与螺旋桨主轴随动的发电装置.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102790550 A (43)申请公布日 2012.11.21 C N 1 0 2 7 9 0 5 5 0 A *CN102790550A* (21)申请号 201210319215.0 (22)申请日 2012.09.01 H02N 2/18(2006.01) (71)申请人浙江师范大学 地址 321001 浙江省金华市迎宾大道688号 (72)发明人阚君武 王淑云 杨振宇 程光明 王鸿云 马泽辉 (74)专利代理机构吉林长春新纪元专利代理有 限责任公司 22100 代理人魏征骥 (54) 发明名称 与螺旋桨主轴随动的发电装置 (57) 摘要 本发明涉及一种与螺旋

2、桨主轴随动的发电装 置，属于螺旋桨监测及压电发电领域。轴承座上 嵌有定磁铁一和轴承；螺旋桨主轴通过轴承安装 在轴承座上，主轴的花键上依次安装限位环一、压 电换能器和限位环二；磁铁架固定在轴承座侧壁 上，其底端内侧嵌有定磁铁二，且所述两相邻定磁 铁二的磁极方向相反；所述定磁铁一与定磁铁二 的数量相等、且其同性磁极相对安装。优点是通过 限位环凸曲面与磁力耦合作用迫使旋转的压电换 能器沿轴向弯曲变形，变形量及发电量不受转动 状态影响，匀速及高速时均可发电；压电换能器 弯曲变形时各点应力相等，故发电量及可靠性高。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 (19)中华人民共和国国家

3、知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种与螺旋桨主轴随动的发电装置，其特征在于：轴承座侧壁上镶嵌有定磁铁一和 轴承；螺旋桨主轴通过轴承安装在轴承座侧壁上，所述螺旋桨主轴的花键上依次套有限位 环一、压电换能器和限位环二；所述的限位环一、压电换能器和限位环二通过卡簧和挡圈压 接在螺旋桨主轴的轴肩上，且所述压电换能器位于所述两个限位环的凸曲面之间；所述压 电换能器由金属基板上的悬臂梁和压电晶片粘接而成，所述金属基板中心处设有花键孔； 一对儿动磁铁通过螺钉固定在所述金属基板的悬臂梁的自由端、且所述两个动磁铁的异性 磁极相对；磁铁架的法兰

4、端通过螺钉固定在轴承座侧壁上，在所述磁铁架的底端内侧镶嵌 有定磁铁二，且所述两个相邻的定磁铁二的磁极配置方向相反；所述定磁铁一和定磁铁二 的数量相等、且其同性磁极相对安装。 2.根据权利要求1所述的与螺旋桨主轴随动的发电装置，其特征在于：所 述限位环凸曲面的最小半径R * 应根据压电换能器的结构尺寸及材料确定，即： ，式中：h=2h p +h m ，h p 、h m 分别为压电晶片和金属基板的厚 度，=h m /h， 为压电晶片材料的介电隔离率，E p 为压电材料杨氏模量， g 31 为压电常数， ，为压电陶瓷材料的许用拉应力。 权 利 要 求 书CN 102790550 A 1/3页 3 与

5、螺旋桨主轴随动的发电装置 技术领域 0001 本发明属于螺旋桨健康监测及压电发电技术领域，具体涉及一种与螺旋桨主轴随 动的发电装置，以便为螺旋桨健康监测系统提供实时的电力供应。 背景技术 0002 螺旋桨是飞机及轮船动力系统的核心部件，螺旋桨叶片、轴及轴承等的过度磨损 或损毁都直接影响到飞机与轮船的安全行驶，严重时将造成毁灭性的空难或海难。以往，螺 旋桨叶片、轴及轴承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，不仅周期 长、费用高，同时也影响了飞机与轮船的正常运行。因此，国内外目前均已提出进行螺旋桨 的在线健康监测与故障诊断，从而提高可靠性与安全性。对于螺旋桨叶片、轴及轴承等的监 测

6、系统而言，理想的方法是使各类传感及监测系统与被测物随动或靠近被测物安装，以便 实现其运行状态的直接接触测量。但实际中由于无法为与上述旋转类构件随动的监测系统 提供可靠、充足、便利的电力供应，这种较理想的接触性在线监测与故障诊断方案尚未得到 广泛的应用。虽然旋转式电磁发电机已很成熟、且已被广泛应用，但因其结构复杂、体积及 重量相对较大，难于与旋转的螺旋桨主轴相集成。与之相比，薄片型压电振子因结构简单、 体积小、且便于与螺旋桨主轴集成。 发明内容 0003 本发明提供一种与螺旋桨主轴随动的发电装置，以解决飞机及轮船螺旋桨接触性 在线监测系统所面临的供电难题，本发明所提出的发电装置是基于螺旋桨主轴旋

7、转激励 的、且随螺旋桨主轴旋转，因此可以直接为随螺旋桨转动的监测系统提供电力。 0004 本发明采取的技术方案是：轴承座侧壁上镶嵌有定磁铁一和轴承；螺旋桨主轴通 过轴承安装在轴承座侧壁上，所述螺旋桨主轴的花键上依次套有限位环一、压电换能器和 限位环二；所述的限位环一、压电换能器和限位环二通过卡簧和挡圈压接在螺旋桨主轴的 轴肩上，且所述压电换能器位于所述两个限位环的凸曲面之间；所述压电换能器由金属基 板上的悬臂梁和压电晶片粘接而成，所述金属基板中心处设有花键孔；一对儿动磁铁通过 螺钉固定在所述金属基板的悬臂梁的自由端、且所述两个动磁铁的异性磁极相对；磁铁架 的法兰端通过螺钉固定在轴承座侧壁上，在

8、所述磁铁架的底端内侧镶嵌有定磁铁二，且所 述两个相邻的定磁铁二的磁极配置方向相反；所述定磁铁一和定磁铁二的数量相等、且其 同性磁极相对安装。 0005 不同于固定安装的机床主轴等，飞机及轮船螺旋桨的主轴在绕其回转中心转动的 同时，还随飞机或轮船运动，当飞机及轮船加速或减速运动时，压电换能器在其自身及动磁 铁惯性力的作用下也会产生沿螺旋桨主轴轴线方向的弯曲变形，故此本发明采用一对儿限 位环限制压电换能器的弯曲变形量；此外，当压电换能器在磁力的作用下完全贴靠在所述 限位环的凸曲面上时，具有最大的发电能力。为确保压电换能器不因变形过大而损毁、且 具有最大的发电能力，所述限位环凸曲面的最小半径R *

9、应根据压电换能器的结构尺寸及材 说 明 书CN 102790550 A 2/3页 4 料确定，即：，式中：h=2h p +h m ，h p 、h m 分别为压电晶片和金属 基板的厚度，=h m /h， 为压电晶片材料的介电隔离率，E p 为压电材料杨氏模量，g 31 为压 电常数，为压电陶瓷材料的许用拉应力。相应地，最大发电量的计算公式 为：，式中：W和L分别为压电换能器的宽度和长度。 0006 在本发明中，所述定磁铁一和定磁铁二的作用是给所述动磁铁一及动磁铁二施加 交变的推力或吸引力，从而使压电换能器产生轴向弯曲变形，进而将机械能转换成电能。 0007 当螺旋桨主轴连续转动时， 所述压电换能

10、器及动磁铁也随之转动，而安装在轴承 座上的定磁铁一和安装在磁铁架上的定磁铁二相对静止。 0008 当动磁铁一和动磁铁二旋转靠近某一对儿定磁铁一和定磁铁二时，定磁铁一与动 磁铁一的同性磁极之间产生排斥力，定磁铁二与动磁铁二的异性磁极之间产生吸引力，从 而使压电换能器沿螺旋桨主轴轴线方向向某一方向弯曲变形；相反，当动磁铁一和动磁铁 二旋转靠另一对儿定磁铁一和定磁铁二时，定磁铁一与动磁铁一的异性磁极之间产生吸引 力，定磁铁二与动磁铁二的同性磁极之间产生排斥力，从而使压电换能器沿螺旋桨主轴轴 线方向向另一方向弯曲变形。随着螺旋桨主轴的连续转动，压电换能器将产生交替的轴向 往复弯曲变形，从而将机械能转换

11、成电能，所产生的电能经一定的转换处理后直接用于驱 动监测系统。 0009 本发明的特色在于：压电换能器的弯曲变形量及单次激励发电量是由磁极间的磁 场强度及限位环凸曲面共同决定的，螺旋桨主轴增速、减速、及速度高低等状态变化对其无 直接影响，因此对转速适应能力强，在各种转动状态下都有较强的发电能力；同时，通过限 位环凸曲面限定压电换能器的变形量，从而提高压电换能器的发电能力和可靠性。 0010 本发明优势在于：发电装置与螺旋桨主轴随动，便于为随螺旋桨主轴旋转的传 感监测系统供电；由限位环凸曲面与磁场力耦合作用实现压电换能器的轴向激励，其变 形量及发电量不受轮轴转动状态影响，转速适应能力及发电能力强

12、、匀速及高速时均可发 电；压电换能器沿限位环凸曲面变形，各点应力相等，发电量及可靠性高。 附图说明 0011 图1是本发明一个较佳实施例中压电发电装置的结构剖视简图； 0012 图2是图1的A-A视图； 0013 图3是本发明压电换能器的结构示意图； 0014 图4是图3的B-B剖面图。 具体实施方式 0015 轴承座1的侧壁上镶嵌有定磁铁一2和轴承3；螺旋桨主轴4的一端401通过轴 承2安装在轴承座1的侧壁上，所述螺旋桨轴4的花键402上依次套有限位环一5、压电换 能器6和限位环二5，所述的限位环一5、压电换能器6和限位环二5通过卡簧10和挡圈 说 明 书CN 102790550 A 3/3

13、页 5 9压接在所述螺旋桨主轴4的轴肩403上，且所述压电换能器6位于所述限位环一5的凸曲 面501和限位环二5的凸曲面501之间；所述压电换能器6由金属基板601上的悬臂梁 6011和压电晶片602粘接而成，所述金属基板601的对称中心处设有花键孔6012；动磁铁 一7和动磁铁二7通过螺钉固定在所述金属基板601的悬臂梁6011的自由端、且所述动 磁铁一7与动磁铁二7的异性磁极相对；磁铁架8的法兰端801通过螺钉固定在所述轴承 座1的侧壁上，在所述磁铁架8的底端802的内侧镶嵌有定磁铁二2，且所述两个相邻的定 磁铁二2的磁极配置方向相反；所述定磁铁一2和定磁铁二2的数量相等、且其同性磁极 相

14、对安装。 0016 不同于固定安装的机床主轴等，飞机及轮船螺旋桨的主轴在绕其回转中心转动 的同时，还随飞机或轮船运动，当飞机及轮船加速或减速运动时，压电换能器6在其自身 及动磁铁一7和动磁铁二7的惯性力作用下也会产生沿螺旋桨主轴4轴线方向的弯曲 变形，故此本发明采用一对儿限位环5和5限制压电换能器6的弯曲变形量；此外，当压 电换能器6在磁力的作用下完全贴靠在所述限位环的凸曲面501或501上时，具有最大 的发电能力。为确保压电换能器6不因变形过大而损毁、且具有最大的发电能力，所述限 位环凸曲面501及501的最小半径R * 应根据压电换能器6的结构尺寸及材料确定，即： ，式中：h=2h p +

15、h m ，h p 、h m 分别为压电晶片和金属基板的厚 度，=h m /h， 为压电晶片材料的介电隔离率，E p 为压电材料杨氏模量，g 31 为压电常 数，为压电陶瓷材料的许用拉应力。相应地，最大发电量的计算公式为： ，式中：W和L分别为压电换能器6的宽度和长度。 0017 在本发明中，所述定磁铁一2和定磁铁二2作用是给所述动磁铁一7和动磁铁二 7施加交变的推力或吸引力，从而使压电换能器6产生轴向弯曲变形，进而将机械能转换 成电能。 0018 当螺旋桨主轴4连续转动时， 所述压电换能器6及动磁铁一7和动磁铁二7也随 之转动，而安装在轴承座1上的定磁铁一2和安装在磁铁架8上的定磁铁二2相对静

16、止。 0019 如图1所示，当动磁铁一7和动磁铁二7旋转靠近上方的一对定磁铁一2和定磁 铁二2时，定磁铁一2的N及与动磁铁一7的N极之间产生排斥力，定磁铁二2的N极与 动磁铁二2的S极之间产生吸引力，从而使压电换能器6沿螺旋桨主轴4轴线方向向右弯 曲变形；相反，当动磁铁一7和动磁铁二7旋转靠近下方的一对定磁铁铁一2和定磁铁二 2时，定磁铁一2的N及与动磁铁一7的S极之间产生吸引力，定磁铁二2的S极与动磁 铁二2的S极之间产生排斥力，从而使压电换能器6沿螺旋桨主轴4轴线方向向左弯曲变 形。随着螺旋桨主轴4的连续转动，压电换能器6将产生交替的轴向往复弯曲变形，从而将 机械能转换成电能。 说 明 书CN 102790550 A 1/3页 6 图1 说 明 书 附 图CN 102790550 A 2/3页 7 图2 说 明 书 附 图CN 102790550 A 3/3页 8 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102790550 A