CN103269181A - 一种悬锤自激轮式发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬锤自激轮式发电机，属于新能源和发电技术领域。左右端盖用螺钉安装在壳体两端，左右端盖底部镶嵌有限位环和轴承；所述端盖与壳体间压接有扇形压电振子，压电振子自由端装有动磁铁；激励盘的转轴置于轴承内圈中，激励盘盘体外边缘上焊接有悬锤，激励盘盘体上镶嵌有定磁铁。优点是利用悬锤的重力作用使激励盘相对其回转中心保持静止，从而使激励盘上的定磁铁与压电振子上的动磁铁产生相对转动，实现压电振子的有效激励并发电，无需外界固定支撑；发电机为独立的部件，使用过程中无需改变叶片结构，且便于安装与维护；压电振子可靠性高、有效速带宽。

Description

一种悬锤自激轮式发电机

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种悬锤自激轮式发电机，用于风力发电机叶片监测系统供电。

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大，易造成压电振子损毁；发电机半径方向尺度一定时，压电振子的面积小、总体发电能力弱；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

本发明提供一种悬锤自激轮式发电机，以解决现有旋转式压电发电机需要外界固定支撑而无法应用的问题，以满足风力发电机叶片监测系统的供电需求。

本发明采用的技术方案是：左端盖和右端盖分别通过螺钉安装在壳体的两端，所述左、右端盖底部内侧分别镶嵌有限位环和轴承；在左端盖和壳体之间、以及右端盖和壳体之间均压接有金属基板，所述金属基板与其一侧所粘接的压电晶片构成扇形压电振子，所述压电振子顶靠在限位环的尖点上，所述压电晶片粘接在靠近限位环的一侧，所述压电振子的自由端通过螺钉安装有动磁铁；激励盘的转轴两端分别固定在镶嵌在左端盖及右端盖底部内侧的轴承的内圈中；激励盘的盘体的外边缘上焊接有悬锤，激励盘的盘体上还镶嵌有定磁铁；所述动磁铁及定磁铁的半径相同、且所述各磁铁中心距激励盘回转中心的距离相等；所述动磁铁与定磁铁相邻磁极的极性相同。

本发明所述悬锤的重力G应满足：

其中R为动磁铁及定磁铁的中心到转轴中心的距离，R_G为悬锤的质心到转轴中心的距离，F_y为动磁铁和定磁铁之间产生沿圆周方向的最大排斥力，η_n为盘体一侧的动磁铁数量n_a与盘体上的定磁铁数量n_b的最大公约数，Q<150°为扇形环悬锤的中心角。

本发明所述激励盘上圆周方向两相邻定磁铁中心与激励盘转轴中心连线间的夹角Q₀应满足：

$\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}[(1-{\mathrm{\&eta;}}_F)\frac{m_1}{m_2}{\left(\frac{l}{L}\right)}^4+{\mathrm{\&eta;}}_F],$ 其中：η_F为最小作用力与最大作用力之比，r、R分别为磁铁半径和磁铁中心所对应的回转半径，l为动磁铁与定磁铁间的轴向距离，L为两个动磁铁间的轴向距离，m₁、m₂分别为动磁铁及定磁铁的磁矩。

本发明的优点是结构新颖，①利用悬锤的重力作用使激励盘相对其回转中心保持静止，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采用扇形压电振子，且压电振子因受限位环制约，刚度大、应力变化范围小、且仅承受压应力作用，故可靠性高、有效速带宽、发电能力强；④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。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构原理简图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的I部放大图；

图4为压电振子在有限位环和无限位环时的转速-电压特性曲线对比图。

具体实施方式

左端盖9和右端盖1分别通过螺钉安装在壳体8的两端，所述左端盖9及右端盖1底部内侧分别镶嵌有限位环3和轴承5；在左端盖9和壳体8之间、以及右端盖1和壳体8之间压接有金属基板201，所述金属基板201与其一侧所粘接的压电晶片202构成扇形压电振子2，所述压电振子2顶靠在限位环3的尖点上，所述压电晶片202粘接在靠近限位环3的一侧，所述压电振子2的自由端通过螺钉安装有动磁铁4；激励盘6的转轴601两端分别固定在镶嵌在左端盖9及右端盖1底部内侧的轴承5的内圈中；激励盘6的盘体602的外边缘上焊接有悬锤7，激励盘6的盘体602上还镶嵌有定磁铁10；所述动磁铁4及定磁铁10的半径相同、且所述各磁铁中心距激励盘6回转中心的距离相等；所述动磁铁4与定磁铁10相邻磁极的极性相同。

本发明所述悬锤的重力G应满足：

其中R为动磁铁及定磁铁的中心到转轴中心的距离，R_G为悬锤的质心到转轴中心的距离，F_y为动磁铁和定磁铁之间产生沿圆周方向的最大排斥力，η_n为盘体一侧的动磁铁数量n_a与盘体上的定磁铁数量n_b的最大公约数，Q<150°为扇形环悬锤的中心角。

本发明所述激励盘上圆周方向两相邻定磁铁中心与激励盘转轴中心连线间的夹角Q₀应满足：

$\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}[(1-{\mathrm{\&eta;}}_F)\frac{m_1}{m_2}{\left(\frac{l}{L}\right)}^4+{\mathrm{\&eta;}}_F],$ 其中：η_F为最小作用力与最大作用力之比，r、R分别为磁铁半径和磁铁中心所对应的回转半径，l为动磁铁与定磁铁间的轴向距离，L为两个动磁铁间的轴向距离，m₁、m₂分别为动磁铁及定磁铁的磁矩。

工作过程中，右端盖1通过螺钉安装在风力发电机叶片11上，并随风力发电机叶片11一起绕风力发电机主轴12旋转；当动磁铁4在圆周方向上靠近定磁铁10、且所述两个磁铁在圆周方向上未重叠时，动磁铁4和定磁铁10之间产生沿圆周方向的排斥力F_y，从而产生使定磁铁10沿转轴601转动的驱动转矩M_y，当动磁铁4与定磁铁10在圆周方向“相切”时驱动力矩最大，即为M_y=RF_y，其中R为动磁铁4及定磁铁10的中心到转轴601中心的距离；由于本发明的激励盘6上安装有悬锤7，当悬锤7因受驱动转矩M_y作用转过一定角度Q₁时，悬锤7的重力G产生一个反向的制动转矩M_G=GR_GcosQ₁，其中R_G为悬锤7的质心到转轴601中心的距离。

为确保发电机工作过程中悬锤7的质心始终处于转轴601中心的下方，应使当悬锤7转角为Q₁=(180-Q)/2时各动磁铁4与定磁铁10之间驱动转矩之和小于或等于制动转矩，即

由此得悬锤7的重力应满足：

其中η_n为安装在盘体602一侧压电振子2上的动磁铁4的数量n_a与安装在盘体602上的定磁铁10的数量n_b的最大公约数，Q<150°为扇形环悬锤7的中心角。

当悬锤7不随右端盖1转动时，动磁铁4与定磁铁10之间产生相对转动；进而改变动磁铁4所受的轴向排斥力，使压电振子2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，压电振子2所受的轴向作用力即为动磁铁4所受的磁力。以图3中左侧动磁铁4为例，其所受总的外力为：

$F=F_1-F_2=\frac{{3\mathrm{\&mu;}}_0{m}_1}{2\mathrm{\&pi;}}[\frac{m_2}{l^4}{\mathrm{\&eta;}}_S-\frac{m_1}{L^4}],$ 其中， $F_1=\frac{{3\mathrm{\&mu;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{m_1{m}_2}{l^4}{\mathrm{\&eta;}}_S$ 为动磁铁4与定磁铁10之间的排斥力，

为两个动磁铁4之间的吸引力，η_S为动磁铁4与单个或两个周向相邻定磁铁10间的重叠面积与磁铁总面积之比，l为动磁铁4与定磁铁10间的轴向距离，L为两个动磁铁4间的轴向距离，m₁、m₂分别为动磁铁4及定磁铁10的磁矩，μ₀为真空磁导率。当动磁铁4与定磁铁10中心线重合时，面积比η_S=1、压电振子2所受作用力最大，即

为避免压电振子2中压电晶片202工作中因承受拉应力而损毁，本发明中压电晶片202仅工作在压应力的条件下，即动磁铁4仅承受指向限位环3方向的外部作用力，且要求压电振子2所承受的最小外力为 $F_{\min }=\frac{{3\mathrm{\&mu;}}_0{m}_1}{2\mathrm{\&pi;}}[\frac{m_2}{l^4}{\mathrm{\&eta;}}_S-\frac{m_1}{L^4}]={\mathrm{\&eta;}}_F{F}_{\max }>0,$ 其中η_F为最小作用力与最大作用力之比，且有0<η_F<1。根据本发明发电机的工作原理，为满足F_min>0需动磁铁4同时与两个周向相邻的定磁铁10重叠，此时的面积比为 ${\mathrm{\&eta;}}_S=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}[\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0],$ 其中r、R分别为磁铁的半径和磁铁中心所对应的回转半径，Q₀为激励盘6上圆周方向两相邻定磁铁10中心与激励盘6中心连线的夹角，此时，激励盘6上圆周方向两个相邻定磁铁10中心与激励盘6的转轴中心连线间的夹角应满足：

$\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}[(1-{\mathrm{\&eta;}}_F)\frac{m_1}{m_2}{\left(\frac{l}{L}\right)}^4+{\mathrm{\&eta;}}_F].$

本发明中采用压电振子是扇形的，且固定端的宽度大于自由端的宽度。根据材料力学知识，扇形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。

由于本发明中压电振子2在往复弯曲变形中受到限位环3和激励盘6上定磁铁10的夹持作用，因此压电振子2的弯曲刚度远大于自由状态下的弯曲刚度，从而改变了发电机的转速-电压特性曲线，即图4中的Vg-n特性曲线，其中ZL和XL分别为压电振子自由状态下以及有限位环时的电压特性曲线。从图中可以看出，ZL曲线中有多个使输出电压出现峰值的转速，且最大与最小电压的变化范围很大，最大电压过高时易使压电振子因变形过大而碎裂、往往难以满足实时供电的需求；相对而言，XL曲线的最大及最小电压间变化较小，因此压电振子在整个转速域内应力变化范围相对较小，压电振子不至因变形过大而损毁，可靠性高，其有效速带宽度较大，在100-1200r/min范围内XL曲线的电压值均大于10V，而ZL曲线在转速大于700r/min后的电压均低于10V，因此采用限位环限制压电振子的变形量可大幅度提高发电机的有效速带宽度。

在本发明中，利用悬锤的重力作用使激励盘相对其回转中心保持静止，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；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；压电振子因受限位环制约，刚度大、应力变化范围小、且仅承受压应力作用，故可靠性高、有效速带宽。

Claims (3)

1.一种悬锤自激轮式发电机，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、右端盖底部内侧分别镶嵌有限位环和轴承；在左端盖和壳体之间、以及右端盖和壳体之间均压接有金属基板，所述金属基板与其一侧所粘接的压电晶片构成扇形压电振子，所述压电振子顶靠在限位环的尖点上，所述压电晶片粘接在靠近限位环的一侧，所述压电振子的自由端通过螺钉安装有动磁铁；激励盘的转轴两端分别固定在镶嵌在左端盖及右端盖底部内侧的轴承的内圈中；激励盘的盘体的外边缘上焊接有悬锤，激励盘的盘体上还镶嵌有定磁铁；所述动磁铁及定磁铁的半径相同、且所述各磁铁中心距激励盘回转中心的距离相等；所述动磁铁与定磁铁相邻磁极的极性相同。

2.根据权利要求1所述的一种悬锤自激轮式发电机，其特征在于：所述悬锤的重力G应满足：

其中R为动磁铁及定磁铁的中心到转轴中心的距离，R_G为悬锤的质心到转轴中心的距离，F_y为动磁铁和定磁铁之间产生沿圆周方向的最大排斥力，η_n为盘体一侧的动磁铁数量n_a与盘体上的定磁铁数量n_b的最大公约数，Q<150°为扇形环悬锤的中心角。

3.根据权利要求1所述的一种悬锤自激轮式发电机，其特征在于：所述激励盘上圆周方向两相邻定磁铁中心与激励盘转轴中心连线间的夹角Q₀应满足：

$\arccos \left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)-\frac{R}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{R}{r}\sin Q_0\right)}^2}\sin Q_0=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}[(1-{\mathrm{\&eta;}}_F)\frac{m_1}{m_2}{\left(\frac{l}{L}\right)}^4+{\mathrm{\&eta;}}_F],$ 其中：η_F为最小作用力与最大作用力之比，r、R分别为磁铁半径和磁铁中心所对应的回转半径，l为动磁铁与定磁铁间的轴向距离，L为两个动磁铁间的轴向距离，m₁、m₂分别为动磁铁及定磁铁的磁矩。