于旋轉體的轉速及轉動狀態(tài)，由此所帶來的弊端在于①壓電振子變形量不可控，過大的變形會導致壓電振子碎裂，故可靠性低在高速、勻速、尤其是勻-高速時，壓電振子不會被有效激勵，環(huán)境適應能力及頻帶寬度有限?？梢?，現(xiàn)有旋轉式壓電發(fā)電機并不適于直升機螺旋槳、汽車輪胎、航空發(fā)動機、高速列車、油氣鉆主軸等高轉速或使用空間/結構受限的場合。因此，結構簡單、可靠性高、頻帶寬、無沖擊/噪音、且適用于勻速、高速、尤其是勻-高速轉動的新型旋轉式壓電發(fā)電機依然是很多領域所急需的。
發(fā)明內容本實用新型提供一種基于磁力耦合軸向激勵的轉盤式壓電發(fā)電機，針對機床傳動軸及軸承等各類旋轉構件健康監(jiān)測系統(tǒng)自供電的需求現(xiàn)狀，用以解決現(xiàn)有旋轉壓電發(fā)電機在可靠性及轉速適應能力等方面所存在的問題。本實用新型采取的技術方案是機床箱體側壁上鑲嵌有軸承和磁鐵一；旋轉軸的一端通過軸承安裝在所述的機床箱體側壁上，所述旋轉軸的軸肩的兩側通過螺釘分別安裝有轉盤和監(jiān)測系統(tǒng)；在所述轉盤上通過螺釘安裝有磁性金屬基板，所述磁性金屬基板與其表面所粘接的壓電晶片共同構成壓電振子，所述壓電振子和監(jiān)測系統(tǒng)通過導線組連接；磁鐵架的法蘭端通過螺釘安裝在所述的機床箱體側壁上、且將所述壓電振子罩在內部；在所述磁鐵架的底端的內側鑲嵌有磁鐵二 ；所述磁鐵一與磁鐵二的異性磁極與壓電振子靠近安裝；所述磁鐵一與磁鐵二的數(shù)量相等、且?guī)缀沃行闹列D軸中心的距離相等、且其幾何中心與旋轉軸中心的連線之間的夾角為Q=360°/n，其中η為磁鐵一和磁鐵二的數(shù)量之和。在本實用新型中，機床箱體側壁上的磁鐵一和磁鐵架底端內側的磁鐵的作用是 對隨旋轉軸轉動的壓電振子施加交變的磁場；用于構成壓電振子的磁性金屬基板在磁場可被極化，從而與所靠近的磁鐵一或磁鐵二之間產生吸引力，并帶動壓電晶片產生沿旋轉軸軸線方向的彎曲變形，進而將機械能轉換成電能。壓電振子固定在旋轉軸上、且隨其轉動，直接將所生成的電能直接供給隨旋轉軸一同旋轉的傳感監(jiān)測系統(tǒng)。當旋轉軸連續(xù)轉動時,壓電振子隨旋轉軸一起轉動,而機床箱體側壁上的磁鐵一及磁鐵架底端內側的磁鐵相對靜止。當轉動的壓電振子與所述磁鐵一的N極靠近時，所述壓電振子的磁性金屬基板上與所述磁鐵一相鄰的表面被極化成S極、另一表面被極化成N極；同理，當轉動的壓電振子與所述磁鐵二的S靠近時，所述壓電振子的磁性金屬基板上與所述磁鐵二相鄰的表面被極化成N極、另一表面被極化成S極。在旋轉的壓電振子與磁鐵一和磁鐵二交替靠近的過程中，其磁性金屬基板被極化后的磁極方向并不改變，即磁化后形成的S極始終與磁鐵一的N極相對、磁化后形成的N極始終與磁鐵二的S極相對。因此，當壓電振子與磁鐵一靠近時，兩個異性磁極相吸，使壓電振子產生沿旋轉軸軸線方向向左的彎曲變形；當壓電振子與磁鐵二靠近時，兩個異性磁極相吸，使壓電振子產生沿旋轉軸軸線方向向右的彎曲變形。隨著旋轉軸的連續(xù)轉動，壓電振子在兩個相反方向的磁力吸引下將產生連續(xù)的軸向往復彎曲振動,并將機械能轉換成電能。本實用新型的特色在于利用薄片型磁性金屬基板壓電振子在磁場中被磁化后所產生的吸引力激勵壓電振子軸向彎曲變形，壓電振子上無需額外配置磁鐵，發(fā)電元件軸向尺寸短、結構簡單、可靠性高；壓電振子的彎曲變形量及發(fā)電量主要由磁鐵的磁場強度決定，旋轉軸增速、減速、及轉速高低等狀態(tài)變化對其無直接影響，因此對轉速適應能力強，在各種轉動狀態(tài)下都有較強的發(fā)電能力。本實用新型優(yōu)勢在于①壓電振子置于旋轉軸上，通過磁力耦合實現(xiàn)非接觸激勵，無接觸沖擊、噪音及接觸激勵可能造成的壓電振子損毀，且便于將電能提供給隨旋轉軸轉動的監(jiān)測系統(tǒng)壓電振子沿旋轉軸的軸向彎曲變形，變形量及發(fā)電量不受旋轉軸轉動狀態(tài)影響，勻速及高速時均可發(fā)電。

圖I是本實用新型一個較佳實施例中發(fā)電機的結構剖視簡圖；圖2是圖I的A-A視圖；圖3是圖I的I部放大圖[0014]圖4是本實用新型壓電振子的結構示意圖；圖5是圖4的B-B剖面圖。
具體實施方式
機床箱體側壁I上鑲嵌有軸承2和磁鐵一 4 ;旋轉軸3的一端301通過軸承2安裝在所述的機床箱體側壁I上，所述旋轉軸3的軸肩302的兩側通過螺釘分別安裝有轉盤5和監(jiān)測系統(tǒng)7 ;在所述轉盤5上通過螺釘安裝有磁性金屬基板601，所述磁性金屬基板601與其表面所粘接的壓電晶片602共同構成壓電振子6，所述壓電振子6和監(jiān)測系統(tǒng)7通過導線組9連接；磁鐵架8的法蘭端801通過螺釘安裝在所述機床箱體側壁I上、且將所述壓電振子6罩在內部；在所述磁鐵架8的底端802的內側鑲嵌有磁鐵二 4’ ；所述磁鐵一 4與磁鐵二 4’的異性磁極與壓電振子6靠近安裝；所述磁鐵一 4與磁鐵二 4’的數(shù)量相等、且?guī)缀沃行闹列D軸3的中心的距離相等、且其幾何中心與旋轉軸3的中心的連線之間的夾角為Q=360°/n,其中η為磁鐵一 4和磁鐵二 4’的數(shù)量之和。 在本實用新型中，機床箱體側壁I上的磁鐵一 4和磁鐵架8的底端802內側的磁鐵4’的作用是對隨旋轉軸3轉動的壓電振子6施加交變的磁場；用于構成壓電振子6的磁性金屬基板601在磁場可被極化,從而與所靠近的磁鐵一 4或磁鐵二 4’之間產生吸引力，并帶動壓電晶片602產生沿旋轉軸軸線方向的彎曲變形，進而將機械能轉換成電能。壓電振子6固定在旋轉軸3上、且隨其轉動，直接將所生成的電能直接供給隨旋轉軸3 —同旋轉的傳感監(jiān)測系統(tǒng)7。當旋轉軸3連續(xù)轉動時，壓電振子6隨旋轉軸3 —起轉動，而機床箱體側壁I上的磁鐵一 4和磁鐵架8的底端802內側的磁鐵4’相對靜止。當轉動的壓電振子6與機床箱體側壁I上磁鐵一 4的N極靠近時,所述壓電振子6的磁性金屬基板601上與所述磁鐵一4相鄰的表面被極化成S極、另一表面被極化成N極；同理,當轉動的壓電振子6與磁鐵架8的底端802內側的磁鐵二 4’的S靠近時，所述壓電振子6的磁性金屬基板601上與所述磁鐵二 4’相鄰的表面被極化成N極、另一表面被極化成S極?？梢?，在旋轉的壓電振子6與磁鐵一 4和磁鐵二 4’交替靠近的過程中,其磁性金屬基板601被極化后的磁極方向并不改變，即磁化后形成的S極始終與磁鐵一 4的N極相對、磁化后形成的N極始終與磁鐵二 4’的S極相對。因此，當壓電振子6與磁鐵一 4靠近時，兩個異性磁極相吸，使壓電振子6產生沿旋轉軸3的軸線方向向左的彎曲變形；當壓電振子6與磁鐵二 4’靠近時，兩個異性磁極相吸，使壓電振子6產生沿旋轉軸3的軸線方向向右的彎曲變形。隨著旋轉軸3的連續(xù)轉動，壓電振子6在兩個相反方向的磁力作用下將產生連續(xù)的軸向往復彎曲振動，并將機械能轉換成電能。
權利要求1.一種基于磁力耦合軸向激勵的轉盤式壓電發(fā)電機，其特征在于機床箱體側壁上鑲嵌有軸承和磁鐵一；旋轉軸的一端通過軸承安裝在所述的機床箱體側壁上，所述旋轉軸的軸肩的兩側通過螺釘分別安裝有轉盤和監(jiān)測系統(tǒng)；在所述轉盤上通過螺釘安裝有磁性金屬基板，所述磁性金屬基板與其表面所粘接的壓電晶片共同構成壓電振子，所述壓電振子和監(jiān)測系統(tǒng)通過導線組連接；磁鐵架的法蘭端通過螺釘安裝在所述的機床箱體側壁上、且將所述壓電振子罩在內部；在所述磁鐵架的底端的內側鑲嵌有磁鐵二 ；所述磁鐵一與磁鐵二的異性磁極與壓電振子靠近安裝；所述磁鐵一與磁鐵二的數(shù)量相等、且?guī)缀沃行闹列D軸中心的距離相等、且其幾何中心與旋轉軸中心的連線之間的夾角為Q=360°/n，其中η為磁鐵一和磁鐵二的數(shù)量之和。
專利摘要本實用新型涉及一種基于磁力耦合軸向激勵的轉盤式壓電發(fā)電機，屬于壓電發(fā)電領域。機床箱體上鑲嵌有軸承和磁鐵一；旋轉軸通過軸承安裝在機床箱體上，所述旋轉軸的軸肩兩側分別安裝有轉盤和監(jiān)測系統(tǒng)，轉盤上安裝有壓電振子；所述壓電振子由磁性金屬基板和壓電晶片粘接而成，所述壓電振子和監(jiān)測系統(tǒng)通過導線組連接；磁鐵架的法蘭端通過螺釘安裝在機床箱體上，磁鐵架底端內側鑲嵌有磁鐵二，所述磁鐵一與磁鐵二的異性磁極與壓電振子靠近安裝。優(yōu)點是磁性金屬基板壓電振子置于軸上且通過磁力耦合軸向激勵，無接觸沖擊、噪音及沖擊破壞，直接將電能提供給隨軸轉動的監(jiān)測系統(tǒng)；壓電振子軸向彎曲變形及發(fā)電量不受轉動狀態(tài)影響，勻速及高速時均可發(fā)電。
文檔編號H02N11/00GK202721626SQ201220443349
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月1日 優(yōu)先權日2012年9月1日
發(fā)明者王淑云, 闞君武, 萬杰, 曾平, 溫建明, 安智琪 申請人:浙江師范大學