1.本发明属于轴承与新能源领域，具体涉及一种自感知滑动轴承，用于水力与风力发电机、工程与矿山机械等低速、高负荷、环境恶劣等工 程领域。
背景技术：
2.滑动轴承是载运工具、矿山机械、轻工机械及发电机等领域中不可或缺的，也是传动系统中最易损的零件。因轴承工作在变速变载荷环境下，故易发生故障，约30%的传动系统故障因轴承失效而引发。此外，轴承出现故障时维修困难、成本高，高达总运行成本的30％。故此，各种轴承状态实时监测系统与方法相继问世，以便实时获得载荷/振动/温度/噪音等状态参数、避免设备故障严重化、降低维修成本。以往，轴承监测系统主要外挂式分体结构，属非接触的远距离间接测量，传感器与信号源间距离较远、误差较大。近年来，人们将嵌入式监测系统与基于轴系转动的微型发电装置相结合，一定程度上可解决系统集成化、测量精度及电力供应等方面的问题。目前所提出的自供电监测系统大都是基于压电原理发电滚动轴承，对于低转速、大负荷、工作环境恶劣的自供电监测滑动轴承的研究还鲜有报道，其原因是可靠性及发电量低不能实际生产需求。
技术实现要素：
3.本发明提出的一种自感知滑动轴承由轴承座、轴瓦及自感知系统构成，轴瓦套在轴承座的内孔中并经螺钉固定；自感知系统由环罩、罩盖、环架、挡环、外磁铁、连接器、线路板、传感器、线圈及内磁铁构成，环罩及连接器套在轴瓦内，连接器与转轴连接，连接器和轴瓦二者之一嵌有外磁铁，环罩与轴瓦和连接器中未装有外磁铁者相连；线路板、传感器及环架安装在环罩内；线圈及内磁铁安装在环架上且内磁铁位于线圈的内部，线圈与其内的内磁铁构成发电单元，内磁铁为径向磁化的柱体或球体；工作中，发电单元可所转轴转动、也可随轴承座静止，外磁铁与内磁铁相对转动并迫使内磁铁在线圈内滚动，线圈切割磁力线发电，电能传输给线路板进行转换处理后供给传感器、控制单元及信号处理与发射单元。
4.环架上设有一个大环槽和至少一个槽腔组，大环槽为周向环槽、即大环槽沿环架的圆周方向配置；槽腔组沿大环槽的圆周方向均布，槽腔组由小环槽和内磁铁腔构成，即一个槽腔组包含一个小环槽和一个内磁铁腔；小环槽和内磁铁腔沿环架的轴向配置，小环槽为轴向环槽，内磁铁腔位于大环槽的底壁上，小环槽围绕在内磁铁腔的外侧、内磁铁腔被小环槽包围，内磁铁腔和小环槽经槽腔壁隔开；大环槽和小环槽相互交叉，小环槽沿大环槽的圆周方向将大环槽分隔成多段非连续槽。
5.环罩上设有端口方向相反且同轴的罩轴腔和罩环腔，罩轴腔和罩环腔的端口沿轴向配置，罩轴腔的外侧壁为罩环腔的内侧壁；连接器由法兰和半轴构成，半轴套在罩轴腔内；环罩和连接器套在轴瓦的内孔中，罩环腔的外壁和连接器的法兰套在轴瓦的内孔中；连接器和轴瓦上都沿圆周方向均布有用于安装外磁铁的外磁铁腔，连接器上的外磁铁腔位于半轴上；外磁铁腔数量为槽腔组的数量整数或整数分之一倍。
6.轴瓦和连接器二者之一的外磁铁腔中安装有外磁铁，即外磁铁只能装在轴瓦或连接器上、轴瓦和连接器上不能同时安装外磁铁；外磁铁的磁极沿径向配置或圆周方向配置，两圆周方向相邻的外磁铁磁极的极性相反，相邻的外磁铁磁极为同一外磁铁或不同外磁铁上的两个磁极。
7.挡环安装在环架的大环槽内并与环架构成线框和线槽，挡环将内磁铁封在内磁铁腔内，内磁铁在内磁铁腔内可自由滚动，内磁铁为径向极化的磁柱或磁球；线圈安装在线框上并置于线槽内，线圈通过缠绕的方法安装在线框上；线圈套在内磁铁的外侧，内磁铁位于线圈的内孔中，线圈的轴线与柱状内磁铁的轴线垂直；一个槽腔组中的线圈和内磁铁构成一个发电单元，即线圈与其内部的内磁铁构成一个发电单元，两个圆周上相邻发电单元中的内磁铁间无耦合作用力；发电单元数量是外磁铁的数量的整数倍或整数分之一倍。
8.环架、线路板及传感器安装在环罩内：环架经罩盖压接在环罩的罩环腔内，罩盖经螺钉安装在环罩上的罩环腔的端部，罩盖的止口顶靠在环架的端部并将环架顶靠在罩环腔的底壁上，线路板置于罩盖上，传感器安装在转轴、连接器或环罩上，传感器为温度传感器、振动传感器或转速传感器；外磁铁安装在轴瓦或连接器上，轴瓦或连接器不能同时安装有外磁铁，内磁铁与外磁铁轴向对齐安装，即二者轴向的长度中心位于同一轴截面上。
9.本发明滑动轴承有两种工作模式。
10.发电单元随转轴转动，用于旋转部件的状态监测，此时：轴瓦上安装有外磁铁、连接器上不安装外磁铁，罩环腔的底壁经螺钉与连接器及转轴相连。
11.发电单元不随转轴转动，用于轴瓦等静止部件的状态监测，此时：轴瓦上不安装有外磁铁、连接器上安装外磁铁，环罩的侧壁经螺钉与轴瓦和轴承座相连。
12.工作过程中，外磁铁与内磁铁相对转动，沿圆周方向交替分布外磁铁的n极和s极依次给内磁铁施加转矩，内磁铁在线圈内滚动、磁极翻转、穿过线圈的磁通量发生变化，线圈切割磁力线发电，所获电能经导线输送到线路板进行转换处理、存储或输出给传感器，传感器获得相关参数信息并经线路板上的发射系统发射出去。
13.内磁铁的具体激励过程如下：发电单元转动的工作模式下，内磁铁随转轴转动、轴瓦上的外磁铁静止不动；非工作时，内某一内磁铁一与其距离最近的外磁铁一的异性磁极相吸、与其运动方向上的外磁铁二的同性磁极相斥；工作时，内磁铁一绕转轴的中心顺时针旋转时，外磁铁一和外磁铁二都给内磁铁一施加磁耦合作用力，且转动过程中外磁铁一的吸引力逐渐减小、外磁铁二的排斥力逐渐增加，当外磁铁二施加的排斥力大于外磁铁一施加的吸引力时、即当外磁铁二施加的排斥力转矩大于外磁铁一施加的吸引力矩时，内磁铁一将绕其自身轴心迅速逆时针滚动、磁极快速翻转；此后，内磁铁一再次与其运动方向上的距离最近的某一外磁铁的异性磁极产生相互吸引。
14.发电单元静止的工作模式下，内磁铁不随转轴转动、连接器上的外磁铁随转轴转动；初始状态下，内某一内磁铁二与其距离最近的外磁铁三的异性磁极相吸、与转近方向较近的外磁铁四的同性磁极相斥；外磁铁三和外磁铁四绕转轴中心顺时针方向转动时都给内磁铁二施加磁耦合作用力，且转动过程中外磁铁三的吸引力逐渐减小、外磁铁四的排斥力逐渐增加，当外磁铁四施加的排斥力大于外磁铁三施加的吸引力时、即当外磁铁四施加
的排斥力转矩大于外磁铁三施加的吸引力矩时，内磁铁二将绕其自身轴心迅速逆时针滚动、磁极快速翻转；此后，内磁铁二再次与逐渐靠近的距离最近的某一外磁铁的异性磁极产生相互吸引。
15.本发明中，除轴承座、内磁铁、外磁铁及转轴以外的其他元件均由非铁磁性材料制成。
16.本发明中，为提升发电单元的发电能力和体积能量密度，线圈及各磁体间的参数关系为：t1=(1.25
±
0. 25)r1，t2=r2=(2
±
1)r1，t3=(1
±
0. 25) r1，s1=(1.25
±
0.75)r1，s2=(0.6
±
0.4) r1，s3=(2.25
±
0.75)r1，其中：r1和r2分别为内磁铁直径和长度，s1、s2和s3分别为线圈的高度、单侧壁厚和总宽度，t1、t2和t3分别为外磁铁的周向宽度、轴向长度和径向厚度；δ=s2/r1、β= s1/r1分别称为线圈壁厚比和线圈高度比，称为线圈参数比；本发明采用输出功率比评价发供电能力，输出功率比是指不同结构参数时所得功率与其最大值之比，所述输出功率为开路电压与短路电流的乘积。
17.本发明的滑动轴承可用作为标准部件，无需外部供电与监测系统、无需改变转轴结构；发电方面与现有技术不同，利用外磁铁的非接触磁耦合力迫使内磁铁在线圈滚动，从而改变过线圈的磁场方向与强度、使线圈切割磁力线发电；内磁铁在线圈内部滚动时，使使穿过线圈的磁力线方交替变换、磁通量变化梯度大，故发电能力强、输出电压及电流高。
18.优势与特色：依靠轴承自身运动发电供电并实现在线实时监测，结构简单、无振动与冲击、安装及使用方便；利用外磁铁与内磁铁的相对转动使内磁铁在线圈内滚动，内磁铁的磁场方向变化使线圈切割磁力线发电，磁场强度变化梯度大及发电能力强，输出电压与电流远远高于传统发电方法。
附图说明
19.图1是本发明一个较佳实施例中发电单元与转轴连接时滑动轴承的结构示意图；图2是图1的a-a剖视图；图3是本发明一个较佳实施例中发电单元与轴承座连接时滑动轴承的结构示意图；图4是图3的b-b剖视图；图5是本发明一个较佳实施例中环架的结构示意图；图6是图5的左视图；图7是本发明一个较佳实施例中环罩的结构示意图；图8是图7的左视图；图9是本发明一个较佳实施例中镶嵌有外磁铁的连接器的结构示意图；图10是图9的左视图；图11是环架与挡环、线圈及内磁铁组裝后的结构示意图；图12是图11的左视图；图13是本发明一个较佳实施例中输出功率比与线圈壁厚比及高度比的关系图。
具体实施方式
20.本发明提出的一种自感知滑动轴承由轴承座a、轴瓦b及自感知系统构成，轴瓦b套
在轴承座a的内孔中并经螺钉固定；自感知系统由环罩c、罩盖d、环架e、挡环f、外磁铁g、连接器h、线路板p、传感器s、线圈x及内磁铁y构成，环罩c及连接器h套在轴瓦b内，连接器h与转轴z连接，外磁铁g装在连接器h和轴瓦b二者之一上；线路板p、传感器s及环架e安装在环罩c内，环罩c与轴瓦b和连接器h中未安装有外磁铁g的一方连接；线圈x及内磁铁y安装在环架e上且内磁铁y位于线圈x的内部，线圈x与其内的内磁铁y构成发电单元g，内磁铁y为径向磁化的柱体或球体；工作中，发电单元g可转动也可静止，外磁铁g与内磁铁y相对转动并迫使内磁铁y在线圈x内滚动，线圈x切割磁力线发电，电能传输给线路板p进行转换处理后供给传感器s、控制单元及信号处理与发射单元。
21.环架e上设有一个大环槽e1和至少一个槽腔组h，大环槽e1为周向环槽、即大环槽e1沿环架e的圆周方向配置；槽腔组h沿大环槽e1的圆周方向均布，槽腔组h由小环槽e2和内磁铁腔e3构成，即一个槽腔组h包含一个小环槽e2和一个内磁铁腔e3；小环槽e2和内磁铁腔e3沿环架e的轴向配置，小环槽e2为轴向环槽，内磁铁腔e3位于大环槽e1的底壁上，小环槽e2围绕在内磁铁腔e3的外侧、内磁铁腔e3被小环槽e2包围，内磁铁腔e3和小环槽e2经槽腔壁e4隔开；大环槽e1和小环槽e2相互交叉，小环槽e2沿大环槽e1的圆周方向将大环槽e1分隔成多段非连续槽。
22.环罩c上设有端口方向相反且同轴的罩轴腔c1和罩环腔c2，罩轴腔c1和罩环腔c2的端口沿轴向配置，罩轴腔c1的外侧壁为罩环腔c2的内侧壁；连接器h由法兰h1和半轴h2构成，半轴h2套在罩轴腔c1内；环罩c和连接器h套在轴瓦b的内孔中，罩环腔c2的外壁和连接器h的法兰h1套在轴瓦b的内孔中；连接器h和轴瓦b上都沿圆周方向均布有用于安装外磁铁g的外磁铁腔c，连接器h上的外磁铁腔c位于半轴h2上；外磁铁腔c数量为槽腔组h的数量整数或整数分之一倍。
23.轴瓦b和连接器h二者之一的外磁铁腔c中安装有外磁铁g，即外磁铁g只能装在轴瓦b或连接器h上、轴瓦b和连接器h上不能同时安装外磁铁g；外磁铁g的磁极沿径向配置或圆周方向配置，两圆周方向相邻的外磁铁磁极的极性相反，相邻的外磁铁磁极为同一外磁铁g或不同外磁铁g上的两个磁极。
24.挡环f安装在环架e的大环槽e1内并与环架e构成线框q1和线槽q2，挡环f将内磁铁y封在内磁铁腔e3内，内磁铁y在内磁铁腔e3内可自由滚动，内磁铁y为径向极化的磁柱或磁球；线圈x安装在线框q1上并置于线槽q2内，线圈x通过缠绕的方法安装在线框q1上；线圈x套在内磁铁y的外侧，内磁铁y位于线圈x的内孔中，线圈x的轴线z2与柱状内磁铁y的轴线z1垂直，分别如图3和图12所示；一个槽腔组h中的线圈x和内磁铁y构成一个发电单元g，即线圈x与其内部的内磁铁y构成一个发电单元g，两个圆周上相邻发电单元g中的内磁铁y间无耦合作用力；发电单元g数量是外磁铁g的数量的整数倍或整数分之一倍。
25.环架e、线路板p及传感器s安装在环罩c内：环架e经罩盖d压接在环罩c的罩环腔c2内，罩盖d经螺钉安装在环罩c上的罩环腔c2的端部，罩盖d的止口顶靠在环架e的端部并将环架e顶靠在罩环腔c2的底壁上，线路板p置于罩盖d上，传感器s安装在转轴z、连接器h或环罩c上，传感器s为温度传感器、振动传感器或转速传感器；外磁铁g安装在轴瓦b或连接器h上，轴瓦b或连接器h不能同时安装有外磁铁g，内磁铁y与外磁铁g轴向对齐安装，即二者轴向的长度中心位于同一轴截面上。
26.本发明滑动轴承有两种工作模式。
27.发电单元g随转轴z转动，用于旋转部件的状态监测，此时：轴瓦b上安装有外磁铁g、连接器h上不安装外磁铁g，罩环腔c2的底壁经螺钉与连接器h及转轴z相连。
28.发电单元g不随转轴z转动，用于轴瓦b等静止部件的状态监测，此时：轴瓦b上不安装有外磁铁g、连接器h上安装外磁铁g，环罩c的侧壁经螺钉与轴瓦b和轴承座a相连。
29.工作过程中，外磁铁g与内磁铁y相对转动，沿圆周方向交替分布外磁铁g的n极和s极依次给内磁铁y施加转矩，内磁铁y在线圈x内滚动、磁极翻转、穿过线圈x的磁通量发生变化，线圈x切割磁力线发电，所获电能经导线输送到线路板p进行转换处理、存储或输出给传感器s，传感器s获得相关参数信息并经线路板p上的发射系统发射出去。
30.内磁铁y的具体激励过程如下：发电单元g转动的工作模式下，内磁铁y随转轴z转动、轴瓦b上的外磁铁g静止不动，如图2所示；非工作时，内某一内磁铁一y1与其距离最近的外磁铁一g1的异性磁极相吸、与其运动方向上的外磁铁二g2的同性磁极相斥；工作时，内磁铁一y1绕转轴z的中心顺时针旋转时，外磁铁一g1和外磁铁二g2都给内磁铁一y1施加磁耦合作用力，且转动过程中外磁铁一g1的吸引力逐渐减小、外磁铁二g2的排斥力逐渐增加，当外磁铁二g2施加的排斥力大于外磁铁一g1施加的吸引力时、即当外磁铁二g2施加的排斥力转矩大于外磁铁一g1施加的吸引力矩时，内磁铁一y1将绕其自身轴心迅速逆时针滚动、磁极快速翻转；此后，内磁铁一y1再次与其运动方向上的距离最近的某一外磁铁g的异性磁极产生相互吸引。
31.发电单元g静止的工作模式下，内磁铁y不随转轴z转动、连接器h上的外磁铁g随转轴z转动，如图4所示；初始状态下，内某一内磁铁二y2与其距离最近的外磁铁三g3的异性磁极相吸、与转近方向较近的外磁铁四g4的同性磁极相斥；外磁铁三g3和外磁铁四g4绕转轴z中心顺时针方向转动时都给内磁铁二y2施加磁耦合作用力，且转动过程中外磁铁三g3的吸引力逐渐减小、外磁铁四g4的排斥力逐渐增加，当外磁铁四g4施加的排斥力大于外磁铁三g3施加的吸引力时、即当外磁铁四g4施加的排斥力转矩大于外磁铁三g3施加的吸引力矩时，内磁铁二y2将绕其自身轴心迅速逆时针滚动、磁极快速翻转；此后，内磁铁二y2再次与逐渐靠近的距离最近的某一外磁铁g的异性磁极产生相互吸引。
32.本发明中，除轴承座a、内磁铁y、外磁铁g及转轴z以外的其他元件均由非铁磁性材料制成。
33.本发明中，为提升发电单元g的发电能力和体积能量密度，线圈x及各磁体间的参数关系为：t1=(1.25
±
0. 25)r1，t2=r2=(2
±
1)r1，t3=(1
±
0. 25) r1，s1=(1.25
±
0.75)r1，s2=(0.6
±
0.4) r1，s3=(2.25
±
0.75)r1，其中：r1和r2分别为内磁铁y直径和长度，s1、s2和s3分别为线圈x的高度、单侧壁厚和总宽度，t1、t2和t3分别为外磁铁g的周向宽度、轴向长度和径向厚度；δ=s2/r1、β= s1/r1分别称为线圈壁厚比和线圈高度比，称为线圈参数比；本发明采用输出功率比评价发供电能力，输出功率比是指不同结构参数时所得功率与其最大值之比，所述输出功率为开路电压与短路电流的乘积。
34.本发明的滑动轴承可用作为标准部件，无需外部供电与监测系统、无需改变转轴结构；发电方面与现有技术不同，利用外磁铁g的非接触磁耦合力迫使内磁铁y在线圈x滚动，从而改变过线圈x的磁场方向与强度、使线圈x切割磁力线发电；内磁铁y在线圈x内部滚动时，使使穿过线圈x的磁力线方交替变换、磁通量变化梯度大，故发电能力强、输出电压及
电流高。