一種用于機車輪對監測系統供電的徑向伸縮式壓電發電機的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于機車輪對監測系統供電的徑向伸縮式壓電發電機，屬壓電發電領域。車架上裝有定磁鐵和輪軸，輪軸端部裝有帶沉槽和導孔轉子；動磁鐵上安裝有連接塊、套有內外彈簧，內外彈簧位于連接塊兩側；動磁鐵兩端置于導孔內、且與定磁鐵同性磁極相對安裝；壓電振子基板中心固定在轉子上、兩端固定在連接塊上；壓電振子裝配前為平直結構、安裝后變為彎曲結構、且壓電晶片承受壓應力；外彈簧被壓死時壓電晶片依然承受壓應力，內彈簧被壓死時壓電晶片所受壓應力不超過其許用值。優勢特色：將平直壓電振子安裝成彎曲結構，形成伸縮式發電機，結構及制作工藝簡單、成本低；壓電晶片受范圍可控的壓應力、可靠性高，所需軸向空間小。
【專利說明】
一種用于機車輪對監測系統供電的徑向伸縮式壓電發電機
技術領域
[0001]本發明屬于軌道交通監測及壓電發電技術領域，具體涉及一種用于機車輪對監測系統供電的徑向伸縮式壓電發電機。
【背景技術】
[0002]鐵路列車及地鐵等軌道交通運輸系統承載著國民經濟命脈，而軌道車輛輪對是確保軌道車輛安全運行的關鍵。以往，軌道車輛輪對等關鍵運轉部件的健康狀況是以定期維護、檢修加以保障的；隨著車輛運行速度的不斷提高以及人們安全意識的提升，車輛運行期間輪對的實時在線監測技術研究受到了國內外學者的廣泛關注，所需監測要素包括軸及軸承的溫度、轉速、動態剛度、磨損及振動等諸多方面。
[0003]對于輪對監測系統而言，理想的方法是將各類傳感監測系統安裝在輪對上或靠近輪對安裝，從而實現其運行狀態的直接在線監測;但這種監測方案因無法為傳感監測系統提供可靠、充足的電力供應而難于推廣應用，原因在于:①輪系處于運動狀態、且輪系與車廂間存在高頻顛簸振動，采用電纜供電時可靠性低、且貨運車廂本身也無配電系統;②如采用電池供電，因電池使用壽命有限而需經常更換，當電池電量不足而未及時更換時將無法實現有效的監測、甚至造成嚴重的安全隱患。限于傳感監測系統的能源供應問題，目前實際中依然普遍采用非實時的、間接的測量方法，即將傳感監測系統至于路基之上，不隨車體移動或不隨輪軸轉動。
[0004]為解決輪對實時監測系統的供電問題、實現真正意義上的在線監測，國內外學者提出了可與監測系統集成的微小型壓電發電機，如中國專利201210318784.3及201210320165.8等。現有的各種壓電發電裝置的共同特點是通過軸向激勵發電的、且工作中壓電晶片承受交變的拉壓應力，故不適于軸向空間受限的場合、拉應力過大時會破裂損毀。

【發明內容】

[0005]針對現有軌道車輛軸承監測系統所面臨的供電難題、以及現有壓電發電裝置可靠性低的實際情況，本發明提出一種用于機車輪對監測系統供電的徑向伸縮式壓電發電機。本發明采用的實施方案是:車架上經螺釘安裝有殼體，殼體內壁上經螺釘安裝有定磁鐵;車架上經軸承安裝有輪軸，輪軸端部經螺釘安裝有轉子，轉子上設有沉槽和導孔，沉槽將導孔分隔成兩部分;動磁鐵上安裝有連接塊、套有內彈簧和外彈簧，內彈簧和外彈簧分別位于連接塊的內側和外側;動磁鐵兩端置于導孔內，動磁鐵與定磁鐵的對稱中心位于同一軸截面上，動磁鐵與定磁鐵的同性磁極相對安裝;壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，金屬基板的中心固定在轉子上、兩端分別固定在不同的連接塊上;壓電振子裝配前為平直結構、安裝后變為彎曲結構，安裝后壓電晶片的曲率半徑小于金屬基板的曲率半徑、壓電晶片承受壓應力;非工作時，壓電晶片所承受的壓應力為其許用值的一半。
[0006]正常工作且當定磁鐵與動磁鐵之間距離最遠、相互作用力最小時，動磁鐵及壓塊的離心力將外彈簧壓縮，內彈簧及壓電振子伸長、壓電晶片所受壓應力降低；隨著轉子轉動，定磁鐵和動磁鐵間的距離縮短、相互排斥力增加，當動磁鐵及壓塊所受磁鐵間排斥力大于離心力時，動磁鐵及壓塊向轉子的回轉中心方向運動，外彈簧伸長、內彈簧和壓電振子縮短，壓電晶片所受壓應力增加;隨著轉子的連續轉動，壓電振子交替地伸長-縮短，從而將機械能轉換成電能;工作過程中，外彈簧被壓死時，壓電振子依然處于彎曲狀態、壓電晶片承受壓應力；內彈簧被壓死時，壓電晶片所受壓應力不超過其許用值。
[0007]優勢與特色:①將平直壓電振子變成彎曲結構，制作工藝簡單、成本低;②壓電晶片僅工作在壓應力狀態下、且壓應力范圍可控，可靠性高;③通過徑向拉壓的方法激勵壓電振子，所需軸向空間小、無需改變現有輪對的軸向結構。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發明一個較佳實施例中發電機的結構剖面圖；
[0009]圖2是圖1的左視圖；
[0010]圖3是壓電振子自然狀態下的結構示意圖；
[0011]圖4是本發明一個較佳實施例中轉子的結構示意圖；
[0012]圖5是圖4的左視圖。
【具體實施方式】
[0013]車架b上經螺釘安裝有殼體d，殼體d的內壁上經螺釘安裝有定磁鐵c;車架b上經軸承j安裝有輪軸a，輪軸a的端部經螺釘安裝有轉子e，轉子e上設有沉槽e2和導孔el，沉槽e2將導孔el分隔成兩部分;動磁鐵h上安裝有連接塊f、套有內彈簧g2和外彈簧gl，內彈簧g2和外彈簧gl分別位于連接塊f的內側和外側;動磁鐵h兩端置于導孔el內，動磁鐵h與定磁鐵c的對稱中心位于同一軸截面上，動磁鐵h與定磁鐵c的同性磁極相對安裝;壓電振子i由金屬基板i I和壓電晶片i 2粘接而成，金屬基板i I的中心固定在轉子e的端面上、兩端分別固定在不同的連接塊f上;壓電振子i裝配前的自然狀態下為平直結構、安裝后變為彎曲結構，安裝后壓電晶片i2的曲率半徑小于金屬基板il的曲率半徑、壓電晶片i2承受壓應力;非工作時，壓電晶片i2所承受的壓應力為其許用值的一半。
[0014]正常工作且當定磁鐵c與動磁鐵h之間距離最遠、相互作用力最小時，動磁鐵h及壓塊f的離心力將外彈簧gl壓縮，內彈簧g2及壓電振子i伸長、壓電晶片i2所受壓應力降低;隨著轉子e轉動，定磁鐵c和動磁鐵h間的距離縮短、相互排斥力增加，當動磁鐵h及壓塊f所受磁鐵間排斥力大于離心力時，動磁鐵h及壓塊f向轉子e的回轉中心方向運動，外彈簧gl伸長、內彈簧g2和壓電振子i縮短，壓電晶片i2所受壓應力增加；隨著轉子e的連續轉動，壓電振子i交替地伸長-縮短，從而將機械能轉換成電能;工作過程中，外彈簧gl被壓死時，壓電振子i依然處于彎曲狀態、壓電晶片i2承受壓應力；內彈簧g2被壓死時，壓電晶片i2所受壓應力不超過其許用值。
【主權項】
1.一種用于機車輪對監測系統供電的徑向伸縮式壓電發電機，其特征在于:車架上安裝有殼體，殼體內壁上安裝有定磁鐵;車架上經軸承安裝有輪軸，輪軸端部安裝有轉子，轉子上設有沉槽和導孔，沉槽將導孔分隔成兩部分;動磁鐵上安裝有連接塊、套有內彈簧和外彈簧，內彈簧和外彈簧分別位于連接塊的內側和外側;動磁鐵兩端置于導孔內，動磁鐵與定磁鐵的對稱中心位于同一軸截面上，動磁鐵與定磁鐵的同性磁極相對安裝;壓電振子的金屬基板的中心固定在轉子上、兩端分別固定在不同的連接塊上;壓電振子裝配前為平直結構、安裝后變為彎曲結構，安裝后壓電晶片的曲率半徑小于金屬基板的曲率半徑、壓電晶片承受壓應力；非工作時，壓電晶片所承受的壓應力為其許用值的一半;工作過程中，外彈簧被壓死時，壓電振子依然處于彎曲狀態、壓電晶片承受壓應力；內彈簧被壓死時，壓電晶片所受壓應力不超過其許用值。
【文檔編號】H02N2/18GK106059388SQ201610459089
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】闞君武, 范春濤, 曾平, 楊燦, 王淑云
【申請人】浙江師范大學