一种调频式磁耦合压电发电机的制作方法

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种调频式磁耦合压电发电机。

背景技术：

随着微功率无线传感器和分布式传感技术在健康监测、航天航空与程序控制系统等领域中的普及，作为其主要供能方式的化学电池所带来的环境污染问题变得不容忽视。为此，回收自然环境中振动能、人体运动能、旋转动能和流体能等能量的微小型发电机在国内外广受青睐。旋转式压电发电机是回收旋转体动能的重要方法之一，其实现能量回收的主要方式大致有惯性激励、拨动激励、冲击激励以及旋磁激励，其中旋磁激励由于无冲击、低噪声、安全性相对较高，而在近年来倍受关注。旋磁激励虽很大程度上解决了冲击与噪声的问题，但依然无法避免不同工作环境下激励频率与发电机固有频率不匹配导致的发电效率低下的问题。为了便于适应不同激励频率下的工作环境，可调频概念被提出，如中国专利201210592977.8、201310211521.7分别通过电控方式与引入非线性力进行调频，但前者的调频能力低下，而后者由于磁力的非线性作用，故不易精确控制；此外，两者都采用了悬臂梁式压电振子作为发电单元，故工作过程中容易损毁，安全性较差。

技术实现要素：

针对现有旋转式压电发电机所存在的问题，本发明提出一种调频式磁耦合压电发电机，本发明采用的实施方案是：旋转轴经轴承安装在底壳上，端部通过螺钉安装有转盘，转盘的一端压接在轴承的内圈上，另一端端面上均布地镶嵌有激励磁铁，激励磁铁为长条形磁铁，其长边的中心轴线方向为指向转盘中心，且各激励磁铁间磁极方向相同；壳体的右侧法兰端经螺钉安装在底壳上，壳体顶端还设有螺纹孔，内侧底部设有凸台一；安装有锁紧螺母的调节螺栓经由螺纹孔伸入壳体，底端经螺钉安装有卡位板；卡位板伸入加载块的凹槽中，并经由压板限位，压板经螺钉安装在加载块上；加载块的底端设有凸台二，压电振子一的上端经压块和螺钉安装在凸台二上，下端经压块和螺钉安装在滑动块上；压电振子二的上端经压块和螺钉安装在滑动块上，下端经压块和螺钉安装在凸台一上；压电振子一和压电振子二均由金属基板与压电晶片粘结而成；受激磁铁经螺钉安装在压电振子一和二上，且与激励磁铁相对安装；当激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对时金属基板靠近转盘安装，当激励磁铁与受激磁铁的同性磁极相对时压电晶片靠近转盘安装；当调节螺栓向上或向下调至极限位置时，受激磁铁的上下边界均在激励磁铁的上下边界之内，激励磁铁不与受激磁铁发生碰触，且于上极限位置时压电振子一和二处于弹性变形范围内，于下极限位置时压电振子一和二工作在其最大许用压应力范围内。

工作时，旋转轴带动转盘转动，激励磁铁也随之转动，而安装在压电振子一和二上的受激磁铁相对静止；当激励磁铁靠近受激磁铁时，激励磁铁、受激磁铁间产生相互排斥或吸引的作用力，从而使压电振子一和二沿旋转轴的轴线方向弯曲变形，当激励磁铁远离受激磁铁时，由于金属基板的弹性恢复力压电振子一和二逐渐恢复变形；激励磁铁与受激磁铁间作用力的交替变化即构成了压电振子一和二的往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

本发明中，发电机的固有频率可根据不同工作环境对应调整，以便获得更高的发电效率，方法为：松开锁紧螺母，旋转调节螺栓至理想位置并重新锁紧。调节螺栓的位置变动将通过加载块作用至压电振子一，压电振子一上的作用力又经由滑动块传递至压电振子二，从而实现压电振子一和二的同步拉伸与压缩；当压电振子一和二受拉伸与压缩时发电机的固有频率由下式确定：

其中，f为作用在压电振子一和二上的端部力，下标s/c分别表示拉力与压力；e为杨氏模量；i为惯性矩；l为长度；me为等效质量。端部力作用下发电机的固有频率与其自然状态下的固有频率的比值α与f的关系如图6所示。

优势与特色：①发电机固有频率可根据旋转体的转速与驱动能力及其它参数值进行调整，可有效增加频带宽度、发电量及可靠性；②无需更改发电机结构及其它系统参数即可实现各压电振子的同步调节，调频方法便捷、有效。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2是图1的a-a剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中壳体的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明一个较佳实施例中转盘与激励磁铁安装后的结构示意图；

图6是本发明中发电机的固有频率调节能力与端部力的关系图。

具体实施方式

旋转轴a经轴承b安装在底壳c上，端部通过螺钉安装有转盘d，转盘d的一端压接在轴承b的内圈上，另一端端面上均布地镶嵌有激励磁铁e，激励磁铁e为长条形磁铁，其长边的中心轴线方向为指向转盘中心，且各激励磁铁e间磁极方向相同；壳体f的右侧法兰端经螺钉安装在底壳c上，壳体顶端还设有螺纹孔f1，内侧底部设有凸台一f2；安装有锁紧螺母g的调节螺栓h经由螺纹孔f1伸入壳体f，底端经螺钉安装有卡位板j；卡位板j伸入加载块k的凹槽中，并经由压板m限位，压板m经螺钉安装在加载块k上；加载块k的底端设有凸台二k1，压电振子一nf的上端经压块p和螺钉安装在凸台二k1上，下端经压块p和螺钉安装在滑动块q上；滑动块q可在壳体f的限位槽g中滑动；在压电振子二ns的上端经压块p和螺钉安装在滑动块q上，下端经压块p和螺钉安装在凸台一f2上；压电振子一nf和压电振子二ns均由金属基板n1与压电晶片n2粘结而成；受激磁铁r经螺钉安装在压电振子一nf和压电振子二ns上，且与激励磁铁e相对安装；当激励磁铁e与受激磁铁r的磁极方向相同、即异性磁极相对时，金属基板n1相对压电晶片n2靠近转盘d安装；当激励磁铁e与受激磁铁r的磁极方向相反、及同性磁极相对时，金属基板n1相对压电晶片n2远离转盘d安装；当调节螺栓h向上或向下调至极限位置时，受激磁铁r的上下边界均在激励磁铁e的上下边界之内，激励磁铁e不与受激磁铁r发生碰触，且于上极限位置时压电振子一nf与压电振子二ns处于弹性变形范围之内，于下极限位置时压电振子一nf与压电振子二ns工作在其最大许用压应力范围之内。

工作时，旋转轴a带动转盘d转动，激励磁铁e也随之转动，而安装在压电振子一nf与压电振子二ns上的受激磁铁r相对静止；当激励磁铁e靠近受激磁铁r时，激励磁铁e、受激磁铁r间产生相互排斥或吸引的作用力，从而使压电振子一nf与压电振子二ns沿旋转轴a的轴线方向弯曲变形，当激励磁铁e远离受激磁铁r时，由于金属基板n1的弹性恢复力压电振子一nf与压电振子二ns逐渐恢复变形；激励磁铁e与受激磁铁r间作用力的交替变化即构成了压电振子一nf与压电振子二ns的往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

本发明中，发电机的固有频率可根据不同工作环境对应调整，以便获得更高的发电效率，方法为：松开锁紧螺母g，旋转调节螺栓h至理想位置并重新锁紧。调节螺栓h的位置变动将通过加载块k作用至压电振子一nf，压电振子一nf上的作用力又经由滑动块q传递至压电振子二ns，从而实现压电振子一nf与压电振子二ns的同步拉伸与压缩；当压电振子一nf与压电振子二ns受拉伸与压缩时发电机的固有频率由下式确定：

其中，f为作用在压电振子一nf与压电振子二ns上的端部力，下标s/c分别表示拉力与压力；e为杨氏模量；i为惯性矩；l为长度；me为等效质量。端部力作用下发电机的固有频率与其自然状态下的固有频率的比值α与f的关系如图6所示。