离心式压电发电机的制作方法

一、技术领域

本发明是属于压电发电机领域的一种离心式压电发电机。

二、

背景技术：

近几十年进来，利用压电材料将环境中的机械能转换成电能的研究越来越受到人们的重视，国内外许多科学家对压电材料的研究都已经证明了压电材料有着广泛的用途，对压电材料特性的研究和发电能力的探讨也已经获得了实质性的效果，目前，在国内外对压电发电方面的研究方面，一般通过对振动能量的捕获实现发电目的的研究比较多，但是，为了减少机械零部件的的疲劳损伤和减少噪声，很多场合都会尽量的减少设备的振动，这就使得对振动能力的捕获更加困难。从目前的情况来看，旋转机械有着大量的可以转换的动能，但是，目前对于采用旋转机械的方式实现压电发电方面的研究目前还是比较少的，所以，提出一种能够从旋转机械的角度出发实现压电发电目的的一种压电发电机的技术方案还是很有必要的。

三、

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种与机架连接的的一种离心式压电发电机的原理性技术方案。

本发明是这样实现的，机构中具有由压电材料和传统的具备完整的电能输出及储存系统辅助材料组成的的压电体4，其特征在于：机构中有外形成圆柱形的多个离心滚轮16，有其中装有压电体4的间接与机架连接的在离心滚轮16的滚压条件下产生正压电效应并能将电能引出的的多个压电单元，有与机架连接的外形成圆环形的中部制有通孔的并且在其外圆的圆周上沿径向制有多个阶梯形通槽或通孔的中间环17，有带有旋转轴的且中部制有同轴转动的转盘的并在其转盘的圆周上沿轴向制有多个可沿离心滚轮16长度方向装入离心滚轮16的并使离心滚轮16只可沿其转盘的径向做有约束运动的约束结构的旋转盘11，各零部件的组装结构是旋转盘11两端的转轴部分通过轴承与机架连接，在其转盘部位上的约束结构部位沿圆周装入多个离心滚轮16，与机架连接的中间环17同轴套装在旋转盘11上，在其上制有的多个阶梯通漕或通孔中固定装有多个其下端制有形状与其中间通孔直径对应并同轴的圆弧的压电单元。

可将压电单元通过机械固定或粘接的方法固定在中间环17上。

可将处于压电单元中的压电体4沿中间环17上制有的阶梯通槽的径向方向按照串联或并联或并、串联混合的方式排列多层。

可将旋转盘11上的旋转轴和转盘部分制成两体结构，并通过键连接，或用机械设备上的转轴通过键连接替代旋转轴。

可采用下述方案，既压电单元由固定环2、上垫块3、压电体4、下垫块5、螺钉6组成，其中，下垫块5为阶梯矩形结构，其下端矩形结构的长、宽尺寸小于其上端的矩形长、宽尺寸，上垫块3为矩形结构，固定盘2为圆环形结构，其内孔套装在中间环17的外圆上，在其圆周上，沿轴向制有多组分布规律与中间环17上阶梯通槽分布规律相同的螺孔，并通过螺钉6将由上至下同时压紧依次安装在中间环17上的各阶梯通槽中的上垫块3、沿通槽轴向排列的多个压电体4、下垫块5，在中间环17上，各阶梯通槽上端的宽槽部分沿轴向向两端通开，在轴向长度小于下垫块5下端矩形长度尺寸的离心滚轮16的中心，沿轴向同轴制有通孔，在其通孔的两端同轴制有轴承安装孔，在旋转盘11的圆周上制有可沿轴向装入离心滚轮16的环行槽，且环行槽两侧圆周上分别制有多个长度方向沿径向在圆周上开口并沿轴向通开的导向槽，在离心滚轮16的通孔中通过轴承14同轴装有两端外侧依次制有外螺纹和矩形轴段的滚轮轴15，滚轮轴15两端矩形轴段及中部轴段的总长度略大于旋转盘11的轴向尺寸，将装有滚轮轴15的离心滚轮16两端伸出的滚轮轴15的矩形轴段装入旋转盘11的导向槽后，两端分别通过滚轮轴15上的外螺纹装有垫圈13和螺母12，在机构轴向两侧，分别装有制有与机架连接的连接孔的圆盘形左接盘1和制有压电单元出线孔及旋转轴伸出孔的右接盘8，旋转盘两端的轴段分别通过轴承9与左接盘1和右接盘8连接，固定环2和中间环17分别通过其上制有的轴向通孔用螺栓螺母组18和螺栓螺母组19与左接盘1和右接盘8同轴固定连接在一起。

可以在在螺钉6与下垫块3之间增加一个弹簧机构。

具体工作时，同轴安装在中间环17中的旋转盘11在外力带动下旋转，这时，离心滚轮16在达到一定转速时开始在离心力的作用下沿着中间环17内孔的孔壁上在旋转盘11的带动下开始滚动，由于这时产生的离心力是径向力，所以当离心滚轮16到达与下垫块5下端接触的位置时，开始通过下垫块5对整个压电单元做滚压运动(在转速较快时也可以理解为是离心滚轮16连续不断的对压电单元的的一种冲击运动)，使得压电单元中的压电体4产生应变，导致电能的输出。由于机构中有多个离心滚轮16，而且这种离心滚轮16随旋转盘11整体的圆周运动是连续的，所以就可以达到是安装在中间环17上的各压电单元连续不断的有电能输出，从而达到发电的目的。可以看出，由于本技术方案结构简单，在制造技术上基本上没有什么技术瓶颈，再加上离心滚轮16对压电单元所产生的力是离心力，而这种力是正比于旋转盘11转速的平方的，所以在旋转盘整体转动惯量(包括离心滚轮16)相对较小的情况下，在匹配合理的情况下，也能产生相对比较大的径向离心力，这就使得机构的效率相对比较高，再加上离心滚轮16在中间环17的内孔中是处于滚动摩擦状态的，这样消耗的功率是比较小的。另一方面，由于多个压电单元的组合比较方便，原则上没有什么技术障碍，所以这就使得本发明可以制成大型的离心式压电发电机，这样，其动力源的来源就比较方便了，不只是对一般机械设备的多余旋转动能的捕获，在风力发电及水利发电等方面也有着较大的优势。这是目前的压电发电机所无法做到的。

由于本发明具有结构简单，效率相对较高，可有效的利用旋转机械输入动能来达到发电的目的，而且对大、中型发电设备也比较适用，所以实施后预计可以收到比较积极的效果。

四、附图说明

本发明有两个附图，其中，图1是离心式压电发电机的基本原理示意图，图2是图1的a-a剖视图。

各图中：1、左接盘，2、固定环，3、上垫块，4、压电体，5、下垫块，6、螺钉，7、密封垫，8、右接盘，9、轴承，10、油封，11、旋转盘，12、螺母，13、垫圈，14、轴承，15、滚轮轴，16、离心滚轮，17、中间环，18、螺栓螺母组，19、螺栓螺母组。

五、具体实施方式

下面，结合说明书附图，对本发明作进一步的具体说明。

参见图1、图2可以看到，机构中具有由压电材料和传统的具备完整的电能输出及储存系统辅助材料组成的的压电体4，其特征在于：机构中有外形成圆柱形的多个离心滚轮16，有其中装有压电体4的间接与机架连接的在离心滚轮16的滚压条件下产生正压电效应并能将电能引出的的多个压电单元，有与机架连接的外形成圆环形的中部制有通孔的并且在其外圆的圆周上沿径向制有多个阶梯形通槽或通孔的中间环17，有带有旋转轴的且中部制有同轴转动的转盘的并在其转盘的圆周上沿轴向制有多个可沿离心滚轮16长度方向装入离心滚轮16的并使离心滚轮16只可沿其转盘的径向做有约束运动的约束结构的旋转盘11，各零部件的组装结构是旋转盘11两端的转轴部分通过轴承与机架连接，在其转盘部位上的约束结构部位沿圆周装入多个离心滚轮16，与机架连接的中间环17同轴套装在旋转盘11上，在其上制有的多个阶梯通漕或通孔中固定装有多个其下端制有形状与其中间通孔直径对应并同轴的圆弧的压电单元。

可以看出，上述机构简单的说就是把多个其中装有压电体4的能在相对固定情况下在离心滚轮16的滚压条件下产生正压电效应并能将电能引出的的多个压电单元，分别固定安装在一个与机架连接的圆环形的中间环中17上，在中间环17的圆周上，分别制有多个安装方向沿其径向的阶梯通槽或阶梯通孔，其目的是可以使压电单元的安装定位比较方便，至于是采用阶梯通槽还是采用阶梯通孔要根据所选择的压电体的外形结构或制造安装的方便性而定，一般情况下，采用阶梯通槽比较方便，这样有利于在一个阶梯通槽中装入多个压电体4，尤其是对于大型的离心式压电发电机，这样，压电单元的组合也比较方便。然后，再在中间环17中间的通孔中装入一个两端通过轴段和轴承与机架连接的旋转盘11，在旋转盘11中部的转盘部位，沿其圆周装有多个离心滚轮16，而且，离心滚轮16是安装在旋转盘11的转盘部位中沿径向制有的槽中的，这些槽的作用是可以将离心滚轮16沿其长度方向完全装入这些槽中，并能起到约束离心滚轮16在这些槽中只能在旋转盘11中做做径向运动的作用，从而使得在旋转盘11转动时离心滚轮16在随其转动时并在径向离心力的作用下能对固定在中间环17中的压电单元下端制有的与中间环17内孔直径对应的部位进行滚压作用，从而使得压电单元中的压电体4产生应变而输出电能。

可将压电单元通过机械固定或粘接的方法固定在中间环17上。

实际上，将压电单元固定在中间环17上的方法很多，一般情况下，采用粘接的方法结构比较简单，但预压力调整不太方便，采用机械固定的方法结构相对复杂一些，但对压电单元的预压力调整相对要方便一些。

可将处于压电单元中的压电体4沿中间环17上制有的阶梯通槽的径向方向按照串联或并联或并、串联混合的方式排列多层。

尤其是对于大、中型的离心式压电发电机，在中间环17的阶梯通槽中，一般情况最好是将压电体4沿其阶梯通槽的径向排列多层，原因是目前的压电体的体积还做不了很大，所以采用并联或串联或混联的方法匹配压电体4还是比较方便的，必要时，根据压电材料的选择不同，压电体4也可以采用压电叠堆等集成方式来替代。还有，就是由于力的传递是需要时间的，所以在匹配合理的情况下，多层排列压电体4的方案原则上说是可以根据需要选择性的输出交流电或直流电的。

可将旋转盘11上的旋转轴和转盘部分制成两体结构，并通过键连接，或用机械设备上的转轴通过键连接替代旋转轴。

将旋转盘11制成两体的目的是当离心式压电发电机需要和例如一般机械设备连接时，可以通过机械设备原有的动力周来替代旋转盘11中的旋转轴，这样就可以起到简化结构的作用。

可采用下述方案，既压电单元由固定环2、上垫块3、压电体4、下垫块5、螺钉6组成，其中，下垫块5为阶梯矩形结构，其下端矩形结构的长、宽尺寸小于其上端的矩形长、宽尺寸，上垫块3为矩形结构，固定盘2为圆环形结构，其内孔套装在中间环17的外圆上，在其圆周上，沿轴向制有多组分布规律与中间环17上阶梯通槽分布规律相同的螺孔，并通过螺钉6将由上至下同时压紧依次安装在中间环17上的各阶梯通槽中的上垫块3、沿通槽轴向排列的多个压电体4、下垫块5，在中间环17上，各阶梯通槽上端的宽槽部分沿轴向向两端通开，在轴向长度小于下垫块5下端矩形长度尺寸的离心滚轮16的中心，沿轴向同轴制有通孔，在其通孔的两端同轴制有轴承安装孔，在旋转盘11的圆周上制有可沿轴向装入离心滚轮16的环行槽，且环行槽两侧圆周上分别制有多个长度方向沿径向在圆周上开口并沿轴向通开的导向槽，在离心滚轮16的通孔中通过轴承14同轴装有两端外侧依次制有外螺纹和矩形轴段的滚轮轴15，滚轮轴15两端矩形轴段及中部轴段的总长度略大于旋转盘11的轴向尺寸，将装有滚轮轴15的离心滚轮16两端伸出的滚轮轴15的矩形轴段装入旋转盘11的导向槽后，两端分别通过滚轮轴15上的外螺纹装有垫圈13和螺母12，在机构轴向两侧，分别装有制有与机架连接的连接孔的圆盘形左接盘1和制有压电单元出线孔及旋转轴伸出孔的右接盘8，旋转盘两端的轴段分别通过轴承9与左接盘1和右接盘8连接，固定环2和中间环17分别通过其上制有的轴向通孔用螺栓螺母组18和螺栓螺母组19与左接盘1和右接盘8同轴固定连接在一起。

可以看出，旋转盘11在具体工作时，一般转速可能会相对较高，所以在这种情况下一般应考虑离心滚轮16部位的润滑问题，这时，可采用在下垫块5的阶梯矩形的阶梯交界部位加垫一个密封垫7和在旋转盘11伸出的轴段部位加一个油封10的结构，这样，就可以将其内腔封闭起来了。

具体工作时，同轴安装在中间环17中的旋转盘11在外力带动下旋转，这时，离心滚轮16在达到一定转速时开始在离心力的作用下沿着中间环17内孔的孔壁上在旋转盘11的带动下开始滚动，由于这时产生的离心力是径向力，所以当离心滚轮16到达与下垫块5下端接触的位置时，开始通过下垫块5对整个压电单元做滚压运动(在转速较快时也可以理解为是离心滚轮16连续不断的对压电单元的的一种冲击运动)，使得压电单元中的压电体4产生应变，导致电能的输出。由于机构中有多个离心滚轮16，而且这种离心滚轮16随旋转盘11整体的圆周运动是连续的，所以就可以达到是安装在中间环17上的各压电单元连续不断的有电能输出，从而达到发电的目的。可以看出，由于本技术方案结构简单，在制造技术上基本上没有什么技术瓶颈，再加上离心滚轮16对压电单元所产生的力是径向的离心力，而这种力是正比于旋转盘11转速的平方的，所以在旋转盘整体转动惯量(包括离心滚轮16)相对较小的情况下，在匹配合理的情况下，也能产生相对比较大的径向离心力，这就使得机构的效率相对比较高，再加上离心滚轮16在中间环17的内孔中是处于滚动摩擦状态的，这样消耗的功率是比较小的。另一方面，由于多个压电单元的组合比较方便，原则上没有什么技术障碍，所以这就使得本发明可以制成大型的离心式压电发电机，这样，其动力源的来源就比较方便了，不只是对一般机械设备的多余旋转动能的捕获，在风力发电及水利发电等方面也有着较大的优势。这是目前的压电发电机所无法做到的。

可以在在螺钉6与下垫块3之间增加一个弹簧机构。

这样做的主要目的是在某些情况下，需要对压电单元的预压力进行精确的调整，这时增加一个弹簧机构是比较有利的。

另外，由于在工作时离心滚轮16与中间环17之间是处于滚动摩擦的工况下，所以在润滑良好的情况下，其功率消耗相对也是比较小的，例如，如果我们用电动机驱动旋转盘11，那么，转速稳定工作时驱动系统属于恒扭矩工况下，可以看出，这时系统的输入功率是正比于旋转盘11的转速的，但是，由于旋转盘11的转动对离心滚轮16所产生的径向离心力却是与旋转盘11转速的平方成正比的，所以说，随着转速设定的不断增高，系统驱动力的增长幅度是远小于离心力的增长幅度的，这就是说，随着压电领域尤其是压电材料领域在科技上的不断进步，是有可能产生意想不到的结果的。