CN103259453A - 用于风力发电机叶片监测系统的压电悬臂梁发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于风力发电机叶片监测系统的压电悬臂梁发电机，属于新能源和发电技术领域。左右端盖通过螺钉安装在壳体两端，左右端盖底部镶嵌有第一磁铁和轴套，左右端盖和壳体之间均压接有压电振子，压电振子自由端安装有第二磁铁；激励盘转轴置于镶嵌在左右端盖底部的轴套内；激励盘盘体外边缘上焊有质量块、镶嵌有第三磁铁。优点是使激励盘上磁铁与安装在旋转的压电振子上的磁铁间产生相对转动，实现压电振子的有效激励并发电，无需外界固定支撑；发电机为独立部件，无需改变叶片结构、便于安装维护；采用端部磁铁质量不同的扇形压电振子构造发电机，可靠性高、发电能力强、速带宽。

Description

用于风力发电机叶片监测系统的压电悬臂梁发电机

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种用于风力发电机叶片监测系统的压电悬臂梁发电机。

背景技术

叶片是风力发电机接收风能并将其转换成动能的关键部件，决定了发电机总体的可靠性及使用寿命。风力发电机叶片通常工作在较恶劣的环境下，且自身结构尺度、重量及工作载荷等都很大，除了因受雷击和地震等不可抗拒自然灾害损毁外，自然腐蚀、磨损及疲劳应力等造成的叶片损伤也不可避免。生产实践表明，风力发电机运行过程中所发生事故的三分之一是因叶片损伤所引起的，故风机叶片的健康监测势在必行。随着风机叶片长度以及风机总体数量的日益增加，以往依靠人工定期检查并加以维护的方法已无法满足生产需求。因此，人们提出了多种形式的风力发电机叶片健康状态监测方法或技术，如中国专利201210442074.1、200810057405.3、201110397347.0、201210149265.9等，为叶片裂纹、磨损及变形等状态的实时监测提供了有效的手段。但现有自动传感监测系统的供电问题目前尚未得到很好的解决，故难于大范围地推广应用，原因在于：传感监测系统需要安装在叶片上并随叶片转动，无法通过导线提供电能，而采用电池供电时需经常停机更换电池。因此，需开发一种微小型发电装置以满足监测系统的自供电需求。

近年来，为满足各类无线传感监测系统的自供电需求，人们提出了多种微小型振动式压电发电机，因其以薄片型压电振子为换能元件，故结构简单、体积小、集成化高，尤其适于无线传感监测系统自供电，某些类型振动式压电发电机已获得成功应用。为满足旋转体健康监测系统的供电需求，发明人还曾提出了多种基于磁力耦合激励旋转式压电发电机，如中国专利201210319215.0、201210320165.8、201210318782.4、201210318930.2等。上述各种旋转式发电机的特点是必须通过轴承座或轴承盖等“固定件”与轴类“旋转体”间的相对转动实现压电振子的有效激励，故无法用于“无固定支撑”的旋转体发电需求，如旋转风力发电机的叶片及汽车轮胎等。

此外，现有悬臂梁式旋转压电发电机采用的压电振子大都是等宽度的、且其固定端直径小于安装有磁铁的自由端的直径、弊端在于：压电振子弯曲变形时根部应力过大，易造成压电振子损毁；在发电机半径方向尺度一定的情况下，压电振子的面积小，总体发电能力弱；采用多个压电振子时各压电振子自由端质量相等，仅在某些特定转速时发生共振，转速适应能力低；最关键的是，高转速时磁铁离心力会使压电振子的轴向振动位移减小、甚至无振动，故发电效率低。

发明内容

本发明提供一种用于风力发电机叶片监测系统的压电悬臂梁发电机，以解决目前微小型发电装置不能满足监测系统的自供电需求、及悬臂梁式旋转压电发电机无振动，发电效率低的问题。

本发明采取的技术方案是：左端盖和右端盖分别通过螺钉安装在壳体的两端，所述左端盖及右端盖底部内侧分别镶嵌有第一磁铁和轴套；在左端盖和壳体之间、以及右端盖和壳体之间压接有金属基板，所述金属基板与其两侧所粘接的压电晶片共同构成扇形悬臂梁压电振子，所述压电振子的自由端通过螺钉安装有第二磁铁，且所述第二磁铁与安装于左端盖及右端盖底部内侧第一磁铁的中心线重合；激励盘的转轴分别置于镶嵌在左端盖及右端盖底部内侧的轴套的孔内，所述转轴与轴套的内孔铰接；激励盘的盘体的外边缘上焊接有扇形环质量块，激励盘的盘体上还镶嵌有第三磁铁；所述第一磁铁、第二磁铁及第三磁铁的半径相同，所述各磁铁圆心距激励盘转轴轴心的距离相同；所述第一磁铁与第二磁铁之间、以及第二磁铁与第三磁铁之间相邻磁极的极性相同；位于左端盖与壳体之间和位于右端盖与壳体之间的两个横截面上且中心重合的两个压电振子上的第二磁铁的规格相同，位于同一个横截面上的两个圆周方向相邻的第二磁铁的规格不同，其中最大的第二磁铁质量为：最小的第二磁铁质量为：

相邻两个第二磁铁的质量差为：

其中，n_高和n_低分别为最高和最低转速，n₀为转盘上圆周方向均布的磁铁数，K为压电振子的刚度。

本发明所述质量块的重力G应满足：

其中F_y第二磁铁和第三磁铁之间产生沿圆周方向的最大排斥力，R为第二磁铁及第三磁铁的中心到转轴中心的距离，η_n为安装在盘体一侧压电振子上的第二磁铁的数量n_a与安装在盘体上第三磁铁的数量n_b的最大公约数，Q<150°为扇形环质量块的中心角，R_G为质量块的质心到转轴中心的距离。

本发明所述第三磁铁的磁矩应为

盘体上圆周方向两个相邻第三磁铁中心与转轴中心连线间的夹角Q₀应满足 $\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0=\frac{\mathrm{\&pi;}{(L-x)}^4}{4{(L+x)}^4}\frac{[\frac{2\mathrm{xk\&pi;}}{3{\mathrm{\&mu;}}_0{m}_2\mathrm{}}+\frac{m_1}{{(l+x)}^4}]}{[\frac{2\mathrm{xk\&pi;}}{3{\mathrm{\&mu;}}_0{m}_2}+\frac{m_1}{{(l-x)}^4}]},$ 其中：m₁、m₃分别为第一、第二及第三磁铁的磁矩，m₂为位于同一横截面上压电振子端部的质量最大的第二磁铁的磁矩，x为第二磁铁偏离原始位置的距离，l和L分别为第二磁铁与第一及第三磁铁间的轴向距离，r、R分别为磁铁的半径和磁铁中心距转轴中心的距离，μ₀为真空磁导率，k为压电振子的等效弯曲刚度。

本发明的优点是结构新颖，1）利用质量块的重力作用使激励盘相对其转轴轴心保持静止，从而使安装在激励盘上的磁铁与旋转的压电振子及安装在压电振子上的磁铁之间产生相对转动，实现压电振子的有效激励并发电，无需外界固定支撑；2）该发电机为独立的部件，使用过程中无需改变叶片原始结构，且便于安装与维护；3）压电振子变形量受到两端磁铁的限制、不会与激励盘及左右端盖发生撞击，且扇形压电振子固定端应力相对较低，故可靠性高；4）采用扇形压电振子时横截面内压电振子的有效面积大、且压电振子长度方向的应力分布均匀，故发电能力强；5）同一圆周方向上各压电振子端部磁铁质量不等，发电机的有效速带宽；6）压电振子轴向对称配置，其振动力相互抵消，不会传递给风力发电机叶片；7）压电振子大端固定，其自由端磁铁的回转半径小，故磁铁离心力及其对压电振子轴向变形的影响小，可实现高转速下的有效发电。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电装置的结构原理简图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的I部放大图；

图4是扇形悬臂梁压电振子的布局方式

图5是传统的等宽度悬臂梁压电振子的布局示意图；

图6是压电振子端部磁铁质量不同时的电压-转速特性曲线对比图。

具体实施方式

左端盖11和右端盖2分别通过螺钉安装在壳体10的两端，所述左端盖11及右端盖2底部内侧分别镶嵌有第一磁铁8和轴套6；在左端盖11和壳体10之间、以及右端盖2和壳体10之间压接有金属基板301，所述金属基板301与其两侧所粘接的压电晶片302共同构成扇形悬臂梁压电振子3，所述压电振子3的自由端通过螺钉安装有第二磁铁5，且所述第二磁铁5与安装于左端盖11及右端盖2底部内侧第一磁铁8的中心线重合；激励盘7的转轴701分别置于镶嵌在左端盖11及右端盖2底部内侧的轴套6的孔内，所述转轴701与轴套6的内孔铰接；激励盘7的盘体702的外边缘上焊接有扇形环质量块9，激励盘7的盘体702上还镶嵌有第三磁铁12；所述第一磁铁8、第二磁铁5及第三磁铁12的半径相同，所述各磁铁圆心距激励盘7转轴轴心的距离相同；所述第一磁铁8与第二磁铁5之间、以及第二磁铁5与第三磁铁12之间相邻磁极的极性相同；位于左端盖11与壳体10之间和位于右端盖2与壳体10之间的两个横截面上且中心重合的两个压电振子3上的第二磁铁5的规格相同，位于同一个横截面上的两个圆周方向相邻的第二磁铁5的规格不同，最大的第二磁铁质量为：

最小的第二磁铁质量为：相邻两个第二磁铁的质量差为：

其中，n_高和n_低分别为最高和最低转速，n₀为转盘上圆周方向均布的磁铁数，K为压电振子的刚度。

为确保右端盖转动过程中质量块的质心始终处于转轴中心的下方，质量块的重力G应满足：其中F_y第二磁铁和第三磁铁之间产生沿圆周方向的最大排斥力，R为第二磁铁及第三磁铁的中心到转轴中心的距离，η_n为安装在盘体一侧压电振子上的第二磁铁的数量n_a与安装在盘体上第三磁铁的数量n_b的最大公约数，Q<150°为扇形环质量块的中心角，R_G为质量块的质心到转轴中心的距离。

为避免压电振子变形后其自由端的第二磁铁与第一磁铁或第三磁铁发生接触碰撞、限制压电振子的变形量，第三磁铁的磁矩应为

盘体上圆周方向两个相邻第三磁铁中心与转轴中心连线间的夹角Q₀应满足 $\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0=\frac{\mathrm{\&pi;}{(L-x)}^4}{4{(L+x)}^4}\frac{[\frac{2\mathrm{xk\&pi;}}{3{\mathrm{\&mu;}}_0{m}_2\mathrm{}}+\frac{m_1}{{(l+x)}^4}]}{[\frac{2\mathrm{xk\&pi;}}{3{\mathrm{\&mu;}}_0{m}_2}+\frac{m_1}{{(l-x)}^4}]},$ 其中：m₁、m₃分别为第一、第二及第三磁铁的磁矩，m₂为位于同一横截面上压电振子端部的质量最大的第二磁铁的磁矩，x为第二磁铁偏离原始位置的距离，l和L分别为第二磁铁与第一及第三磁铁间的轴向距离，r、R分别为磁铁的半径和磁铁中心距转轴中心的距离，μ₀为真空磁导率，k为压电振子的等效弯曲刚度。

工作过程中，右端盖2通过螺钉安装在风力发电机叶片1上，并随风力发电机叶片1一起绕风力发电机主轴4旋转；当第二磁铁5在圆周方向上靠近第三磁铁12、且所述两个磁铁在圆周方向上未重叠时，第二磁铁5和第三磁铁12之间产生沿圆周方向的排斥力F_y，从而产生使第三磁铁12沿转轴701转动的驱动转矩M_y，当第二磁铁5与第三磁铁12在圆周方向“相切”时驱动力矩最大，即为M_y=RF_y，其中R为第二磁铁5及第三磁铁12的中心到转轴701中心的距离；由于本发明的激励盘7上安装有质量块9，当质量块9因受驱动转矩M_y作用转过一定角度Q₁时，质量块9的重力G产生一个反向的制动转矩M_G=GR_GcosQ₁，其中R_G为质量块9的质心到转轴701中心的距离。

为确保右端盖2转动过程中质量块9的质心始终处于转轴701中心的下方，应使当质量块9转角为Q₁=(180-Q)/2时各第二磁铁5与第三磁铁12之间驱动转矩之和小于或等于制动转矩，即

由此得质量块9的重力应满足：其中η_n为安装在盘体702一侧压电振子上的第二磁铁5的数量n_a与安装在盘体702上的第三磁铁12的数量n_b的最大公约数，Q<150°为扇形环质量块9的中心角。

当质量块9不随右端盖2转动时，第二磁铁5与安装在盘体702上的第三磁铁12之间产生相对转动；进而改变第二磁铁5所受的轴向排斥力，使压电振子3产生往复的轴向弯曲变形并将机械能转换成电能。

在发电机的上述工作过程中，第三磁铁12提供使第二磁铁5产生轴向振动的激振力、第一磁铁8提供第二磁铁5的回复力并限制其振动位移。以图3中左侧压电振子3为例，第二磁铁5向左右运动时所受的作用力分别为：

和

其中，η_S为第二磁铁5与单个或两个圆周方向相邻第三磁铁12间的重叠面积与磁铁总面积之比，x为第二磁铁5偏离原始位置的距离，l和L分别为第二磁铁5与第一磁铁8及第三磁铁12间的轴向距离，m₁、m_2,i、m₃分别为第一、第二及第三磁铁的磁矩，i=1...n表示位于同一横截面上的第i个压电振子上的第二磁铁5，μ₀为真空磁导率，k为压电振子的等效弯曲刚度。为避免工作中第二磁铁5与第一磁铁8或第三磁铁12发生接触碰撞、限制压电振子3的变形量，第二磁铁5在左右两个极限位置时所受的作用力均应为零，且向左运动时面积比为η_S=1、向右运动时面积比为 ${\mathrm{\&eta;}}_S=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}\left[\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0\right],$ 其中r、R分别为磁铁的半径和磁铁中心距转轴701中心的距离，Q₀为盘体702上两个圆周方向相邻第三磁铁12中心与转轴701的中心连线间的夹角。

因此，为避免压电振子变形时质量最大的第二磁铁与第一磁铁或第三磁铁发生接触碰撞、并限制压电振子3的变形量，第三磁铁12的磁矩、以及盘体702圆周方向两个相邻第三磁铁12中心与转轴701中心连线间的夹角应满足：

$m_3=[\frac{2\mathrm{xk\&pi;}}{3{\mathrm{\&mu;}}_0{m}_2}+\frac{m_1}{{(l-x)}^4}]{(L+x)}^4,$

$\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0=\frac{\mathrm{\&pi;}{(L-x)}^4}{4{(L+x)}^4}\frac{[\frac{2\mathrm{xk\&pi;}}{3{\mathrm{\&mu;}}_0{m}_2\mathrm{}}+\frac{m_1}{{(l+x)}^4}]}{[\frac{2\mathrm{xk\&pi;}}{3{\mathrm{\&mu;}}_0{m}_2}+\frac{m_1}{{(l-x)}^4}]},$ 其中，m₂为位于同一横截面上压电振子3端部的质量最大的第二磁铁5的磁矩，即m₂=max(m_2,i)。

本发明中采用压电振子3是扇形的，且固定端的宽度大于自由端的宽度。根据材料力学知识，在压电振子长度方向上的应力分布比等宽度悬臂梁压电振子的应力分布均匀、且固定端的最大应力相对较小，从而提高发电机的强度及可靠性；同时，采用扇形压电振子时，发电机横截面内压电振子的有效面积为采用等宽度悬臂梁压电振子时的ξ=(R_d/r_x+1)/2倍，其中R_d和r_x分别为装配后压电振子大半径和小半径，如R_d/r_x=5则ξ=3，因此在压电振子所受平均应力相等的情况下，扇形悬臂梁压电振子的发电量为等宽度悬臂梁压电振子的ξ=(R_d/r_x+1)/2倍；此外，采用扇形压电振子时，其端部磁铁的回转半径小，故离心力自身及其对磁铁轴向运动的影响小，可实现高转速下的有效发电。

本发明中，各个磁铁的半径相等，故磁铁的磁矩及质量均与其厚度成正比。根据振动学理论，在其它参数确定的情况下，改变压电振子3端部第二磁铁5的质量即可改变压电振子3的固有频率，即使其产生最大振幅及电压的转速。因此，本发明中同一横截面上压电振子3端部的第二磁铁5的质量互不相等时可有效提高发电机的速带宽度，从而使压电发电机在较大的转速范围内都能有效发电。本发明最大的第二磁铁质量为：

最小的第二磁铁质量为：

相邻两个第二磁铁的质量差为：

其中，n_高和n_低分别为最高和最低转速，n₀为转盘上圆周方向均布的磁铁数，K为压电振子的刚度。

图6给出的是第二磁铁5的磁矩互不相等时压电振子3的电压-转速特性曲线，其中各磁矩的关系为m_2,3>m_2,2>m_2,1。显然，不同磁矩所对应的使压电振子3输出电压最大的转速不同，磁矩为m_2,3时，在转速为n=700～1000r/min范围内压电振子的输出电压均较低，而磁矩为m_2,2和m_2,1时在此范围内可以获得较高的输出电压，因此，采用多个端部磁铁规格不同的压电振子构造的发电机具有较宽的速带。

Claims (3)

1.用于风力发电机叶片监测系统的压电悬臂梁发电机，其特征在于：左端盖和右端盖分别通过螺钉安装在壳体的两端，所述左端盖及右端盖底部内侧分别镶嵌有第一磁铁和轴套；在左端盖和壳体之间、以及右端盖和壳体之间压接有金属基板，所述金属基板与其两侧所粘接的压电晶片共同构成扇形悬臂梁压电振子，所述压电振子的自由端通过螺钉安装有第二磁铁，且所述第二磁铁与安装于左端盖及右端盖底部内侧第一磁铁的中心线重合；激励盘的转轴分别置于镶嵌在左端盖及右端盖底部内侧的轴套的孔内，所述转轴与轴套的内孔铰接；激励盘的盘体的外边缘上焊接有扇形环质量块，激励盘的盘体上还镶嵌有第三磁铁；所述第一磁铁、第二磁铁及第三磁铁的半径相同，所述各磁铁圆心距激励盘转轴轴心的距离相同；所述第一磁铁与第二磁铁之间、以及第二磁铁与第三磁铁之间相邻磁极的极性相同；位于左端盖与壳体之间和位于右端盖与壳体之间的两个横截面上且中心重合的两个压电振子上的第二磁铁的规格相同，位于同一个横截面上的两个圆周方向相邻的第二磁铁的规格不同，其中最大的第二磁铁质量为：

最小的第二磁铁质量为：

相邻两个第二磁铁的质量差为：

其中，n_高和n_低分别为最高和最低转速，n₀为转盘上圆周方向均布的磁铁数，K为压电振子的刚度。

2.根据权利要求1所述的用于风力发电机叶片监测系统的压电悬臂梁发电机，其特征在于：所述质量块的重力G应满足：

其中F_y第二磁铁和第三磁铁之间产生沿圆周方向的最大排斥力，R为第二磁铁及第三磁铁的中心到转轴中心的距离，η_n为安装在盘体一侧压电振子上的第二磁铁的数量n_a与安装在盘体上第三磁铁的数量n_b的最大公约数，Q<150°为扇形环质量块的中心角，R_G为质量块的质心到转轴中心的距离。

3.根据权利要求1所述的用于风力发电机叶片监测系统的压电悬臂梁发电机，其特征在于：所述第三磁铁的磁矩应为

盘体上圆周方向两个相邻第三磁铁中心与转轴中心连线间的夹角Q₀应满足 $\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0=\frac{\mathrm{\&pi;}{(L-x)}^4}{4{(L+x)}^4}\frac{[\frac{2\mathrm{xk\&pi;}}{3{\mathrm{\&mu;}}_0{m}_2\mathrm{}}+\frac{m_1}{{(l+x)}^4}]}{[\frac{2\mathrm{xk\&pi;}}{3{\mathrm{\&mu;}}_0{m}_2}+\frac{m_1}{{(l-x)}^4}]},$ 其中：m₁、m₃分别为第一、第二及第三磁铁的磁矩，m₂为位于同一横截面上压电振子端部的质量最大的第二磁铁的磁矩，x为第二磁铁偏离原始位置的距离，l和L分别为第二磁铁与第一及第三磁铁间的轴向距离，r、R分别为磁铁的半径和磁铁中心距转轴中心的距离，μ₀为真空磁导率，k为压电振子的等效弯曲刚度。

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