一种寄生式旋转压电俘能器的制作方法

本发明属于新能源与能量回收技术领域，具体涉及一种寄生式旋转压电俘能器，用于风力发电机及矿山机械等大型轴类元件的能量收集。

背景技术：

近年来，随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在机床、风力发电机及车辆轴系等旋转类健康监测系统应用的普及，为其提供持续能源供应的微小型俘能器的研究受到国内外学者的广泛关注。目前已提出的微小型俘能器基本都是基于电磁原理和压电原理的，因压电式俘能器发电过程中不会产生电磁干扰，更适用于无线网络节点等无线系统。现有利用薄片型压电振子构造的旋转俘能器主要有：惯性激励式、拨动式和旋磁激励式三大类，其中：惯性激励式俘能器仅能用于低速场合，转速高时压电振子不能产生变向弯曲变形发电，甚至会因弯曲变形量过大而损坏；拨动式俘能器存在接触冲击和噪音，高转速时会因冲击过大损毁；旋磁激励式俘能器可有效避免前两类俘能器的缺陷，但有效频带窄，仅能在有限的转速范围内输出较大的电压且存在电磁干扰；最关键的是，大多数拨动式和旋磁激励式俘能器需要固定的支撑部件用于实现与旋转体的相对转动，无法用于无固定支撑的悬臂轴端部，且因压电俘能器自身体积较小、远远小于旋转体径向尺寸，故不适于风力发电机及工程机械等大型旋转件的能量回收。

技术实现要素：

本发明提出一种寄生式旋转压电俘能器，本发明采用的实施方案是：所提出的寄生式旋转压电俘能器置于旋转轴端部的空腔内，俘能器主要包括吊架、配重块、吊环、半轴、激励环及压电振子等。

吊架的两个吊耳经两个立板安装在带有配重块的横板上，横板上设有楔块，楔块的两个斜面对称配置；两个吊耳上设有同轴的吊架孔，两个吊耳之间的留有吊架槽，两个立板与横板构成吊架腔。

吊架的吊架孔套在半轴上，吊架与半轴可相对转动，吊架孔与半轴之间可设置滚动体以减小摩擦；激励环的内孔套在半轴上，激励环位于两个吊耳间的吊架槽内，激励环经平键固定在半轴上，激励环随半轴转动；激励环的内孔轴线与外圆柱轴线平行但不重合；挡片经螺钉安装在半轴端部，挡片的功能是限制吊架轴向移动。

吊环的吊环孔套在激励环上，吊环的吊臂两侧经压条和螺钉安装有压电振子，压电振子的平面与吊环孔的轴线垂直；压电振子由压电片和基板粘接而成，两个压电振子的基板相对安装，压电振子自由端顶靠在楔块的斜面上；压电振子经导线与吊架的立板上的电路板相连。

吊架的两个吊耳之间或两个立板之间安装有挡销，挡销的功能是限制吊环的摆动范围，防止吊环随半轴转动。

本发明的寄生式旋转压电俘能器作为独立的部件用于旋转体能量回收。旋转轴的端部设有空腔，俘能器置于旋转轴端部的空腔内，半轴的法兰经螺钉安装在旋转轴上，半轴与旋转轴的轴线重合；当激励环的内孔轴线和外圆柱轴线处于同一铅垂面内且外圆柱轴线位于内孔轴线的上方时，压电振子与楔块的斜面间接触但无相互作用力。

工作中，半轴及激励环随旋转轴转动，吊架及吊环在其自身及配重块的惯性力的作用下相对静止，激励环的外圆柱面迫使吊环相对半轴转动，吊环带动压电振子相对吊架上的楔块往复运动；因激励环的外圆柱面与吊环孔的表面间摩擦力的作用，吊环具有沿半轴转动方向偏转的趋势，偏转角度较大时吊环的吊臂会与挡销接触，从而避免吊环随半轴转动；激励环随半轴转动时，激励环的外圆柱轴线绕内孔轴线转动，亦即吊环孔的轴线绕半轴的轴线转动，转动半径为激励环的内孔轴线与外圆柱轴线间的距离。因此，半轴及激励环随旋转轴转动时，吊环及压电振子相对吊架及楔块作相对往复运动，压电振子相对楔块的纵向运动位移为激励环的内孔轴线和外圆柱轴线间距的两倍。压电振子相对楔块往复运动的过程中发生弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板上的转换电路处理后存储或输出。

本发明中，当激励环的内孔轴线和外圆柱轴线处于同一铅垂面内且外圆柱轴线位于内孔轴线的上方时，压电振子与楔块的斜面接触、吊环孔与楔块间的距离最长、压电振子的变形量为最小；此后，随半轴的转动，吊环孔与楔块间的距离逐渐缩短、压电振子因受楔块作用而产生的弯曲变形量逐渐增加；半轴转过180度时，激励环的内孔轴线和外圆柱轴线再度处于同一铅垂面内且外圆柱轴线位于内孔轴线下方，吊环孔与楔块间的距离最短、压电振子变形量为最大；此后，半轴再进一步转动时，吊环孔与楔块间的距离逐渐增加、压电振子变形量逐渐减小，半轴转过360度时压电振子的变形量再度降至最小，至此完成压电振子的一次完整激励。

俘能器上述工作过程中，压电振子的弯曲变形量大小仅由激励环的内孔轴线与外圆柱轴线间的距离和楔块的楔角决定、与半轴转速无关，故工作中压电振子因弯曲变形产生的电压在各转速下都是恒定的。

本发明中，压电振子弯曲变形时压电片始终承受压应力，为避免压电片因应力过大而损毁，合理的相关参数关系为0≤x≤δ^*/[2tg(q/2)]，其中：x为激励环的内孔轴线和外圆柱轴线的间距，δ^*为压电振子的许用变形量，q为楔块的楔角；基板和压电片厚度相等时h为基板的厚度，β＝em/ep，em和ep分别为基板i2和压电片i1的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，l为压电振子可弯曲部分的长度，η为与胶层厚度有关的修正系数。

优势与特色：俘能器寄生于旋转体的内部，结构及激励过程简单、无电磁干扰、无接触冲击和噪音；各转速下压电振子均为单向的等幅激励，压电片仅承受量值可控的压应力，故可靠性高、有效频带宽、发电与供电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器安装在旋转轴内部时的结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；

图3是图2的a-a剖视图；

图4是图2中半轴转过180度时的a-a剖视图；

图5是本发明一个较佳实施例中吊架的结构示意图；

图6是图5的b-b剖视图；

图7是本发明一个较佳实施例中吊环的结构示意图；

图8是图7的左视图。

具体实施方式

本发明所提出的寄生式旋转压电俘能器f置于旋转轴z端部的空腔内，俘能器f主要包括吊架a、配重块b、吊环c、半轴d、激励环e及压电振子i等。

吊架a的两个吊耳a3经两个立板a4安装在带有配重块b的横板a1上，横板a1上设有楔块a2，楔块a2的两个斜面a8对称配置；两个吊耳a3上设有同轴的吊架孔a7，两个吊耳a3之间的留有吊架槽a5，两个立板a4与横板a2构成吊架腔a6。

吊架a的吊架孔a7套在半轴d上，吊架a与半轴d可相对转动，吊架孔a7与半轴d之间可设置滚动体以便减小摩擦；激励环e的内孔套在半轴d上，激励环e位于两个吊耳a3间的吊架槽a5内，激励环e经平键f固定在半轴d上，激励环e与半轴d不能相对转动；激励环e的内孔轴线x1与外圆柱轴线x2平行但不重合；挡片h经螺钉安装在半轴d的端部，挡片h的功能是限制吊架a轴向移动。

吊环c的吊环孔c1套在激励环e的外圆柱面上，吊环c的吊臂c2的两侧经压条j和螺钉安装有压电振子i，压电振子i的平面与吊环孔c1的轴线垂直；压电振子i由压电片i1和基板i2粘接而成，两个压电振子i的基板i2相对安装，压电振子i自由端顶靠在楔块a2的斜面a8上；压电振子i经导线与吊架a的立板a4上的电路板p相连。

吊架a的两个吊耳a3之间或两个立板a4之间安装有挡销k，挡销k的功能是限制吊环c的摆动范围，防止吊环c随半轴d转动。

本发明的寄生式旋转压电俘能器可作为独立的部件用于旋转体能量回收。旋转轴z的端部设有空腔，俘能器f置于旋转轴z端部的空腔内，半轴d的法兰经螺钉安装在旋转轴z上，半轴d与旋转轴z的轴线重合；当激励环e的内孔轴线x1和外圆柱轴线x2处于同一铅垂面内且外圆柱轴线x2位于内孔轴线x1的上方时，压电振子i与楔块a2的斜面a8间接触但无相互作用力。

工作中，半轴d及激励环e随旋转轴z转动，吊架a及吊环c在其自身及配重块b的惯性力的作用下相对静止，激励环e的外圆柱面迫使吊环c相对半轴d转动，吊环c带动压电振子i相对吊架a上的楔块a2往复运动；由于激励环e的外圆柱面与吊环孔c1的表面间摩擦力的作用，吊环c具有沿半轴d转动方向偏转的趋势，偏转角度较大时吊环c的吊臂c2会与挡销k接触，从而避免吊环c随半轴d转动；激励环e随半轴d转动时，激励环e的外圆柱轴线x2绕内孔轴线x1转动，亦即吊环孔c1的轴线绕半轴d的轴线转动，转动半径为激励环e的内孔轴线x1与外圆柱轴线x2间的距离x。因此，半轴d及激励环e随旋转轴z转动时，吊环c及压电振子i相对吊架a及楔块a2作相对往复运动，压电振子i相对楔块a2的纵向运动位移为激励环e的内孔轴线x1和外圆柱轴线x2间距的两倍。压电振子i相对楔块a2往复运动的过程中发生弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板p上的转换电路处理后存储或输出。

本发明中，当激励环e的内孔轴线x1和外圆柱轴线x2处于同一铅垂面内且外圆柱轴线x2位于内孔轴线x1的上方时，压电振子i与楔块a2的斜面a8接触、吊环孔c1与楔块a2间的距离最长、压电振子i的变形量为最小；此后，随半轴d的转动，吊环孔c1与楔块a2间的距离逐渐缩短、压电振子i因受楔块a2作用而产生的弯曲变形量逐渐增加；半轴d转过180度时，激励环e的内孔轴线x1和外圆柱轴线x2再度处于同一铅垂面内且外圆柱轴线x2位于内孔轴线x1的下方，吊环孔c1与楔块a2间的距离最短、压电振子i的变形量为最大。此后，半轴d再进一步转动时，吊环孔c1与楔块a2间的距离逐渐增加、压电振子i的变形量逐渐减小，半轴d转过360度时压电振子i的变形量再度降至最小，至此完成压电振子i的一次完整激励。

俘能器上述工作过程中，压电振子i的弯曲变形量大小仅由激励环e的内孔轴线x1与外圆柱轴线x2间的距离x和楔块a2的楔角q决定、与半轴d的转速无关，故工作中压电振子i因弯曲变形产生的电压在各转速下都是恒定的。

本发明中，压电振子i弯曲变形时压电片始终承受压应力，为避免压电片因应力过大而损毁，合理的相关参数关系为0≤x≤δ^*/[2tg(q/2)]，其中：x为激励环e的内孔轴线x1和外圆柱轴线x2的间距，δ^*为压电振子i的许用变形量，q为楔块a2的楔角；基板i2和压电片i1厚度相等时h为基板i2的厚度，β＝em/ep，em和ep分别为基板i2和压电片i1的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，l为压电振子i可弯曲部分的长度，η为与胶层厚度有关的修正系数。