專利名稱：與螺旋槳主軸隨動的發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于螺旋槳健康監(jiān)測及壓電發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種與螺旋槳主軸隨動的發(fā)電裝置，以便為螺旋槳健康監(jiān)測系統(tǒng)提供實時的電カ供應(yīng)。
背景技術(shù)：
螺旋槳是飛機及輪船動力系統(tǒng)的核心部件，螺旋槳葉片、軸及軸承等的過度磨損或損毀都直接影響到飛機與輪船的安全行駛，嚴重時將造成毀滅性的空難或海難。以往，螺旋槳葉片、軸及軸承等關(guān)鍵運轉(zhuǎn)部件的健康狀況是以定期維護、檢修加以保障的，不僅周期長、費用高，同時也影響了飛機與輪船的正常運行。因此，國內(nèi)外目前均已提出進行螺旋槳的在線健康監(jiān)測與故障診斷，從而提高可靠性與安全性。對于螺旋槳葉片、軸及軸承等的監(jiān)測系統(tǒng)而言，理想的方法是使各類傳感及監(jiān)測系統(tǒng)與被測物隨動或靠近被測物安裝，以便實現(xiàn)其運行狀態(tài)的直接接觸測量。但實際中由于無法為與上述旋轉(zhuǎn)類構(gòu)件隨動的監(jiān)測系統(tǒng) 提供可靠、充足、便利的電カ供應(yīng)，這種較理想的接觸性在線監(jiān)測與故障診斷方案尚未得到廣泛的應(yīng)用。雖然旋轉(zhuǎn)式電磁發(fā)電機已很成熟、且已被廣泛應(yīng)用，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積及重量相對較大，難于與旋轉(zhuǎn)的螺旋槳主軸相集成。與之相比，薄片型壓電振子因結(jié)構(gòu)簡単、體積小、且便于與螺旋槳主軸集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供ー種與螺旋槳主軸隨動的發(fā)電裝置，以解決飛機及輪船螺旋槳接觸性在線監(jiān)測系統(tǒng)所面臨的供電難題，本發(fā)明所提出的發(fā)電裝置是基于螺旋槳主軸旋轉(zhuǎn)激勵的、且隨螺旋槳主軸旋轉(zhuǎn)，因此可以直接為隨螺旋槳轉(zhuǎn)動的監(jiān)測系統(tǒng)提供電力。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是軸承座側(cè)壁上鑲嵌有定磁鐵一和軸承；螺旋槳主軸通過軸承安裝在軸承座側(cè)壁上，所述螺旋槳主軸的花鍵上依次套有限位環(huán)一、壓電換能器和限位環(huán)ニ；所述的限位環(huán)一、壓電換能器和限位環(huán)二通過卡簧和擋圈壓接在螺旋槳主軸的軸肩上，且所述壓電換能器位于所述兩個限位環(huán)的凸曲面之間；所述壓電換能器由金屬基板上的懸臂梁和壓電晶片粘接而成，所述金屬基板中心處設(shè)有花鍵孔；ー對兒動磁鐵通過螺釘固定在所述金屬基板的懸臂梁的自由端、且所述兩個動磁鐵的異性磁極相對；磁鐵架的法蘭端通過螺釘固定在軸承座側(cè)壁上，在所述磁鐵架的底端內(nèi)側(cè)鑲嵌有定磁鐵ニ，且所述兩個相鄰的定磁鐵ニ的磁極配置方向相反；所述定磁鐵ー和定磁鐵ニ的數(shù)量相等、且其同性磁極相對安裝。不同于固定安裝的機床主軸等，飛機及輪船螺旋槳的主軸在繞其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動的同吋，還隨飛機或輪船運動，當飛機及輪船加速或減速運動時，壓電換能器在其自身及動磁鐵慣性力的作用下也會產(chǎn)生沿螺旋槳主軸軸線方向的彎曲變形，故此本發(fā)明采用ー對兒限位環(huán)限制壓電換能器的彎曲變形量；此外，當壓電換能器在磁力的作用下完全貼靠在所述限位環(huán)的凸曲面上時，具有最大的發(fā)電能力。為確保壓電換能器不因變形過大而損毀、且具有最大的發(fā)電能力，所述限位環(huán)凸曲面的最小半徑R*應(yīng)根據(jù)壓電換能器的結(jié)構(gòu)尺寸及材料確定，即:ダ=奮 [ : : ぬ—I] — 1}，式中:h=2hp+hm，hp、hm分別為壓電晶片和金屬
基板的厚度，a =hm/h，尤為壓電晶片材料的介電隔離率，Ep為壓電材料楊氏模量，g31為壓電常數(shù)，^ =ちG為壓電陶瓷材料的許用拉應(yīng)力。相應(yīng)地，最大發(fā)電量的計算公式
為:ひ狐=^^巾
8,^(1+^,) IR +h在本發(fā)明中，所述定磁鐵ー和定磁鐵ニ的作用是給所述動磁鐵ー及動磁鐵ニ施加交變的推力或吸引力，從而使壓電換能器產(chǎn)生軸向彎曲變形，進而將機械能轉(zhuǎn)換成電能。當螺旋槳主軸連續(xù)轉(zhuǎn)動時，所述壓電換能器及動磁鐵也隨之轉(zhuǎn)動，而安裝在軸承座上的定磁鐵一和安裝在磁鐵架上的定磁鐵二相對靜止?！ぎ攧哟盆F一和動磁鐵ニ旋轉(zhuǎn)靠近某一對兒定磁鐵ー和定磁鐵ニ吋，定磁鐵一與動磁鐵ー的同性磁極之間產(chǎn)生排斥力，定磁鐵ニ與動磁鐵ニ的異性磁極之間產(chǎn)生吸引力，從而使壓電換能器沿螺旋槳主軸軸線方向向某一方向彎曲變形；相反，當動磁鐵一和動磁鐵ニ旋轉(zhuǎn)靠另ー對兒定磁鐵ー和定磁鐵ニ時，定磁鐵一與動磁鐵一的異性磁極之間產(chǎn)生吸引力，定磁鐵ニ與動磁鐵ニ的同性磁極之間產(chǎn)生排斥力，從而使壓電換能器沿螺旋槳主軸軸線方向向另ー方向彎曲變形。隨著螺旋槳主軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動，壓電換能器將產(chǎn)生交替的軸向往復(fù)彎曲變形，從而將機械能轉(zhuǎn)換成電能，所產(chǎn)生的電能經(jīng)一定的轉(zhuǎn)換處理后直接用于驅(qū)動監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明的特色在干壓電換能器的彎曲變形量及單次激勵發(fā)電量是由磁極間的磁場強度及限位環(huán)凸曲面共同決定的，螺旋槳主軸增速、減速、及速度高低等狀態(tài)變化對其無直接影響，因此對轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力強，在各種轉(zhuǎn)動狀態(tài)下都有較強的發(fā)電能力；同時，通過限位環(huán)凸曲面限定壓電換能器的變形量，從而提高壓電換能器的發(fā)電能力和可靠性。本發(fā)明優(yōu)勢在于①發(fā)電裝置與螺旋槳主軸隨動，便于為隨螺旋槳主軸旋轉(zhuǎn)的傳感監(jiān)測系統(tǒng)供電；②由限位環(huán)凸曲面與磁場カ耦合作用實現(xiàn)壓電換能器的軸向激勵，其變形量及發(fā)電量不受輪軸轉(zhuǎn)動狀態(tài)影響，轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力及發(fā)電能力強、勻速及高速時均可發(fā)電壓電換能器沿限位環(huán)凸曲面變形，各點應(yīng)カ相等，發(fā)電量及可靠性高。


圖I是本發(fā)明ー個較佳實施例中壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)剖視簡圖；圖2是圖I的A-A視圖；圖3是本發(fā)明壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3的B-B剖面圖。
具體實施例方式軸承座I的側(cè)壁上鑲嵌有定磁鐵一 2和軸承3 ;螺旋槳主軸4的一端401通過軸承2安裝在軸承座I的側(cè)壁上，所述螺旋槳軸4的花鍵402上依次套有限位環(huán)ー 5、壓電換能器6和限位環(huán)ニ 5’，所述的限位環(huán)ー 5、壓電換能器6和限位環(huán)ニ 5’通過卡簧10和擋圈9壓接在所述螺旋槳主軸4的軸肩403上，且所述壓電換能器6位于所述限位環(huán)ー 5的凸曲面501和限位環(huán)ニ 5’的凸曲面501’之間；所述壓電換能器6由金屬基板601上的懸臂梁6011和壓電晶片602粘接而成，所述金屬基板601的對稱中心處設(shè)有花鍵孔6012 ;動磁鐵一 7和動磁鐵ニ 7’通過螺釘固定在所述金屬基板601的懸臂梁6011的自由端、且所述動磁鐵ー 7與動磁鐵ニ 7’的異性磁極相對；磁鐵架8的法蘭端801通過螺釘固定在所述軸承座I的側(cè)壁上，在所述磁鐵架8的底端802的內(nèi)側(cè)鑲嵌有定磁鐵ニ 2’，且所述兩個相鄰的定磁鐵ニ 2’的磁極配置方向相反；所述定磁鐵ー 2和定磁鐵ニ 2’的數(shù)量相等、且其同性磁極相對安裝。不同于固定安裝的機床主軸等，飛機及輪船螺旋槳的主軸在繞其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動的同吋，還隨飛機或輪船運動，當飛機及輪船加速或減速運動時，壓電換能器6在其自身及動磁鐵一 7和動磁鐵ニ V的慣性力作用下也會產(chǎn)生沿螺旋槳主軸4軸線方向的彎曲變形，故此本發(fā)明采用ー對兒限位環(huán)5和5’限制壓電換能器6的彎曲變形量；此外，當壓電換能器6在磁力的作用下完全貼靠在所述限位環(huán)的凸曲面501或501’上吋，具有最大的發(fā)電能力。為確保壓電換能器6不因變形過大而損毀、且具有最大的發(fā)電能力，所述限 位環(huán)凸曲面501及501’的最小半徑R*應(yīng)根據(jù)壓電換能器6的結(jié)構(gòu)尺寸及材料確定，即
ダ=ち- [:つと— I] — 1}，式中:h=2hp+hm，hp、hm分別為壓電晶片和金屬基板的厚
L リ 2"33(丄+眾31)
度，a=hm/h，/f3為壓電晶片材料的介電隔離率，Ep為壓電材料楊氏模量，g31為壓電常數(shù)，衫=￡#ン成3,7；為壓電陶瓷材料的許用拉應(yīng)力。相應(yīng)地，最大發(fā)電量的計算公式為
" 、=『ユ-ぶ[H+ ’財:W和L分別為壓電換能器6的寬度和長度。在本發(fā)明中,所述定磁鐵ー 2和定磁鐵ニ 2’作用是給所述動磁鐵ー 7和動磁鐵ニV施加交變的推力或吸引力，從而使壓電換能器6產(chǎn)生軸向彎曲變形，進而將機械能轉(zhuǎn)換成電能。當螺旋槳主軸4連續(xù)轉(zhuǎn)動時，所述壓電換能器6及動磁鐵一 7和動磁鐵ニ 7’也隨之轉(zhuǎn)動，而安裝在軸承座I上的定磁鐵一 2和安裝在磁鐵架8上的定磁鐵ニ 2’相對靜止。如圖I所不，當動磁鐵一 7和動磁鐵ニ 7’旋轉(zhuǎn)靠近上方的一對定磁鐵一 2和定磁鐵ニ 2’吋，定磁鐵一 2的N及與動磁鐵一 7的N極之間產(chǎn)生排斥力，定磁鐵ニ 2’的N極與動磁鐵ニ 2’的S極之間產(chǎn)生吸引力，從而使壓電換能器6沿螺旋槳主軸4軸線方向向右彎曲變形；相反，當動磁鐵一 7和動磁鐵ニ V旋轉(zhuǎn)靠近下方的一對定磁鐵鐵ー 2和定磁鐵ニ2’時,定磁鐵一 2的N及與動磁鐵一 7的S極之間產(chǎn)生吸引力，定磁鐵ニ 2’的S極與動磁鐵ニ 2’的S極之間產(chǎn)生排斥力，從而使壓電換能器6沿螺旋槳主軸4軸線方向向左彎曲變形。隨著螺旋槳主軸4的連續(xù)轉(zhuǎn)動，壓電換能器6將產(chǎn)生交替的軸向往復(fù)彎曲變形，從而將機械能轉(zhuǎn)換成電能。
權(quán)利要求
1.一種與螺旋槳主軸隨動的發(fā)電裝置，其特征在于軸承座側(cè)壁上鑲嵌有定磁鐵一和軸承；螺旋槳主軸通過軸承安裝在軸承座側(cè)壁上，所述螺旋槳主軸的花鍵上依次套有限位環(huán)一、壓電換能器和限位環(huán)二 ；所述的限位環(huán)一、壓電換能器和限位環(huán)二通過卡簧和擋圈壓接在螺旋槳主軸的軸肩上，且所述壓電換能器位于所述兩個限位環(huán)的凸曲面之間；所述壓電換能器由金屬基板上的懸臂梁和壓電晶片粘接而成，所述金屬基板中心處設(shè)有花鍵孔；一對兒動磁鐵通過螺釘固定在所述金屬基板的懸臂梁的自由端、且所述兩個動磁鐵的異性磁極相對；磁鐵架的法蘭端通過螺釘固定在軸承座側(cè)壁上，在所述磁鐵架的底端內(nèi)側(cè)鑲嵌有定磁鐵二，且所述兩個相鄰的定磁鐵二的磁極配置方向相反；所述定磁鐵一和定磁鐵二的數(shù)量相等、且其同性磁極相對安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的與螺旋槳主軸隨動的發(fā)電裝置，其特征在于所述限位環(huán)凸曲面的最小半徑R*應(yīng)根據(jù)壓電換能器的結(jié)構(gòu)尺寸及材料確定，即 =-1] -1}，式中:h=2hp+hm，hp、hm分別為壓電晶片和金屬基板的厚度，a為壓電晶片材料的介電隔離率，Ep為壓電材料楊氏模量，g31為壓電常數(shù)，、4 =EpgIJBl，7；為壓電陶瓷材料的許用拉應(yīng)力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種與螺旋槳主軸隨動的發(fā)電裝置，屬于螺旋槳監(jiān)測及壓電發(fā)電領(lǐng)域。軸承座上嵌有定磁鐵一和軸承；螺旋槳主軸通過軸承安裝在軸承座上，主軸的花鍵上依次安裝限位環(huán)一、壓電換能器和限位環(huán)二；磁鐵架固定在軸承座側(cè)壁上，其底端內(nèi)側(cè)嵌有定磁鐵二，且所述兩相鄰定磁鐵二的磁極方向相反；所述定磁鐵一與定磁鐵二的數(shù)量相等、且其同性磁極相對安裝。優(yōu)點是通過限位環(huán)凸曲面與磁力耦合作用迫使旋轉(zhuǎn)的壓電換能器沿軸向彎曲變形，變形量及發(fā)電量不受轉(zhuǎn)動狀態(tài)影響，勻速及高速時均可發(fā)電；壓電換能器彎曲變形時各點應(yīng)力相等，故發(fā)電量及可靠性高。
文檔編號H02N2/18GK102790550SQ20121031921
公開日2012年11月21日 申請日期2012年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月1日
發(fā)明者楊振宇, 王淑云, 王鴻云, 程光明, 闞君武, 馬澤輝 申請人:浙江師范大學(xué)