一种旋转压电能量收集装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种旋转压电能量收集装置，包括：定子和转子两部分，定子内侧安装多个压电组件，压电组件由定子磁钢、压电片和绝缘片组成；转子外侧安装多个转子磁钢。它解决了振动噪声较大、机电转换效率较低以及输出电压脉动较大的技术难题。该收集装置中的定转子磁钢采用三种匹配方式：定子磁钢极性相同，相邻的转子磁钢极性相反；或，相邻的定子磁钢极性相反，转子磁钢极性相同；或，定子磁钢与转子磁钢均采用相邻反极性设置。定子可为离散的压电堆形式，沿转子周向均匀或分组对称分布。压电堆内还可安装弹簧和质量块，以充分吸收低频能量。该收集装置具有机电转换效率高、功重比高、转矩脉动小、振动噪声低及输出电压频率宽等显著优点。
【专利说明】一种旋转压电能量收集装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及压电发电【技术领域】，尤其涉及一种旋转压电能量收集装置。
【背景技术】
[0002]能源短缺是世界性难题，各国投入了大量的人力物力寻找优质可替代能源。目前，机械振动能量收集已引起工程技术人员的广泛关注。现有技术通常采用电磁、静电和压电三种基本方式设计能量收集装置。其中，压电式具有能量密度高、结构简单和性能可靠等显著优点，成为优选方式。
[0003]压电能量收集利用正压电效应将机械能转换为电能。根据激振方式，现有技术主要包括四类:(I)惯性激励式:利用受力方向的变化使压电片弯曲变形；(2)拨动式:利用某种机构拨动压电振子，产生闻频振动；(3)撞击式:利用构件自然坠落撞击压电振子，进而产生高频振动；(4)磁耦合式:利用非接触式磁力激励压电片，使其产生周期变形和振动。其中，惯性式结构简单，但仅适于低速场合；拨动式原理简单，易于实现，但振动噪声较大；而撞击式也仅适合低速应用，且易造成构件疲劳损伤，降低使用寿命。目前，磁耦合是一种普遍采用的激励方式，如专利CN102801356A、CN102801358A、CN102801361A、CN202721630U 和 CN103269180A 等。
[0004]应当指出的是，现有技术通常采用相同数量的定转子磁钢，因此导致显著的定位力矩和不平衡磁拉力，容易产生振动和噪声。此外，现有技术还通常采用d31工作模式，因而机电能量转换效率较低，由于磁钢均匀分布，永磁体的优化参数仅为数量和厚度，可调整的范围较小，限制了机电性能的改善。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种旋转压电能量收集装置，本发明给出了磁钢个数及空间拓扑与振动及电压输出特性之间的映射关系，并发明了机电性能调谐技术，克服了现有压电发电技术机电转换效率较低、功重比较小及振动噪声较大的技术难题，详见下文描述:
[0006]一种旋转压电能量收集装置，包括:定子和转子两部分，所述定子内侧安装多个压电组件，所述压电组件由定子磁钢、压电片和绝缘片组成；所述转子外侧安装多个转子磁钢。
[0007]所述定子磁钢极性相同，相邻的所述转子磁钢极性相反；或，
[0008]相邻的所述定子磁钢极性相反,所述转子磁钢极性相同；或，
[0009]所述定子磁钢与所述转子磁钢均采用相邻反极性设置。
[0010]所述定子和所述转子采用相同或不同的磁钢数量和周向长度。
[0011]所述压电组件的工作模式为d33和/或d31，在永磁激励作用下，所述压电组件产生沿定子径向的伸缩变形，或产生径向伸缩和绕电机轴线的弯曲变形。
[0012]所述定子采用分段均匀或非均匀错位，以抑制刚体振动和噪声，同时改善发电质量。[0013]所述装置采用压电堆构型，所述压电堆沿周向分组对称、等间隔均匀或径向对称分布。
[0014]所述压电组件沿周向分组对称时，通过调整所述压电组件的分组数和位置角，改变振动和电压输出特性。
[0015]所述压电组件沿周向均布时，振动和电压输出规律为:
[0016]若INm = qP，则激起扭转振动和呼吸振动模式，同时激起谐波电压；
[0017]若INm = qP± I，则激起平移振动和qP土 I波数的柔体振动，同时抑制谐波电压；
[0018]若为其它情形，则抑制扭转和平移振动，激起其它波数的柔体振动，同时抑制谐波电压；
[0019]其中，Nm为转子磁钢数量，P为定子磁钢的分组数，I为谐波响应的阶数，q为非零整数。
[0020]所述压电组件径向对称分布，振动和电压输出规律为:
[0021]若INm为奇数，则抑制扭转振动，同时抑制谐波电压；
[0022]若INm为偶数，则激起扭转振动，同时激起谐波电压；
[0023]其中，Nm为转子磁钢数量，I为谐波响应的阶数。
[0024]所述定子为筒形定子或离散的压电堆，所述转子为筒形转子，
[0025]所述压电堆沿所述筒形转子周向等间隔或分组对称分布，所述压电堆内安装弹簧和质量块。
[0026]本发明提供的技术方案的有益效果是:
[0027]1、同时采用压电陶瓷的d33和d31工作模式，解决了传统激振方式机电转换效率较低的难题；
[0028]2、同时利用磁拉力与磁斥力激振，充分利用了电机的有限空间，提高了功重比；
[0029]3、定转子本体均采用导磁性能良好的硅钢，压电陶瓷处于受压预应力状态，避免了磁拉力剧烈变化造成的压电片破裂，同时提高了机电转换效率；
[0030]4、采用多个压电片同时工作，产生可观的能量输出；
[0031]5、可利用斜极、磁极错位及非均布磁极，尤其是相位调谐技术，抑制残余脉动转矩和不平衡磁拉力,减小振动和噪声，同时输出平稳电压；
[0032]6、调整输出转速和定转子磁钢个数，可获得频率范围很宽的输出电压；
[0033]7、定子可为整体的周向封闭筒形结构或离散压电堆构型，压电组件可沿周向均匀分布，也可分组对称分布，其内部还可安装弹簧和惯性块，以充分吸收低频振动能量。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1示出了旋转压电发电装置，图中面向气隙的定子侧磁钢的极性均相同，而转子侧相邻磁钢的极性相反；
[0035]图2示出了定子振动和电压计算模型；
[0036]图3示出了旋转压电发电装置，图中定子和转子侧的相邻磁钢的极性均相反；
[0037]图4示出了二分段错位定子，图4a和4b为同一个转子的两段相对旋转错位角π /8后的不意图；
[0038]图5示出了均布压电堆发电装置；[0039]图6示出了压电堆的联接方式，图6a、6b、6c和6d分别为四种联接方式；
[0040]图7示出了分组压电堆式发电装置；
[0041]图8示出了含惯性质量弹簧的旋转均布压电堆发电装置；
[0042]图9示出了压电谐振器及安装方式，图9a、9b和9c分别为主视图、左视图和俯视图；
[0043]图10示出了含惯性质量弹簧的分组对称压电堆发电装置。
【具体实施方式】
[0044]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0045]一种旋转压电能量收集装置，该装置有多种拓扑结构，主要由定子和转子两个构件组成。其中，定子本体由硅钢制成，其内侧安装压电组件，该压电组件由定子磁钢、压电片及绝缘片组成；转子本体也由硅钢制成，其外侧也安装多个转子磁钢。
[0046]图1示出了旋转压电能量收集装置的基本结构，主要包括筒形转子1000和筒形定子2000。其中，筒形转子1000的内侧由轮辐1010支撑，其外侧均布安装转子磁钢1020和1030，并且相邻转子磁钢极性相反；筒形定子2000内侧安装多个压电组件2010，该压电组件由定子磁钢2020、压电片2030及绝缘片2040组成，并且定子磁钢的极性均相同。
[0047]该压电能量收集装置的具体工作过程为:在外力作用下筒形转子1000旋转，转子磁钢1020和1030相继扫过筒形定子2000的定子磁钢2020。若定转子磁钢极性相同，则压电组件受压，反之受拉，进而激起定子振动，产生高频交变电压。应当指出的是，在该工作状态下，压电组件的工作模式为d33和d31，并且为了抑制有害振动，同时提高发电性能，应合理调整定转子两侧的磁钢数量，还可以改变拓扑构型，例如采用定子分段均匀或非均匀错位。
[0048]为了更好地说明本发明的有益效果，下面分别针对分组、均布和径向对称构型探讨振动和发电规律，揭示磁钢数量匹配及构型方式与机电性能之间的映射关系，并提出具体的性能优化措施。
[0049]一、振动特性
[0050]本发明以图1所示旋转压电能量收集装置为例，探讨磁钢个数和拓扑结构对定子振动及电压输出特性的影响规律。图2为计算模型，图中转子侧磁钢数量为Nm，定子侧磁钢的分组数为P，每组压电组件的个数均为Ns。坐标系{0，r，Θ}固结于定子，其原点位于定子几何形心，极轴穿过第一分组的第一压电组件的几何形心，P为第i(i = 1,2,3,……P)分组内的第j(j = 1，2，3，……Ns)个压电组件。
[0051](I)分组对称压电组件
[0052]如果压电组件沿电机周向呈分组对称构型，同时各分组内的压电组件均匀分布，则由组件激起的第I阶谐波响应可写为
[0053]
【权利要求】
1.一种旋转压电能量收集装置，包括:定子和转子两部分，其特征在于，所述定子内侧安装多个压电组件，所述压电组件由定子磁钢、压电片和绝缘片组成；所述转子外侧安装多个转子磁钢。
2.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于， 所述定子磁钢极性相同，相邻的所述转子磁钢极性相反；或， 相邻的所述定子磁钢极性相反，所述转子磁钢极性相同；或， 所述定子磁钢与所述转子磁钢均采用相邻反极性设置。
3.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述定子和所述转子采用相同或不同的磁钢数量和周向长度。
4.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述压电组件的工作模式为d33和/或d31，在永磁激励作用下，所述压电组件产生沿定子径向的伸缩变形，或产生径向伸缩和绕电机轴线的弯曲变形。
5.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述定子采用分段均匀或非均匀错位，以抑制刚体振动和噪声，同时改善发电质量。
6.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于所述装置采用压电堆构型，所述压电堆沿周向分组对称、等间隔均匀或径向对称分布。
7.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述压电组件沿周向分组对称时，通过调整所述压电组件的分组数和位置角，改变振动和电压输出特性。
8.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述压电组件沿周向均布时，振动和电压输出规律为: 若INm = qP，则激起扭转振动和呼吸振动模式，同时激起谐波电压； 若INm = qP±l，则激起平移振动和qP± I波数的柔体振动，同时抑制谐波电压； 若为其它情形，则抑制扭转和平移振动，激起其它波数的柔体振动，同时抑制谐波电压； 其中，Nm为转子磁钢数量，P为定子磁钢的分组数，I为谐波响应的阶数，q为非零整数。
9.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述压电组件径向对称分布，振动和电压输出规律为: 若INm为奇数，则抑制扭转振动，同时抑制谐波电压； 若INm为偶数，则激起扭转振动，同时激起谐波电压； 其中，Nm为转子磁钢数量，I为谐波响应的阶数。
10.根据权利要求1所述的一种旋转压电能量收集装置，其特征在于，所述定子为筒形定子或离散的压电堆，所述转子为筒形转子， 所述压电堆沿所述筒形转子周向等间隔或分组对称分布，所述压电堆内安装弹簧和质量块。
【文档编号】H02N2/18GK103973161SQ201410171747
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】王世宇, 赵志福, 谢帮, 王尧尧, 张东升 申请人:天津大学