CN106059391A - 一种用于风电齿轮箱监测系统供电的压电梁俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于风电齿轮箱监测系统供电的压电梁俘能器，属压电发电领域。转轮两侧通过左右端盖装有金属基板，金属基板的悬臂梁与压电晶片构成压电振子，压电振子上装有受激磁铁；齿轮轴置于转轮中心孔内且其端部与右端盖连接；齿轮轴与转轮环腔构成滑道，滑道内装有铁磁性激励器；转轮一侧压电振子数和激励器数都大于1时，两相邻压电振子间夹角和两相邻激励器中心与转轮回转中心连线间的夹角不能互为整数倍；转轮两侧及其相邻的端盖侧面都设有限位面和沉槽。优势特色：无需固定支撑、结构简单且激励器所受转动力小；压电振子结构合理且变形后各点应力相同，发电量大、可靠性高、有效频带宽；可作为标准部件用于悬臂轴齿轮及多齿轮共轴场合。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种用于风电齿轮箱监测系统供电的压电梁俘能器。
背景技术
齿轮箱是风力发电机组的关键部件，其功能是传输动力。风力发电机正常运转时，风轮的转速较低、致使发电机效率较低，故需通过齿轮箱增速以提高发电能力及效率。由于风电齿轮箱工作在变速变载荷环境下，故易发生故障；此外，风电齿轮箱出现故障时维修困难、且成本高，风电齿轮箱运行及维护成本可高达总体运行成本的30％。因此，人们提出了多种形式的齿轮箱状态实时监测系统与方法，以期实时获得齿轮箱的各相关参数、及时发现并解决问题，从而降低设备损坏程度及维修成本。目前，风电齿轮箱监测的要素包括齿轮、轴承及轮轴等运动部件的载荷、振动及温度等诸多方面。
对于齿轮及轴的监测而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在齿轮或轴上或靠近齿轮或轴安装，从而实现其运行状态的直接在线监测；但这种监测方案因无法为传感监测系统的提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，原因在于：①齿轮和轴处于旋转运动状态，无法通过电缆供电；②如采用电池供电，因电池使用寿命有限而需经常更换，当电池电量不足而未及时更换时将无法实现有效的监测；③远离轴承座的悬臂轴及其端部齿轮以及多个齿轮共轴时，都无法通过旋转齿轮或轴与固定支撑件间相对运动构造微小型发电机。限于风电齿轮箱齿轮及轴的监测系统能源供应问题，目前实际中还无法实现真正意义上的实时在线监测。
发明内容
针对风电齿轮箱监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种用于风电齿轮箱监测系统供电的压电梁俘能器。本发明采用的实施方案是：转轮左右两侧分别通过螺钉安装有左右端盖，左右端盖与转轮侧壁间都压接金属基板，金属基板上的悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子，压电振子自由端经螺钉安装有受激磁铁，受激磁铁置于压电振子对称中心上且靠近转轮安装，受激磁铁置于转轮侧面的长方形导槽中；齿轮的悬臂轴置于转轮中心孔内且端部经螺钉与右端盖连接；悬臂轴与转轮中心孔之间设有密封圈，悬臂轴与转轮上的环腔构成滑道，滑道内填充有润滑油、安装由铁或磁铁制成的球形激励器；激励器材料为磁铁且激励器数量大于1时，两相邻激励器之间放置有非铁磁性材料的隔离器；当转轮一侧压电振子和激励器的数量都大于1时，两相邻压电振子对称中心线间的夹角和两相邻激励器中心与转轮回转中心连线间的夹角不能互为整数倍；转轮左右两侧及其相邻的左右端盖侧面都设有形状尺度及数量相同的限位面和沉槽；沉槽用于容纳压电晶片，其平面尺寸大于压电晶片、小于金属悬臂梁；限位面用于限制压电振子变形量，限位面为圆弧面且其合理的曲率半径取决于金属基板及压电晶片的材料及厚度。
本发明中，为提高压电振子发电能力和可靠性，压电晶片为0.2～0.3mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5，此时压电振子发电能力较强、能量比较大；能量比是指各不同厚度比的压电振子一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比较大；对于本发明利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子，限位面的合理曲率半径为其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片厚度。
工作过程中，齿轮的悬臂轴带动转轮、左右端盖、压电振子及受激磁铁转动；在转轮转动过程中，激励器及隔离器在其惯性力的作用下处于滑道底部，从而使激励器和受激磁铁间产生相对运动。当压电振子及受激磁铁转至与激励器接近时，受激磁铁与激励器间的轴向作用力逐渐增加，压电振子产生轴向弯曲变形；当受激磁铁与激励器的中心重叠时压电振子所受的激振力最大，压电振子的变形量最大时金属悬臂梁将完全贴靠在限位面上；此后，压电振子变形量随着转轮的进一步转动而逐渐减小、并恢复至初始状态；上述受激磁铁与激励器相互靠近后又逐渐远离的过程中，压电振子完成了一次发电过程。
优势与特色：本发明利用激励器的惯性力实现与转轮间的相对运动、并激励压电振子轴向弯曲，无需外界固定支撑、结构简单且激励器所受转动力小；压电振子变形量由限位面半径确定、变形后各点应力相同，故发电量大、可靠性高、有效频带宽；可作为标准部件用于悬臂轴齿轮及多齿轮共轴场合，实现真正意义的齿轮在线监测。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中铁激励器时的俘能器结构示意图；
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磁铁激励器时的俘能器结构示意图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是本发明一个较佳实施例中转轮的结构示意图；
图6是图5的左视图；
图7是本发明一个较佳实施例中右端盖的结构示意图；
图8是图7的左视图；
图9是本发明一个较佳实施例中压电振子与受激磁铁装配后的结构示意图；
图10是本发明一个较佳实施例中压电振子能量比与厚度比关系曲线。
具体实施方式
转轮a的左右两侧分别通过螺钉安装有左端盖b和右端盖c，左端盖b和右端盖c与转轮a的侧壁之间都压接金属基板h1，金属基板h1上的悬臂梁h11与所粘接的压电晶片h2构成压电振子h，压电振子h自由端经螺钉安装有受激磁铁g，受激磁铁g置于压电振子h的对称中心上且靠近转轮a安装，受激磁铁g置于转轮a侧面的长方形导槽a1中；齿轮e的悬臂轴f置于转轮a的中心孔a2内且端部经螺钉与右端盖c连接；悬臂轴f与转轮a的中心孔a2之间设有密封圈o，悬臂轴f与转轮a上的环腔a3构成滑道D，滑道D内填充有润滑油、安装有球形的铁激励器d或磁激励器d’；磁激励器d’数量大于1时，两相邻磁激励器d’之间放置有非铁磁性材料的隔离器p；当转轮a一侧压电振子h和激励器d或d’的数量都大于1时，两相邻压电振子h的对称中心线间的夹角Q1和两相邻激励器d或d’中心与转轮a回转中心连线间的夹角Q2或Q2’不能互为整数倍；转轮a的左右两侧及其相邻的左端盖b和右端盖c的侧面都设有形状尺度及数量相同的限位面M和沉槽C；沉槽C用于容纳压电晶片h2，其平面尺寸大于压电晶片h2、小于金属悬臂梁h11；限位面M用于限制压电振子h的变形量，限位面M为圆弧面且其合理的曲率半径取决于金属基板h1及压电晶片h2的材料及厚度。
本发明中，为提高压电振子h的发电能力和可靠性，压电晶片为0.2～0.3mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板h1与压电晶片h2的厚度之比为1～2.5，此时压电振子h的发电能力较强、能量比较大，能量比是指各不同厚度比的压电振子h一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比较大；对于本发明利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子，限位面M的合理曲率半径为其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板h1和压电晶片h2的厚度。
工作过程中，齿轮e的悬臂轴f带动转轮a、左端盖b、右端盖c、压电振子h及受激磁铁g转动；在转轮a转动过程中，铁激励器d或磁激励器d’及隔离器p在其惯性力的作用下处于滑道D的底部，从而使激励器d或d’和受激磁铁g之间产生相对运动。当压电振子h及受激磁铁g转至与激励器d或d’接近时，受激磁铁g与激励器d或d’之间的轴向作用力逐渐增加，压电振子h产生轴向弯曲变形；当受激磁铁g与激励器d或d’的中心重叠时压电振子h所受的激振力最大，压电振子h的变形量最大时金属悬臂梁h11将完全贴靠在限位面M上；此后，压电振子h的变形量随着转轮a的进一步转动而逐渐减小、并逐渐恢复至初始状态；上述受激磁铁g与激励器d或d’相互靠近后又逐渐远离的过程中，压电振子h完成了一次发电过程。
显然，本发明利用激励器d的惯性力实现与转轮a间的相对运动、并激励压电振子h轴向弯曲，无需外界固定支撑、结构简单且激励器所受转动力小；压电振子h的变形量由限位面M的半径确定、变形后各点应力相同，故发电量大、可靠性高、有效频带宽；可用于悬臂轴齿轮及多齿轮共轴的场合，实现真正意义的齿轮及轴系的在线监测。
Claims (1)
1.一种用于风电齿轮箱监测系统供电的压电梁俘能器，其特征在于：转轮两侧分别装有左右端盖，左右端盖与转轮侧壁间都压接金属基板，金属基板上的悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子，压电振子自由端装有受激磁铁，受激磁铁置于压电振子对称中心上且靠近转轮安装，受激磁铁置于转轮侧面的长方形导槽中；齿轮的悬臂轴置于转轮中心孔内且端部与右端盖连接；悬臂轴与转轮中心孔之间设有密封圈，悬臂轴与转轮上的环腔构成滑道，滑道内填充有润滑油、装有球形的铁或磁激励器；激励器材料为磁铁且数量大于1时，两相邻激励器之间放置有非铁磁性材料的隔离器；转轮一侧压电振子数和激励器数都大于1时，两相邻压电振子对称中心线间夹角和两相邻激励器中心与转轮回转中心连线间的夹角不能互为整数倍；转轮两侧及其相邻的左右端盖侧面都设有形状尺度及数量相同的限位面和沉槽；沉槽平面尺寸大于压电晶片平、小于金属悬臂梁；限位面为圆弧面且其合理的曲率半径取决于金属基板及压电晶片的材料及厚度；压电晶片为0.2～0.3mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5；限位面的合理曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片厚度。
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