一种永磁压电能量收集装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种永磁压电能量收集装置，包括：定子组件、多个转子组件和支承组件，定子组件的本体由硅钢制成，其内侧均布安装多个压电组件。压电组件由位于定子本体内侧的磁钢、压电片及橡胶层构成，其中磁钢的相邻极性相反；转子组件的本体也由硅钢制成，所述本体外侧均布安装第一磁钢和第二磁钢，最外层安装橡胶层；支承组件由金属铝或其它非导磁材料制成，该支承组件由支承、第一半圆T型槽构件和第二半圆T型槽构件组成，所述支承与第一半圆T型槽构件和第二半圆T型槽构件之间由螺栓连接。由于多个磁钢同时激振，并且采用机电转换效率较高的d33工作模式，该能量收集装置具有可靠性高、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】一种永磁压电能量收集装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能量收集装置，尤其涉及一种永磁压电能量收集装置。
【背景技术】
[0002] 现有技术通常采用电磁式、静电式或压电式将机械振动能量转换为电能。压电式 能量密度高且结构简单，最具发展潜力。众所周知，现有技术通常采用惯性、拨动或撞击等 激励方式使压电片变形，产生电能。惯性激励结构简单，但仅适于低速场合；拨动激励原理 简单，易于实现，但振动噪声较大；而撞击方法仅适于低速场合，且易造成构件疲劳损伤，降 低使用寿命。应当指出的是，现有压电发电技术通常采用d31工作模式，机电能量转换效率 较低。
[0003] 现有技术提出了基于磁场耦合的旋转压电发电装置，如专利CN102801356A、 CN102801358A、CN102801361A、CN202721630U 和 CN103269180A 等，但通常采用相同数量的 定转子磁钢，易产生显著的定位力矩和振动噪声。应当指出的是，现有技术通常采用单定子 单转子构型，并且磁钢均匀分布。为了更有效地收集能量，本发明提出一种新型拓扑结构， 并揭示几何构型与受力、振动尤其发电特性之间的关系。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种永磁压电能量收集装置，克服了现有压电发电技术的局限性， 改进了磁场耦合方式，抑制了振动和噪声，还提高了机电转换效率，详见下文描述：
[0005] -种永磁压电能量收集装置，包括：定子组件、多个转子组件和支承组件，所述定 子组件的本体由硅钢制成，其内侧均布安装多个压电组件，所述压电组件由位于所述定子 本体内侧的磁钢、压电片以及橡胶层组成，所述磁钢的相邻极性相反；
[0006] 所述转子组件的本体也由硅钢制成，所述本体外侧均布安装第一磁钢和第二磁 钢，最外层安装橡胶层；
[0007] 所述支承组件由金属铝或其它非导磁材料制成，所述支承组件由支承、第一半圆T 型槽构件和第二半圆T型槽构件组成，所述支承与所述第一半圆T型槽构件和所述第二半 圆T型槽构件之间由螺栓连接。
[0008] 所述转子组件按周向对称形式分布于所述支承组件上，所述转子组件绕轴线自 转，并且绕所述支承组件的几何形心公转，同时与所述定子组件保持纯滚动接触。
[0009] 所述转子组件按分组对称形式分布于所述支承组件上。
[0010] 所述转子组件按径向对称形式分布于所述支承组件上。
[0011] 所述转子组件按径向二分组形式分布于所述支承组件上。
[0012] 所述转子组件均匀分布时，所述永磁压电能量收集装置的振动和电压输出规律 为：
[0013] ⑴若1NS = qN^，则激起扭转振动，柔体振动波数为1NS，同时激起1阶谐波电压；
[0014] (2)若1NS = qNm±l，则激起平移振动，柔体振动波数为1NS±1，同时抑制1阶谐波 电压；
[0015] (3)若为其它参数组合，则抑制扭转及平移振动，同时激起其它波数的柔体振动， 还将抑制1阶谐波电压。
[0016] 所述第一磁钢和所述第二磁钢所采用倾斜或分段设计。所述定子磁钢的内侧和所 述转子磁钢的外侧采用相同的曲率设计。
[0017] 本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0018] 1、本发明采用永磁体激振方式，结构紧凑可靠，同时降低了振动和噪声；
[0019] 2、采用多压电片同时工作，产生可观的能量输出，同时提高了功重比；
[0020] 3、利用永磁体产生的磁拉力周期挤压压电片，提高了机电转换效率；
[0021] 4、可采用定子或转子斜极等技术措施改善振动特性，同时优化发电质量；
[0022] 5、调整输出转速和定转子磁钢个数的匹配，可优化输出电压质量；
[0023] 6、可动态调整永磁转子的周向位置，进一步优化振动及电压输出特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1示出了均布三转子永磁压电能量收集装置的结构；
[0025] 图2示出了永磁压电能量收集装置的支承组件结构；
[0026] 图3示出了永磁分组转子压电能量收集装置定子振动和电压计算模型；
[0027] 图4示出了永磁径向对称转子压电能量收集装置定子振动和电压计算模型；
[0028] 图5示出了均布四转子永磁压电能量收集装置的结构；
[0029] 图6示出了均布八转子永磁压电能量收集装置的结构；
[0030] 图7示出了径向对称四转子永磁压电能量收集装置的结构；
[0031] 图8示出了径向对称六转子永磁压电能量收集装置的结构。
【具体实施方式】
[0032] 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 描述。
[0033] 为了克服现有压电发电技术的局限性，改进磁场耦合方式，抑制振动噪声，并且提 高机电转换效率，本发明提出了一种永磁压电能量收集装置，并借鉴行星传动领域的研究 思路，探讨定子组件的磁钢个数、转子组件的分布方式与振动及电压输出特性之间的关系， 给出了拓扑构型优选技术，以更好地指导电机设计。
[0034] 本发明提出的永磁压电能量收集装置，包括：筒形定子组件、多个圆柱形转子组件 和支承组件。该电机利用永磁体之间产生的磁拉力挤压压电片发电。
[0035] 一、电机结构
[0036] 图1和2所示的永磁压电能量收集装置包括：筒形定子组件、多个圆柱形转子组件 和支承组件。其中，筒形定子组件中的定子本体1050由硅钢制成，其内侧均布安装多个压 电组件，该压电组件由磁钢1060和1070、压电片1080以及橡胶层1090组成；圆柱形转子 组件为典型的永磁齿轮形式，其转子本体1020由硅钢制成，外侧均布安装第一磁钢1030和 第二磁钢1040,最外层安装橡胶层1100 ;支承组件由支承1125、第一半圆T型槽构件1010 和第二半圆T型槽构件1011组成，支承1125与第一半圆T型槽构件1010和第二半圆T型 槽构件1011之间由螺栓1124连接。螺栓1124可沿T型槽滑动，到达预定优选位置后，由 第一紧固螺母1120和第二紧固螺母1121紧固。螺栓1124上安装轴承1123,螺栓1124的 两侧安装套筒1122,左侧套筒位于第二紧固螺母1121与左侧轴承之间，右侧套筒位于第一 紧固螺母1120与右侧轴承之间。转子本体1020与轴承1123配合。转子组件可分组、径向 对称或均布安装于支承组件上，可绕自身轴线旋转，同时绕定子几何形心公转。应当指出的 是，定子侧相邻磁钢与转子侧相邻磁钢均反极性设置。
[0037] 本永磁压电能量收集装置的具体工作过程为：在外力作用下，支承组件定轴旋转， 使多个圆柱形转子绕支承组件中心旋转，同时定转子始终保持接触。在旋转过程中，定转子 产生与机械齿轮相似的"啮合"作用，在磁拉力作用下挤压压电片，产生交变电压。应当指 出的是，为了抑制有害振动，提高发电性能，应合理设计拓扑结构，同时恰当匹配基本参数， 尤其是定子磁钢与转子个数。为了更好地说明本发明的有益效果，下面分析拓扑结构及参 数组合对振动和电压输出特性的影响，并给出性能优化技术。
[0038] 二、振动特性分析
[0039] 本发明以图1所示永磁压电能量收集装置为例，探讨拓扑结构和基本参数对定子 振动及电压输出特性的影响规律。
[0040] (1)永磁分组转子
[0041] 图3为该装置的振动和电压计算模型，图中转子分为R组，每组有乂个转子，定子 磁钢个数为N s。坐标系{0，!，Θ}固结于转子支承组件，其原点位于该组件的几何形心，极 轴穿过第一分组的第一个转子的几何形心。图中
【权利要求】
1. 一种永磁压电能量收集装置，包括：定子组件、多个转子组件和支承组件，其特征在 于， 所述定子组件的本体由硅钢制成，其内侧均布安装多个压电组件，所述压电组件由位 于所述定子本体内侧的磁钢、压电片以及橡胶层组成，所述磁钢的相邻极性相反； 所述转子组件的本体也由硅钢制成，所述本体外侧均布安装第一磁钢和第二磁钢，最 外层安装橡胶层； 所述支承组件由金属铝或其它非导磁材料制成，所述支承组件由支承、第一半圆T型 槽构件和第二半圆T型槽构件组成，所述支承与所述第一半圆T型槽构件和所述第二半圆 T型槽构件之间由螺栓连接。
2. 根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件按周向 对称形式分布于所述支承组件上，所述转子组件绕轴线自转，并且绕所述支承组件的几何 形心公转，同时与所述定子组件保持纯滚动接触。
3. 根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件按分组 对称形式分布于所述支承组件上。
4. 根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件按径向 对称形式分布于所述支承组件上。
5. 根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件按径向 二分组形式分布于所述支承组件上。
6. 根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述转子组件均匀分 布时，所述永磁压电能量收集装置的振动和电压输出规律为： (1) 若1NS = qNm，则激起扭转振动，柔体振动波数为1NS，同时激起1阶谐波电压； (2) 若1NS = qNm±l，则激起平移振动，柔体振动波数为1NS±1，同时抑制1阶谐波电 压； (3) 若为其它参数组合，则抑制刚体扭转及平移振动，同时激起其它波数的柔体振动， 还将抑制1阶谐波电压。
7. 根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述第一磁钢和所述 第二磁钢所采用倾斜或分段设计。
8. 根据权利要求1所述的永磁压电能量收集装置，其特征在于，所述定子磁钢的内侧 和所述转子磁钢的外侧采用相同的曲率设计。
【文档编号】H02N2/18GK104158438SQ201410423833
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】王世宇, 谢帮, 赵志福, 王尧尧, 张东升 申请人:天津大学