一种摆-转一体的压电-电磁发电机

1.本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种摆-转一体的压电-电磁发电机，用于收集车船等交通工具的振动能、风能及波浪能。


背景技术：

[0002][0003]
实际上，为满足微功率电子产品、远程传感及埋植监测系统等的供电需求、避免大量废弃电池污染环境，基于电磁、摩擦及压电等原理的微小型发电机或俘能器的研究早已经成为国内外的前沿热点。在利用各种原理构造微型发电机方面，国内外均有较多专利申请，能量来源涉及环境中的振动能、风及波浪等流体能、旋转动能及人体运动能等多发面。总体上讲，目前所开发的发电机大都针对某一单一能源开发的，如旋转发电机、振动发电机、风力发电机及波浪发电机等。尽管能源形式不同，但大多发电机的工作原理最终都可归结到振动发电机的范畴，如车载振动发电机、船载振动发电机、涡激振动的水流和风力发电机及波浪发电机等。人们之所以将发电机定义到具体的能源形势，是因为现在的发电机不具通用性，结构确定或出厂后只能适于特定或单一的环境条件，如单一的振动方向与振动强度、单纯的高频或低频、较窄的带宽。因此，急需开发出具有高可靠性、能源类型及环境条件适应性强、体积能量密度大的新型发电机。


技术实现要素：

[0004]
一种摆-转一体的压电-电磁发电机，主要包括机座、立柱、由半壳一和半壳二构成的动子、滚珠、螺杆、耦合器、压电振子、传感器、碟簧、定子、电路板、线圈及磁体。
[0005]
半壳一和半壳二组装形成中空的动子，半壳一和半壳二的壳壁端部经粘接或螺纹连接构成动子；动子的内腔为球腔，半壳一和半壳二的结合面经过动子的中心，动子的中心是指其球腔中心；动子的外侧设有球环，球环的外表面与动子内腔球面同心；球环的外缘上设有上中下三组球切面，各组球切面均沿圆周方向均布，中间组的球切面的上下对称面为过动子中心的水平面；中间组的球切面与经过球切面中心及动子中心的水平面和铅垂面的相交长度相等；动子的下方设有端口和阶梯筒，端口和阶梯筒同轴。
[0006]
定子的定子壳壁为球壳，动子壳壁中镶嵌有线圈、定子壳壁中镶嵌有磁体，或动子壳壁中镶嵌有磁体、定子壳壁中镶嵌有线圈，线圈和磁体均沿球面均布；磁体和线圈均为直径相等的圆柱，线圈的数量不小于磁体的数量，两个相邻磁体间的最近距离不小于磁体的直径，两相邻线圈间的最近距离不大于线圈的直径；或，磁体和线圈均为锥角相等的圆台，磁体的数量不大于线圈的数量，两个相邻磁体的最近母线间的夹角不小于磁体的锥角，两相邻线圈的最近母线间的夹角不大于线圈的锥角；各线圈经整流器并联，即每个线圈的两个接线头都经单独的整流器输出；动子壳壁及定子壳壁均由轻质高分子材料经注塑工艺加工而成，线圈和磁体在注塑过程中分别嵌入动子壳壁或定子壳壁中。
[0007]
动子壳壁内侧或定子壳壁的外侧设有两组球窝，球窝的底部为球腔，各组中的球
窝均沿圆周方向均布，球窝均布在相对其所在壳壁中心的两个对称的切平面上，切平面与动子下方端口的轴线垂直；同一组的球窝中心与其所在壳壁的中心连线所在的锥面的锥角为q=30~60度。
[0008]
压电振子由基片和压电片粘接而成，基片的一端设有凸块，凸块为基片自身弯折形成的框架或通过粘接增设垫块，凸块上与基片平行的表面形状为长方形或正方形。
[0009]
传感器是一组由电极片和压电膜粘接而成的扇形压电悬臂梁，电极片的根部相互连接构成电极环，电极片向电极环的上方折弯，压电膜粘接在电极片的下方。
[0010]
定子经立柱安装在机座的棱台上，立柱上下两端分别经螺纹与定子壳壁和机座的棱台连接，机座的棱台的轴截面为正多边形，正多边形的边数与动子中每组的球切面的数量相等；动子套在定子上，动子可绕定子自由转动或摆动；动子下方的阶梯筒外侧经螺钉安装有电路板，阶梯筒与机座之间设有传感器和碟簧，传感器和碟簧都套在立柱上，碟簧的大径端安装在阶梯筒上、小径端顶靠在机座上；传感器的电极环经螺钉安装在机座上，电极片位于电极环的上方，电极片顶靠在动子的阶梯筒上；传感器用于测量动子的转动方向和角度。
[0011]
定子壳壁与动子壳壁间设有滚珠，滚珠嵌于定子壳壁或动子壳壁上的球窝内，定子壳壁与动子间经滚珠相接触，滚珠的作用是减小动子和定子间的摩擦力，提高动子的转动灵活性。
[0012]
多组压电振子经螺钉和垫片安装在机座的棱台上，压电振子的一端安装在棱台外侧面上，压电振子上的凸块顶靠在与其相邻的同组压电振子的基片上或动子的球切面上，与动子的球切面相接触的凸块表面为正方形，且所述球切面与所述凸块的中心重合。
[0013]
线圈与磁体构成电磁发电单元，压电振子构成压电发电单元。
[0014]
耦合器经螺杆安装在动子的顶部，耦合器的结构形式与所收集环境能的形式有关：收集风能时，耦合器由钝体和飘带构成；收集振动能和波浪能时，耦合器仅为钝体，钝体为结构对称或不对称的惯性块，不对称的惯性块是指惯性块平面结构相对动子的中心不对称，如长方形的质量块非对称安装，采用不对称的惯性块时可用于收集包括纵振在内的任意方向的振动能量，采用对称的惯性块不适于收集单纯的纵振能量。
[0015]
非工作的自然状态下，即环境中无振动时，立柱与螺杆同轴，同组压电振子中的凸块与其相邻压电振子的基片或球切面接触、压电振子无弯曲变形，传感器与动子的阶梯筒接触但无相互作用力，线圈与其距离最近的相邻磁体同轴，线圈与其相邻的磁体同轴是指二者的轴线重叠。
[0016]
机座受环境振动激励或耦合器受风力作用时，动子与定子产生相对的往复摇摆或振动，且：动子的球切面与压电振子的凸块的接触位置变化，压电振子发生弯曲变形并将机械能转换成电能，压电发电单元发电，凸块的中心与球切面间的棱边接触时压电片上的应力小于其许用应力；磁体和线圈产生往复的相对运动，线圈切割磁力线并将机械能转换成电能，电磁发电单元发电；传感器的某一或某些压电悬臂梁变形或变形量发生变化，产生电信号；上述各个发电单元及传感器所生成的电能或电信号经转换处理后输送给电路板。
[0017]
本发明中，耦合器、螺杆、动子、压电振子、碟簧及传感器构成振动系统，相关要素确定后通过耦合器的质量和碟簧的刚度调节系统固有频率，即，式中：ζ
为阻尼比，r和k分别为碟簧的大端半径和等效弯扭刚度，r和m分别为耦合器的质心到定子中心的距离和耦合器的质量，λ和η为与其它要素相关的修正系数。
[0018]
本发明中，需要根据使用环境条件进行必要的封装处理，用于海浪能收集时需进行完全的封装且需经绳索悬置海水中。
[0019]
优势与特色：可收集振动能、风能、波浪能等多种形式的能源；环境能量的方向适应性强，以实现转动和摆动发电，用于收集任意方向振动能、风能及波浪能；系统频率易于通过刚度或质量设计或调解获得，有效频带宽；压电与电磁两种发电方法相互结合，结构简单、压电振子激励幅值受控，可靠性及体积能量密度高。
附图说明
[0020]
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面示意图；图2是图1的x-x剖视图；图3是本发明一个较佳实施例中动子结构示意图；图4是图3的z-z剖面图；图5是本发明一个较佳实施例中定子的结构示意图；图6是本发明一个较佳实施例中带折边的压电振子结构示意图；图7是图6的俯视图；图8是本发明一个较佳实施例中带垫块的压电振子结构示意图；图9是图8的俯视图；图10是本发明一个较佳实施例中传感器的结构剖面示意图；图11是图10的仰视图。
具体实施方式
[0021]
一种摆-转一体的压电-电磁发电机，主要包括机座a、立柱b、由半壳一d和半壳二c构成的动子y、滚珠e、螺杆f、耦合器g、压电振子i、传感器j、碟簧k、定子m、电路板p、线圈s及磁体t。
[0022]
半壳一d和半壳二c组装形成中空的动子y，半壳一d和半壳二c的壳壁端部经粘接或螺纹连接构成动子y；动子y的内腔为球腔，半壳一d和半壳二c的结合面经过动子y的中心，动子y的中心是指其球腔中心；动子y的外侧设有球环y1，球环y1的外表面与动子内腔球面同心；球环y1的外缘上设有上中下三组球切面y2，各组球切面y2均沿圆周方向均布，中间组的球切面y2的上下对称面为过动子y中心的水平面；中间组的球切面y2与经过球切面y2中心及动子y中心的水平面和铅垂面的相交长度相等；动子y的下方设有端口y3和阶梯筒y4，端口y3和阶梯筒y4同轴。
[0023]
定子m的定子壳壁m1为球壳，定子壳壁m1中镶嵌有磁体t、动子y的壳壁中镶嵌有线圈s，或定子壳壁m1中镶嵌有线圈s、动子y的壳壁中镶嵌有磁体t，线圈s和磁体t均沿球面均布；磁体t和线圈s均为直径相等的圆柱，线圈s的数量不小于磁体t的数量，两个相邻磁体t间的最近距离不小于磁体t的直径，两相邻线圈s间的最近距离不大于线圈s的直径；或，磁体t和线圈s均为锥角相等的圆台，磁体t的数量不大于线圈s的数量，两个相邻磁体t的最近母线间的夹角不小于磁体t的锥角，两相邻线圈s的最近母线间的夹角不大于线圈s的锥角；
各线圈s经整流器并联，即每个线圈s的两个接线头都经单独的整流器输出；动子y的壳壁及定子壳壁m1均由轻质高分子材料经注塑工艺加工而成，线圈s和磁体t在注塑过程中分别嵌入动子y的壳壁或定子壳壁m1中。
[0024]
动子y的壳壁内侧或定子壳壁m1的外侧设有两组球窝q，球窝q的底部为球腔，各组中的球窝q均沿圆周方向均布，球窝q均布在相对其所在壳壁中心的两个对称的切平面s1和s2上，切平面s1和s2与动子y下方端口y3的轴线垂直；同一组的球窝q中心与其所在壳壁的中心连线所在的锥面的锥角为q=30~60度。
[0025]
压电振子i由基片i1和压电片i2粘接而成，基片i1的一端设有凸块，凸块为基片i1自身弯折形成的框架i3或通过粘接增设垫块i3’，凸块上与基片i1平行的表面形状为长方形或正方形。
[0026]
传感器j是一组由电极片j1和压电膜j2粘接而成的扇形压电悬臂梁，电极片j1的根部相互连接构成电极环j0，电极片j1向电极环j0的上方折弯，压电膜j2粘接在电极片j1的下方。
[0027]
定子m经立柱b安装在机座a的棱台a1上，立柱b上下两端分别经螺纹与定子壳壁m1和机座a的棱台a1连接，机座a的棱台a1的轴截面为正多边形，正多边形的边数与动子y中每组的球切面y2的数量相等；动子y套在定子m上，动子y可绕定子m自由转动或摆动；动子y上经螺钉安装有电路板p，动子y下方的阶梯筒y4与机座a之间设有传感器j和碟簧k，传感器j和碟簧k都套在立柱b上，碟簧k的大径端安装在阶梯筒y4上、小径端顶靠在机座a上；传感器j的电极环j0经螺钉安装在机座a上，电极片j1位于电极环j0的上方，电极片j1顶靠在动子y的阶梯筒y4上；传感器j用于测量动子y的转动方向和角度。
[0028]
定子壳壁m1与动子y的壳壁间设有滚珠e，滚珠e嵌于定子壳壁m1或动子y的壳壁上的球窝q内，定子壳壁m1与动子y间经滚珠e相接触，滚珠e的作用是减小动子y和定子m间的摩擦力，提高动子y的转动灵活性。
[0029]
多组压电振子i经螺钉和垫片h安装在机座a的棱台a1上，压电振子i的一端安装在棱台a1外侧面上，压电振子上的凸块顶靠在与其相邻的同组压电振子i的基片i1上或动子y的球切面y2上，与动子y的球切面y2相接触的凸块表面为正方形，且所述球切面y2与所述凸块的中心重合。
[0030]
线圈s与磁体t构成电磁发电单元，压电振子i构成压电发电单元。
[0031]
耦合器g经螺杆f安装在动子y的顶部，耦合器g的结构形式与所收集环境能的形式有关：收集风能时，耦合器g由钝体g1和飘带g2构成；收集振动能和波浪能时，耦合器g仅为钝体g1，钝体g1为结构对称或不对称的惯性块，不对称的惯性块是指惯性块平面结构相对动子y的中心不对称，如长方形的质量块非对称安装，采用不对称的惯性块时可用于收集包括纵振在内的任意方向的振动能量，采用对称的惯性块不适于收集单纯的纵振能量。
[0032]
非工作的自然状态下，即环境中无振动时，立柱b与螺杆f同轴，同组压电振子i中的凸块与其相邻压电振子i的基片i1或球切面y2接触、压电振子i无弯曲变形，传感器j与动子y的阶梯筒y4接触但无相互作用力，线圈s与其距离最近的相邻磁体t同轴，线圈s与其相邻的磁体t同轴是指二者的轴线重叠。
[0033]
机座a受环境振动激励或耦合器g受风力作用时，动子y与定子m产生相对的往复摇摆或振动，且：动子y的球切面y2与压电振子i的凸块i4的接触位置变化，压电振子i发生弯
曲变形并将机械能转换成电能，压电发电单元发电，凸块i4的中心与球切面y2间的棱边接触时压电片i2上的应力小于其许用应力；磁体t和线圈s产生往复的相对运动，线圈s切割磁力线并将机械能转换成电能，电磁发电单元发电；传感器j的某一或某些压电悬臂梁变形或变形量发生变化，产生电信号；上述各个发电单元及传感器j所生成的电能或电信号经转换处理后输送给电路板p。
[0034]
本发明中，耦合器g、螺杆f、动子y、压电振子i、碟簧k及传感器j构成振动系统，相关要素确定后通过耦合器g的质量m和碟簧k的刚度k调节系统固有频率，即，式中：ζ为阻尼比，r和k分别为碟簧k的大端半径和等效弯扭刚度，r和m分别为耦合器g的质心到定子m中心的距离和耦合器g的质量，λ和η为与其它要素相关的修正系数。
[0035]
本发明中，需要根据使用环境条件进行必要的封装处理，用于海浪能收集时需进行完全的封装且需经绳索悬置海水中。