一种磁励旋转式压电发电机的制作方法

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种磁励旋转式压电发电机。

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，本发明提出一种磁励旋转式压电发电机，本发明采用的实施方案是：旋转轴经轴承安装在底壳上，端部安装有转盘，转盘的端面上均布地镶嵌有激励磁铁；壳体的左端经螺钉安装有顶盖，右端的法兰端经螺钉安装在底壳上；壳体的内侧设有凸环、连接块及限位槽，连接块位于壳体的中心轴线上，凸环与连接块之间经由壳体腹板相连；压电振子两端经螺钉与压环分别固定在凸环与连接块上；压电振子由镍合金基板与压电晶片粘结而成，镍合金基板靠近转盘安装；顶盖中心设有螺纹孔，安装有锁紧螺母的调节螺栓经由螺纹孔伸入壳体，右侧端部经螺钉安装有卡位板；卡位板伸入加载环中心的凹槽中，并经由压板限位；加载环由多个同心环与腹板组成，腹板沿加载环径向伸入限位槽中，且数量与压电振子数量相同，并相互正对；每条腹板上设有两个顶条，顶向压电振子的近固定端；发电机即压电振子的固有频率可根据不同工作环境的需求加以调整，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；当压电振子受顶条顶压时内部张力变大、弯曲刚度及固有频率增加；当调节螺栓调至左极限位置时，压板顶靠在顶盖上，此时顶条与压电振子接触但无作用力，此为发电机工作的初始状态；当调节螺栓调至右极限位置时，腹板端部顶靠在限位槽的终点，此时压电振子仍工作在其最大许用压应力之内。

工作时，旋转轴带动转盘转动，激励磁铁也随之转动；由于镍合金基板是铁磁性材料，能够与激励磁铁间产生相互作用力，故当激励磁铁靠近镍合金基板时，两者间的相互作用力增大从而使压电振子沿旋转轴的轴线方向弯曲变形，当激励磁铁远离镍合金基板时，由于镍合金基板的弹性恢复力，压电振子逐渐恢复变形；激励磁铁与镍合金基板间作用力的交替变化即构成了压电振子的往复弯曲变形，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的具体需求加以调整，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。调节原理为：当压电振子受顶条顶压时，压电振子在与顶条的接触点处张力变大，并在接触点处形成简支边界；将张力分解为垂直方向的端部拉力与水平方向的横向力，则可视为在新的简支边界中压电振子受端部拉力的拉伸作用，此时发电机的固有频率为：其中，ff为端部拉力作用下发电机的固有频率；f为端部拉力；e为压电振子的杨氏模量；i为压电振子的惯性矩；l为压电振子的长度；me为压电振子的等效质量；端部拉力作用下发电机的固有频率与其初始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，激励频率低于发电机固有频率时无谐振峰，故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；③压电振子采用铁磁性材料基板，无需另外安装磁铁，激励更加便捷，质量小、进一步提升了谐振频率。

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b-b剖视图；

图5是本发明一个较佳实施例中加载环的结构示意图；

图6是本发明中发电机的固有频率调节能力与端部拉力的关系图。

具体实施方式

旋转轴a经轴承安装在底壳b上，端部安装有转盘c，转盘c的端面上均布地镶嵌有激励磁铁d；壳体e的左端经螺钉安装有顶盖f，右端的法兰端经螺钉安装在底壳b上；壳体e的内侧设有凸环e1、连接块e3及限位槽e4，连接块e3位于壳体e的中心轴线上，凸环e1与连接块e3之间经由壳体腹板e2相连；压电振子g的两端经螺钉与压环分别固定在凸环e1与连接块e3上；压电振子g由镍合金基板g1与压电晶片g2粘结而成，镍合金基板g1靠近转盘c安装；顶盖f的中心设有螺纹孔，安装有锁紧螺母h的调节螺栓j经由螺纹孔伸入壳体e，右侧端部经螺钉安装有卡位板k；卡位板k伸入加载环m中心的凹槽中，并经由压板n限位；加载环m由多个同心环m1与腹板m2组成，腹板m2沿加载环m径向伸入限位槽e4中，且数量与压电振子g数量相同，并相互正对；每条腹板m2上设有两个顶条m3，顶向压电振子g的近固定端；当调节螺栓j调至左极限位置时，压板s顶靠在顶盖g上，此时顶条m3与压电振子g接触但无作用力，此为发电机工作的初始状态；当调节螺栓j调至右极限位置时，腹板m2端部顶靠在限位槽e4的终点，此时压电振子g仍工作在其最大许用压应力之内。

工作时，旋转轴a带动转盘c转动，激励磁铁d也随之转动；由于镍合金基板g1是铁磁性材料，能够与激励磁铁d间产生相互作用力，故当激励磁铁d靠近镍合金基板g1时，两者间的相互作用力增大从而使压电振子g沿旋转轴a的轴线方向弯曲变形，当激励磁铁d远离镍合金基板g1时，由于镍合金基板g1的弹性恢复力，压电振子g逐渐恢复变形；激励磁铁d与镍合金基板g1间作用力的交替变化即构成了压电振子g的往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

本发明中，发电机即压电振子g的固有频率ff可根据不同工作环境的使用要求加以调整，以便获得更高的发电效率，方法为：松开锁紧螺母h，旋转调节螺栓j至理想位置并重新锁紧。调节原理为：当压电振子g受顶条m4顶压时，压电振子g在与顶条m4的接触点处张力变大，并在接触点处形成简支边界；将张力分解为垂直方向的端部拉力与水平方向的横向力，则可视为在新的简支边界中压电振子g受端部拉力的拉伸作用，此时发电机的固有频率为：

其中：ff为端部拉力作用下发电机的固有频率；f为端部拉力；e为压电振子g的杨氏模量；i为压电振子g的惯性矩；l为压电振子g的长度；me为压电振子g的等效质量；端部拉力作用下发电机的固有频率与其初始状态下的固有频率的比值α与f的关系如图6所示。