CN105978402B - 风力发电机叶片监测系统用自激轮式压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风力发电机叶片监测系统用自激轮式压电发电机，属压电发电领域。主轴上套有左右壁板及分流器，端部装有压板；左右壁板轴套与分流器轴套间分别压接有金属基板；左右壁板轴套、分流器轴套及金属基板通过平键与主轴连接；金属基板上的悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子；分流器两侧的压电振子对称安装，左右推流板对称安装；壳体左右两端分别与左右壁板相连，左右壁板、壳体及分流器轴套共同构成发电机腔体，腔体内填充有液体。优势特色：利用分流器及推流板改变液体流动状态实现压电振子振动激励，无刚性接触冲击、无电磁干扰、无需外界固定支撑，可作为独立部件置于叶片或其转轴上，尤其适于要求无电磁干扰的无线传感监测系统。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种风力发电机叶片监测系统用自激轮式压电发电机。
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损伤也不可避免。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，故叶片健康监测势在必行。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，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，因为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，因此人们提出了多种压电发电机为监测系统供电。现有大部分旋转式压电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，无法用于“无固定支撑”的旋转体发电需求；此外，现有风力发电机叶片监测系统用的压电发电机大都采用磁力耦合实现非接触激励的，电磁干扰会降低无线监测信号的准确性和实时性，严重时甚至导致监测系统无法正常工作。
发明内容
针对现有风力发电机叶片监测系统所面临的供电难题，本发明提出一种风力发电机叶片监测系统用自激轮式压电发电机。本发明采用的实施方案是：主轴上自左至右套有左壁板轴套、分流器轴套及右壁板轴套，主轴端部经螺钉安装有压板，压板压接在右壁板上；左壁板轴套与分流器轴套间及分流器轴套与右壁板轴套间通过密封垫压接有金属基板；左壁板轴套、右壁板轴套、分流器轴套及金属基板通过平键与主轴连接；金属基板上均布地设有N个金属悬臂梁，N为偶数、且N＝2～8，金属悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子；分流器轴套上均布地设有带一定分流角的分流体，分流角为60～120度；左壁板上均布地设有带一定推流角的左推流板，右壁板上均布地设有带一定推流角的右推流板，左推流板和右推流板上的推流角相等、且取值范围为30～60度，左推流板和右推流板的数量都是N/2；分流器轴套两侧的压电振子对称安装，分流体介于分流器轴套左右两侧的压电振子之间；左推流板和右推流板对称安装，左推流板和右推流板在圆周上与分流体间的夹角为360/N度；壳体左右两端分别通过螺钉与左壁板和右壁板相连，壳体与左壁板和右壁板之间分别设有密封垫；左壁板、右壁板、壳体及分流器轴套共同构成发电机腔体，发电机腔体内填充有低粘度液体。
本发明中，为提高压电振子的动态响应特性及发电量，金属基板为铍青铜，且厚度比、即金属基板厚度与压电振子总厚度之比范围为0.55～0.8，此时的发电量较大。
工作过程中，主轴端部法兰通过螺钉安装在风力发电机叶片转轴上，并随风力发电机叶片转轴旋转，压电振子、分流体、左推流板和右推流板随主轴转动；发电机腔体内液体在惯性力作用下处于发电机腔体的底部，在分流体、左推流板及右推流板未转入液体内部时，液体处于相对静止状态。
当分流体与其左右两侧的压电振子同时转入液体内部时，处于分流体前面的液体因受分流体作用而向左右两侧运动并迫使压电振子向远离分流体的方向弯曲变形，待所述压电振子及分流体转出液体时，压电振子在其自身弹性力及离心力的作用下复位。
当左推流板、右推流板及其相邻压电振子同时转入液体内部时，处于左推流板和右推流板前面的流体因受左推流板和右推流板的作用而向发电机腔体的中间流动，从而迫使压电振子向远离它所靠近的左推流板或右推流板的方向弯曲变形，待所述压电振子、左分流板及右分流板转出液体时，压电振子在其自身弹性力及离心力的作用下复位。当压电振子交替地转入流体、转出流体时，便产生连续的弯曲变形，从而将机械能转换成电能。
优势与特色：1)利用分流器及推流板改变液体流动状态实现压电振子振动激励，无刚性接触冲击、无电磁干扰，尤其适于要求无电磁干扰的无线传感监测系统；2)利用液体惯性力及流动性实现转动自激发电，无需外界固定支撑，可置于叶片或其转轴上；3)发电机为独立部件，无需改变风机叶片或转轴结构，便于安装与维护。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图2的B-B剖视图；
图4是图2的C-C剖视图；
图5是本发明一个较佳实施例中压电振子的结构示意图；
图6是图5的左视图；
图7是本发明一个较佳实施例中分流器的结构示意图；
图8是压电振子的能量比与厚度比的关系曲线。
具体实施方式
主轴f上自左至右套有左壁板e的轴套e1、分流器d的轴套d1及右壁板a的轴套a1，主轴f端部经螺钉安装有压接在右壁板a上的压板h；左壁板e的轴套e1与分流器d的轴套d1间以及分流器d的轴套d1与右壁板a的轴套a1之间通过密封垫压接有金属基板c1；左壁板e的轴套e1、分流器d的轴套d1、右壁板a的轴套a1及金属基板c1通过平键g与主轴f连接；金属基板c1上均布地设有N个金属悬臂梁c11，N为偶数、且N＝2～8，金属悬臂梁c11与所粘接的压电晶片c2构成压电振子c；分流器d的轴套d1上均布地设有带一定分流角Q0的分流体d2，分流角Q0的取值范围为60～120度；左壁板e上均布地设有带一定推流角Q的左推流板e2，右壁板a上均布地设有带一定推流角Q的右推流板a2，推流角Q的取值范围为30～60度，左推流板e2的数量和右推流板a2的数量都是N/2；分流器d的轴套d1两侧的压电振子c对称安装，分流体d2介于分流器d的轴套d1左右两侧的压电振子c之间；左推流板e2和右推流板a2对称安装，左推流板e2和右推流板a2在圆周上与分流体d2间的夹角Q1为360/N度；壳体b的左右两端分别通过螺钉与左壁板e和右壁板a相连，壳体b与左壁板e和右壁板a之间分别设有密封垫；左壁板e、右壁板q、壳体b及分流器d的轴套d1共同构成发电机腔体K，发电机腔体K的内填充有低粘度液体。
本发明中，为提高压电振子c的动态响应特性及发电量，金属基板c1为铍青铜，且厚度比、即金属基板c1的厚度与压电振子c的总厚度之比范围为0.55～0.8，此时的发电量较大；图8给出了外力一定时能量比与厚度比的关系曲线，其中的能量比是指各不同厚度比的压电振子c的一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比。
工作过程中，主轴f端部的法兰通过螺钉安装在风力发电机叶片y的转轴z上，并随风力发电机叶片y的转轴z旋转，压电振子c、分流体d2、左推流板e2及右推流板a2随主轴f转动；发电机腔体K内的液体在惯性力作用下处于发电机腔体的底部，在分流体d2、左推流板e2及右推流板a2未转入液体内部时，液体处于相对静止状态。
如图3所示，当分流体d2与其左右两侧的压电振子c同时转入液体内部时，处于分流体d2前面的液体因受分流体d2作用而向左右两侧运动并迫使压电振子c向远离分流体d2的方向弯曲变形，待所述压电振子c及分流体d2转出液体时，压电振子c在其自身弹性力及离心力的作用下复位。
如图4所示，当左推流板e2、右推流板a2及其相邻压电振子c同时转入液体内部时，处于左推流板e2及右推流板a2前面的流体因受所述左推流板e2或右推流板a2的作用而向发电机腔体K的中间流动，从而迫使压电振子c向远离它所靠近的左推流板e2或右推流板a2的方向弯曲变形，待所述压电振子c、左分流板e2及右分流板a2转出液体时，所述压电振子c在其自身弹性力及离心力的作用下复位。当压电振子c交替地转入流体、转出流体时，便产生连续的弯曲变形，从而将机械能转换成电能。
Claims (1)
1.风力发电机叶片监测系统用自激轮式压电发电机，其特征在于：主轴上自左至右套有左壁板轴套、分流器轴套及右壁板轴套，主轴端部通过螺钉装有压板，压板压在右壁板上；左壁板轴套与分流器轴套间及分流器轴套与右壁板轴套间通过密封垫压接有金属基板；左壁板轴套、右壁板轴套、分流器轴套及金属基板通过平键与主轴连接；金属基板上均布地设有N个金属悬臂梁，N为偶数、且N＝2～8，金属悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子；金属基板为铍青铜，且金属基板厚度与压电振子总厚度之比范围为0.55～0.8；分流器轴套上均布地设有带一定分流角的分流体，分流角为60～120度；左壁板上均布地设有带一定推流角的左推流板，右壁板上均布地设有带一定推流角的右推流板，左推流板和右推流板上的推流角相等、且取值范围为30～60度，左推流板和右推流板数量都是N/2；分流器轴套两侧的压电振子对称安装，分流体介于两个压电振子之间；左推流板和右推流板对称安装，左推流板和右推流板在圆周上与分流体间的夹角为360/N度；壳体左右两端分别通过螺钉与左壁板和右壁板相连，壳体与左壁板和右壁板之间分别设有密封垫；左壁板、右壁板、壳体及分流器轴套共同构成发电机腔体，发电机腔体内填充有低粘度液体；工作过程中，主轴端部法兰通过螺钉安装在风力发电机叶片转轴上，并随风力发电机叶片转轴旋转，压电振子、分流体、左推流板和右推流板随主轴转动；发电机腔体内液体在惯性力作用下处于发电机腔体的底部，在分流体、左推流板及右推流板未转入液体内部时，液体处于相对静止状态。
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