一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机制造技术

本发明专利技术涉及一种旋转激励的摆动式摩擦‑压电发电机，属新能源技术领域。主要包括摆圈、定圈、滚动体、转轴、复合梁、压电振子和壳体：转轴的主轴左端设有副轴，定圈装在副轴上，摆圈套在定圈上；主轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈的外缘上的凸块两侧装有壳体，一条复合梁的两端及两对压电振子的一端压接在两个壳体的上底壁或下底壁之间，压电振子位于复合梁的两侧；复合梁由梁基板与其两侧的摩擦层构成，压电振子由振子基板与其一侧所粘接的压电片构成，振子基板靠近复合梁的摩擦层安装；复合梁中间处的两侧装有惯性块，壳体侧壁中心处镶嵌有缓冲垫；振子基板和压电片构成压电发电单元，振子基板和复合梁构成摩擦发电单元。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机
本专利技术属于新能源与能量回收
，具体涉及一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机，用于流体涡轮发电机及旋转轴等能量的收集。
技术介绍
近年来，高层建筑物、桥梁、大型与高速旋转机械的实时健康传感监测技术已被广泛应用。此外，用于河流水质污染、防洪预警及大气污染等方面的监测已受到国家相关部门的高度重视，国内专家学者相继提出了相应的监测方法和手段，如针对河水污染的水质监测技术、针对洪水及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术。同时，为实现各类监测系统的自供电和免维护，人们已着手研制用于不同类型监测系统的微小型发电机。目前研究较多的微小型发电机包括压电、电磁和摩擦原理的三类，每种微小型发电机都有其自身的特点和应用领域。从实际应用的角度，目前所提出的各类发电机仍面临较多的技术瓶颈，较普遍的共性问题归纳如下：①发电能力及单位体积能量密度较低，②环境适应性有限，即对流体流速、振动频率及旋转体转速的适应能力低，③可靠性低，如压电陶瓷易因环境振动强度过大而损毁、滑动摩擦发电机易因摩擦副间摩擦磨损而失效，④存在电磁干扰，如电磁发电机、基于磁耦合辅助激励的非线性压电及摩擦发电机工作时都存在一定的磁场。当然，目前还很难在同一种发电机中把上述各种问题都加以解决。单纯的压电发电机和摩擦发电机的共性特点是无电磁干扰，故更适于无线传感监测系统，其各自的发电能力、可靠性及环境适应性都有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术提出一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机，本专利技术采用的实施方案是：本专利技术所提出的发电机主要包括摆圈、定圈、滚动体、转轴、复合梁、压电振子和壳体。转轴由法兰、主轴和副轴构成，转轴的主轴右端设有法兰、左端设有副轴，定圈经挡片及螺钉安装在副轴上，摆圈经滚动体套在定圈上，滚动体为滚珠或圆柱；主轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈轴线是指摆圈的内孔轴线且与滚动体回转中心线及定圈的外圆柱面的轴线重合；副轴为斜轴时，副轴与主轴在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈轴线与定圈内孔轴线及副轴的轴线重合；副轴为平轴时，定圈的内孔轴线与主轴线重合，定圈的内孔轴线与外圆柱面轴线间的夹角为轴倾角。摆圈的外缘上设有凸块，凸块宽度方向的对称中心面与摆圈轴线垂直、与滚动体在摆圈宽度方向上的对称中心面重合；凸块两侧经螺钉安装有壳体，一条复合梁的两端及两对压电振子的一端压接在两个壳体的上底壁或下底壁之间，压电振子位于复合梁的两侧，壳体、压电振子及复合梁通过螺钉连接。复合梁由梁基板与其两侧的摩擦层构成，摩擦层材料为聚氯乙烯、聚四氟乙烯等，梁基板材料为金属；压电振子由振子基板与其一侧所粘接的压电片构成，振子基板靠近复合梁的摩擦层安装；梁基板和振子基板的夹持部分之间作绝缘处理，如涂绝缘漆或设有与摩擦层厚度相同的绝缘垫；复合梁中间处的两侧经螺钉安装有惯性块，壳体的侧壁的中心处镶嵌有缓冲垫，惯性块与缓冲垫对齐安装；复合梁、压电振子及惯性块构成振动系统。压电振子的振子基板和压电片构成压电发电单元，复合梁与其两侧的压电振子构成摩擦副，振子基板和复合梁构成摩擦发电单元，振子基板和梁基板为摩擦发电单元的两个电极；压电发电单元和摩擦发电单元经不同的导线组与电路板连接，电路板经螺钉安装在壳体上。本专利技术的发电机可与涡轮式微小型流体发电机、大型风力发电机、机床及车辆等的机械设备主轴相连，用于收集流体能和旋转机械的动能发电，此时转轴与机械设备主轴连接；用于构造涡轮式流体发电机收集风及水流能时，转轴的端部需经螺钉安装有一组叶片，叶片的功能是将流体运动转换成旋转运动。工作中，定圈随转轴转动，摆圈、壳体、复合梁及压电振子在其自身惯性力的作用下不随转轴转动，但绕摆圈的几何对称中心作往复轴向摆动；摆圈摆动时，复合梁受惯性块的作用弯曲变形并使其一侧的压电振子靠近与其相邻的壳体，复合梁另一侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，远离与其相邻的壳体；压电振子往复弯曲变形及振子基板与摩擦层之间交替地接触与分离的过程中将机械能转换成电能；压电振子发生弯曲变形并将机械能转换成电能的过程称为压电发电，所利用的是压电材料的正压电效应；振子基板与摩擦层接触分离并将机械能转换成电能的过程称为摩擦发电，利用的是摩擦电效应，故本专利技术的发电机为摩擦发电与压电发电所构成的发电机。摩擦发电的原理是：振子基板与摩擦层接触时其内表面感应出符号相反的电荷，两表面分离并形成一定间隙时便产生电势差，振子基板和梁基板经负载连通时即产生电流；振子基板和摩擦层再度分离时摩擦电荷所形成的电势差消失，电子会回流到原来的电极；压电发电单元和摩擦发电单元独立输出，振子基板和压电片表面的金属镀层构成压电发电单元的一对电极，振子基板和复合梁的梁基板构成摩擦发电单元的一对电极，压电发电单元及两个摩擦发电单元经整流器分别与电路板相连。发电机的激励与复位过程如下：①摆圈带动复合梁及压电振子向右摆动时，复合梁在惯性块惯性力的作用下向左弯曲变形并使其左侧的压电振子靠近与所述压电振子相邻的壳体；同时，右侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，与其相邻的复合梁的摩擦层的表面逐渐脱离；当主轴线、摆圈轴线及复合梁与压电振子宽度方向的对称中心处于同一铅垂面内时：主轴线与摆圈轴线在铅垂面内的夹角为轴倾角，左侧压电振子变形量达到最大、振子基板与复合梁的摩擦层完全贴合；右侧压电振子与复合梁表面完全脱离，右侧压电振子变形量最小或无变形。②随转轴的继续转动，左侧压电振子变形量逐渐减小并与复合梁表面脱离，右侧压电振子与复合梁的表面逐渐接触、变形量逐渐增加；转轴转过180度时，主轴线、摆圈轴线及复合梁和压电振子宽度方向的对称中心再度处于同一铅垂面内，右侧的压电振子与复合梁的表面完全贴合且变形量达到最大；左侧的压电振子在其自身弹性力的作用下复位，左侧压电振子的振子基板与其相邻的复合梁的摩擦层脱离接触。本专利技术中，为避免压电振子因变形量过大而损毁，压电振子变形量达到需用值时惯性块与缓冲垫接触，为降低惯性块与缓冲垫的接触冲击强度或避免接触冲击，发电机的几何参数间的关系为：其中：Q为轴倾角，r为惯性块的摆动半径，l为惯性块与其两侧缓冲垫间的距离之和，ζ、m、k分别为摆动系统的阻尼比、等效质量和等效刚度，n为转轴转速。为确保压电片不致因应力过大而损毁，压电振子变形量应小于其许用值δ*，压电片和振子基板等厚度时，其中：h为振子基板厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为振子基板和压电片的杨氏模量，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：将压电发电与摩擦发电有机结合，结构及激励过程简单、无电磁干扰，单位体积能量密度大、发供电电能力强；压电振子变形量及摩擦副接触力由结构尺寸决定，压电发电单元中压电振子最大变形量恒定、避免压电振子因变形过大损毁，摩擦发电单元通过接触-分离方式发电、避免滑移运动所造成的表面摩擦磨损，可靠性高、有效频带宽、转速适应性强。附图说明图1是本专利技术一个较佳实施例中转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机，主要包括摆圈、定圈、滚动体、转轴、复合梁、压电振子和壳体，其特种在于：转轴的主轴左端设有副轴、右端设有法兰，定圈装在副轴上，摆圈套在定圈上；主轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈的外缘上的凸块两侧装有壳体，一条复合梁的两端及两对压电振子的一端压接在两个壳体的上底壁或下底壁之间，压电振子位于复合梁的两侧；复合梁由梁基板与其两侧的摩擦层构成，压电振子由振子基板与其一侧所粘接的压电片构成，振子基板靠近复合梁的摩擦层安装；梁基板和振子基板的夹持部分之间作绝缘处理；复合梁中间处的两侧装有惯性块，壳体的侧壁的中心处镶嵌有缓冲垫；复合梁、压电振子及惯性块构成振动系统；压电振子的振子基板和压电片构成压电发电单元，振子基板和复合梁构成摩擦发电单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种旋转激励的摆动式摩擦-压电发电机，主要包括摆圈、定圈、滚动体、转轴、复合梁、压电振子和壳体，其特种在于：转轴的主轴左端设有副轴、右端设有法兰，定圈装在副轴上，摆圈套在定圈上；主轴线与摆圈轴线在同一平面内的夹角为轴倾角，摆圈的外缘上的凸块两侧装有壳体，一条复合梁的两端及两对压电振子的一端压接在两个壳体的上底壁或下底壁之间，压电振子位于复合梁的两侧；复合梁由梁基板与其两侧的摩擦层构成，压电振子由振子基板与其一侧所粘接的压电片构成，振子基板靠近复合梁的摩擦层安装；梁基板和振子基板的夹持部分之间作绝缘处理；复合梁中间处的两侧装有惯性块，壳体的侧壁的中心处镶嵌有缓冲垫；复合梁、压电振子及惯性块构成振动系统；压电振子的振子基板和压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚君武，张李，寇福兵，王淑云，曹红兵，龙蛟，曾平，吴鸣，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33