CN106160572B - 一种旋磁激励的径向伸缩式压电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋磁激励的径向伸缩式压电发电机，属压电发电领域。车架内外凸台上的导槽处均装有压块，销轴内半轴端部安装的被激磁铁及外半轴端部分别置于内外导导槽内；压电振子金属基板两端固定在压块上、中间固定在销轴轴台上；压电振子安装后由原来的平直结构变成弯曲结构、压电晶片承受压应力；装有转子的轮轴安装在车架上，转子圆周上镶嵌有激励磁铁。优势特色：将平直压电振子安装成弯曲结构，形成伸缩式发电机，结构及制作工艺简单、成本低；压电晶片受范围可控的压应力、可靠性高，所需轴向空间小。

Description

一种旋磁激励的径向伸缩式压电发电机

技术领域

本发明属于轨道交通监测及压电发电技术领域，具体涉及一种旋磁激励的径向伸缩式压电发电机。

背景技术

铁路列车及地铁等轨道交通运输系统承载着国民经济命脉，而轨道车辆轮对是确保轨道车辆安全运行的关键。以往，轨道车辆轮对等关键运转部件的健康状况是以定期维护、检修加以保障的；随着车辆运行速度的不断提高以及人们安全意识的提升，车辆运行期间轮对的实时在线监测技术研究受到了国内外学者的广泛关注，所需监测要素包括轴及轴承的温度、转速、动态刚度、磨损及振动等诸多方面。

对于轮对监测系统而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在轮对上或靠近轮对安装，从而实现其运行状态的直接在线监测；但这种监测方案因无法为传感监测系统的提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，原因在于：①轮系处于运动状态、且轮系与车厢间存在高频颠簸振动，采用电缆供电时可靠性低、且货运车厢本身也无配电系统；②如采用电池供电，因电池使用寿命有限而需经常更换，当电池电量不足而未及时更换时将无法实现有效的监测、甚至造成严重的安全隐患。限于传感监测系统的能源供应问题，目前实际中依然普遍采用非实时的、间接的测量方法，即将传感监测系统至于路基之上，不随车体移动或不随轮轴转动。

为解决轮对实时监测系统的供电问题、实现真正意义上的在线监测，国内外学者提出了可与监测系统集成的微小型压电发电机，如中国专利201210318784.3及201210320165.8等。现有的各种压电发电装置的共同特点是通过轴向激励发电的、且工作中压电晶片承受交变的拉压应力，故不适于轴向空间受限的场合、拉应力过大时会破裂损毁。

发明内容

针对现有轨道车辆轴承监测系统所面临的供电难题、以及现有压电发电装置可靠性低的实际情况，本发明提出一种旋磁激励的径向伸缩式压电发电机。本发明采用的实施方案是：车架的外凸台上设有外导槽、内凸台上设有内导槽，内外导槽处分别经螺钉安装有压块；轴台将销轴分成内半轴和外半轴，外半轴上套有碟形弹簧、外半轴端部置于外导槽内，外半轴将碟形弹簧压在外凸台上；内半轴端部安装有受激磁铁，受激磁铁上套有碟形弹簧，受激磁铁将碟形弹簧压在内凸台上；压电振子的金属基板两端固定在压块上、中间固定在轴台上；压电振子装配前为平直结构、安装后变为弯曲结构，安装后压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径、压电晶片承受压应力；压电振子置于轴台两侧的部分分别构成内发电单元和外发电单元；车架上经轴承安装有轮轴，轮轴上安装有转子，转子圆周上镶嵌有激励磁铁；激励磁铁和受激磁铁的对称中心在同一轴截面上；内发电单元、外发电单元及转子置于壳体内部，壳体经螺钉固定在车架上。

正常工作且当激励磁铁与受激磁铁间距离最远、相互作用力最小时，销轴在销轴及激励磁铁重力、激励磁铁与受激磁铁间磁力作用下处于平衡状态，内发电单元和外发电单元中压电振子的受力状态与安装后非工作时的状态相同、碟形弹簧不受外力作用，压电晶片所受的压应力为其许用值的一半；随着转子转动，激励磁铁和受激磁铁间的距离缩短、作用力增加，销轴的平衡状态被破坏，内发电单元和外发电单元中压电振子的形状及压电晶片的受力状态都发生变化：内发电单元缩短、其内部压电晶片所受压应力增加时，外发电单元伸长、其内部压电晶片所受压应力减小；反之，当内发电单元伸长、其内部压电晶片所受压应力减小时，外发电单元缩短、其内部压电晶片所受压应力增加。在上述由于激励磁铁和受激磁铁间距发生变化使内外发电单元交替伸长与缩短过程中，压电振子最大伸长量和缩短量受内外凸台间距离的限制，受拉发电单元中碟形弹簧被压死时压电振子未被拉平，压电晶片不会承受拉应力、且所承受的最大压应力可控，可靠性高。

优势与特色：①将平直压电振子变成弯曲结构，制作工艺简单、成本低；②压电晶片仅工作在压应力状态下、且压应力范围可控，可靠性高；③通过径向拉的方法压激励压电振子，所需轴向空间小、无需改变现有轮对结构。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面图；

图2是图1的B-B视图；

图3是图1的A部放大图；

图4是本发明一个较佳实施例中车架的结构示意图；

图5是图4的左视图。

具体实施方式

车架c上设有外凸台c1和内凸台c3，外凸台c1上设有外导槽c2，内凸台c3上设有内导槽c4，外凸台c1上的外导槽c2处和内凸台c3上的内导槽c4处分别经螺钉安装有压块k；轴台d1将销轴d分成内半轴d3和外半轴d2，外半轴d2上套有碟形弹簧e、外半轴d2端部置于外凸台c1上的外导槽c2内，外半轴d2将碟形弹簧e压在外凸台c1上；内半轴d3端部安装有受激磁铁h，受激磁铁h上套有碟形弹簧e，受激磁铁h将碟形弹簧e压在内凸台c3上；压电振子g由金属基板g1和压电晶片g2粘接而成，金属基板g1的两端经螺钉固定在压块k上、中间经螺钉固定在轴台d1上；压电振子g装配前的自然状态下为平直结构、安装后变为弯曲结构，安装后压电晶片g2的曲率半径小于金属基板g1的曲率半径、压电晶片承受压应力；压电振子g置于轴台d1两侧的部分分别构成内发电单元I和外发电单元II；车架c上经轴承b安装有轮轴a，轮轴a上经螺钉安装有转子i，转子i的圆周上镶嵌有激励磁铁j；激励磁铁j和受激磁铁h的对称中心在同一轴截面上；内发电单元I、外发电单元II及转子i置于壳体f内部，壳体f经螺钉固定在车架c上。

正常工作且当激励磁铁j与受激磁铁h之间距离最远、相互作用力最小时，销轴d在销轴d及激励磁铁j重力、激励磁铁j与受激磁铁h间磁力作用下处于平衡状态，内发电单元I和外发电单元II中压电振子g的受力状态与安装后非工作时的状态相同、碟形弹簧e不受外力作用，压电晶片g2所受的压应力为其许用值的一半；随着转子i转动，激励磁铁j和受激磁铁h间的距离缩短、作用力增加，销轴d的平衡状态被破坏，内发电单元I和外发电单元II中压电振子g的形状及压电晶片g2的受力状态都将发生变化：内发电单元I缩短、其内部压电晶片g2所受压应力增加时，外发电单元伸长、其内部压电晶片g2所受压应力减小；反之，当内发电单元I伸长、其内部压电晶片g2所受压应力减小时，外发电单元II缩短、其内部压电晶片g2所受压应力增加；在上述由于激励磁铁j和受激磁铁h间距发生变化使内发电单元I和外发电单元II交替伸长与缩短过程中，压电振子g最大的伸长量和缩短量受外凸台c1和内凸台c3间距离L2的限制，受拉发电单元中碟形弹簧e被压死时压电振子g未被拉平，压电晶片g2不会承受拉应力、且所承受的最大压应力可控，可靠性高。

Claims (1)

1.一种旋磁激励的径向伸缩式压电发电机，其特征在于：车架外凸台上设有外导槽、内凸台上设有内导槽，内导槽和外导槽处分别安装有压块；轴台将销轴分成内半轴和外半轴，外半轴上套有碟形弹簧、外半轴端部置于外导槽内，外半轴将碟形弹簧压在外凸台上；内半轴端部安装有受激磁铁，受激磁铁上套有碟形弹簧，受激磁铁将碟形弹簧压在内凸台上；压电振子的金属基板两端固定在压块上、中间固定在轴台上；压电振子装配前为平直结构、安装后变为弯曲结构，安装后压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径、压电晶片承受压应力；压电振子置于轴台两侧的部分分别构成内发电单元和外发电单元；车架上经轴承安装有轮轴，轮轴上安装有转子，转子圆周上镶嵌有激励磁铁；激励磁铁和受激磁铁的对称中心在同一轴截面上；内发电单元、外发电单元及转子置于壳体内部，壳体经螺钉固定在车架上；正常工作且当激励磁铁与受激磁铁间相互作用力最小时，内发电单元和外发电单元中压电振子的受力状态与安装后非工作时的状态相同、碟形弹簧不受外力作用，压电晶片所受的压应力为其许用值的一半；激励磁铁和受激磁铁间距发生变化使内发电单元和外发电单元交替伸长与缩短的过程中，压电振子最大伸长量和缩短量受内凸台和外凸台间距离的限制，受拉发电单元中碟形弹簧被压死时压电振子未被拉平，压电晶片不会承受拉应力。