CN106130401B - 一种基于圆形压电振子的非共振型轮式发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于圆形压电振子的非共振型轮式发电机，属压电发电领域。法兰轴的轴端置于盘体的中心孔内，盘体两侧设有由导孔连通的沉腔和滑道；滑道端部装有与法兰轴相连的侧板；侧板上设有沉腔和导孔；盘体及侧板的沉腔内都装有压电振子，压电振子上装有弹性垫，弹性垫置于装有激励滚珠的盘体导孔或侧板导孔内；内外缘上嵌有减磨滚珠的激励器置于滑道内，激励器两侧设有激励单元，激励单元所对应的圆心角与两相邻压电振子中心与盘体中心连线间的夹角间不能互为整数倍。优势特色：无需外界固定支撑、无电磁干扰；压电振子结构合理、工作在非共振状态下、变形量可控、发电量大、有效频带宽，尤其适于低转速环境；压电晶片仅承受压应力、可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种基于圆形压电振子的非共振型轮式发电机，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，因风力发电机叶片转速较低，难于使压电振子工作在共振状态下，发电能力较弱。
发明内容
针对现有风力发电机叶片监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种基于圆形压电振子的非共振型轮式发电机。本发明采用的实施方案是：法兰轴轴端置于盘体中心孔内，盘体一侧设有盘体沉腔、另一侧设有环形滑道，盘体沉腔经盘体导孔与滑道连通；滑道端部经螺钉安装有侧板，侧板经螺钉与法兰轴轴端相连；侧板上设有侧板沉腔和侧板导孔；盘体导孔和侧板导孔靠近滑道一侧的出口为球面；盘体沉腔和侧板沉腔内都通过螺钉和端盖安装有压电振子，压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，压电晶片靠近滑道安装；压电振子中心处安装有弹性垫，弹性垫置于盘体导孔或侧板导孔内，盘体导孔及侧板导孔内安装有激励滚珠，激励滚珠轻压在弹性垫上；扇形激励器置于滑道内，激励器内外缘上均镶嵌有减磨滚珠，激励器通过减磨滚珠与盘体滑道内外缘滚动接触；激励器两侧均设有由升程斜面、凸面、回程斜面及凹面依次相连所构成的激励单元；当激励器一侧的压电振子数量和激励单元数量都大于1时，激励单元所对应的圆心角与两相邻压电振子中心与盘体中心连线间的夹角间不能互为整数倍，从而减小激励器的转动力矩。
本发明中，为提高压电振子的发电能力，金属基板为0.2mm厚度的铍青铜、压电晶片为厚度0.3mm的PZT4；金属基板的有效半径Rm给定时，合理的压电晶片半径Rp由压电振子的能量计算式的导数求得，即由求得，式中δ为激励器凸凹面间距离，K为压电振子刚度、且
工作过程中，法兰轴的法兰通过螺钉安装在风力发电机叶片根部或风力发电机转轴端部，并随之旋转，从而带动盘体、侧板、压电振子及激励滚珠转动；在盘体转动过程中，激励器及所镶嵌的减磨滚珠在其惯性力的作用下处于滑道底部，从而使激励滚珠和激励器产生相对运动。当压电振子及激励滚珠转至与激励器接触时，激励滚珠与激励器的升程斜面先接触，激励滚珠经弹性垫迫使压电振子向远离激励器的方向弯曲变形；当激励滚珠与激励器的凸面接触时，压电振子的变形量达到最大；当激励滚珠与激励器的回程斜面接触时，压电振子的变形量逐渐减小；当激励滚珠与激励器凹面接触时，压电振子的变形量为零、即恢复到自然状态；上述激励滚珠依次与激励器升程斜面、凸面、回程斜面及凹面相接触的过程中，压电振子完成了一次发电过程。
显然，本发明中通过惯性力实现盘体与激励器间的相对运动、并激励压电振子轴向弯曲，无需外界固定支撑、无电磁干扰；压电振子工作在非共振状态下，变形量由激励器凸凹面间的距离决定，各转速下发电量相同、有效频带宽，尤其适于低转速环境；压电晶片仅承受压应力、可靠性高。
优势与特色：1)通过惯性力实现盘体与激励器间的相对运动、并激励压电振子轴向弯曲，无需外界固定支撑、无电磁干扰；2)压电振子结构合理、工作在非共振状态下、且变形量由激励器凸凹面间的距离决定，发电量大、有效频带宽，尤其适于低转速环境；3)压电晶片仅承受压应力、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；
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激励器的结构示意图；
图4是图3的左视图；
图5是本发明一个较佳实施例中盘体与侧板装配后的结构示意图；
图6是本发明一个较佳实施例中发电量与压电振子结构参数的关系图；
图7是本发明一个较佳实施例中压电振子发电量与压电晶片半径的关系曲线。
具体实施方式
法兰轴b的轴端b2置于盘体c的中心孔c4内，盘体c的一侧设有盘体沉腔c1、另一侧设有环形滑道c3，盘体沉腔c1经盘体导孔c2与滑道c3连通；滑道c3的端部经螺钉安装有侧板h，侧板h经螺钉与法兰轴b的轴端b2相连；侧板h上设有侧板沉腔h1和侧板导孔h2；盘体导孔c2和侧板导孔h2靠近滑道c3一侧的出口为球面；盘体沉腔c1和侧板沉腔h1内都通过螺钉和端盖e安装有压电振子d，压电振子d由金属基板d1和压电晶片d2粘接而成，压电晶片d2靠近滑道c3安装；压电振子d的中心处安装有弹性垫g，弹性垫g置于盘体导孔c2内或侧板导孔h2内，盘体导孔c2及侧板导孔h2内安装有激励滚珠f，激励滚珠f轻压在弹性垫g上；扇形的激励器i置于滑道c3内，激励器i的内缘i4及外缘i5上均镶嵌有减磨滚珠k，激励器i通过减磨滚珠k与盘体c的滑道c3的内缘及外缘滚动接触；激励器i的两侧均设有由升程斜面i1、凸面i2、回程斜面i6及凹面i3依次相连所构成的激励单元J；当激励器i的一侧的压电振子d的数量和激励单元J的数量都大于1时，一个激励单元J所对应的圆心角Q2与两个相邻压电振子d中心与盘体c中心连线间的夹角Q1之间不能互为整数倍，从而减小激励器i的转动力矩。
本发明中，为提高压电振子d的发电能力，金属基板d1为0.2mm厚度的铍青铜、压电晶片d2为厚度0.3mm的PZT4；金属基板d1的有效半径Rm给定时，合理的压电晶片d2的半径Rp由压电振子d的能量计算式的导数求得，即由求得，式中δ为激励器凸面i2和凹面i3间的距离，K为压电振子d的刚度、且
工作过程中，法兰轴b的法兰b1通过螺钉安装在风力发电机叶片a的根部或风力发电机转轴z的端部，并随风力发电机叶片a的转轴z旋转，从而带动盘体c、侧板h、压电振子d及激励滚珠f转动；在盘体c转动过程中，激励器i及所镶嵌的减磨滚珠k在其惯性力的作用下处于滑道c3的底部，从而使激励滚珠f和激励器i产生相对运动。当压电振子d及激励滚珠f转至与激励器i接触时，激励滚珠f与激励器i的升程斜面i1先接触，激励滚珠f经弹性垫g迫使压电振子d向远离激励器i的方向弯曲变形；当激励滚珠f与激励器i的凸面i2接触时，压电振子d的变形量达到最大；当激励滚珠f与激励器i的回程斜面i6接触时，压电振子d的变形量逐渐减小，激励滚珠f与激励器i的凹面i3接触时压电振子d的变形量为零、即恢复到自然状态；上述激励滚珠f依次与激励器i的升程斜面i1、凸面i2、回程斜面i6及凹面i3相接触的过程中，压电振子d完成了一次发电过程。
显然，本发明利用惯性力实现盘体c与激励器i间的相对运动、并激励压电振子d轴向弯曲，无需外界固定支撑、无电磁干扰；压电振子d的结构参数合理、工作在非共振状态下、且变形量由激励器i的凸面i2和凹面i3之间的距离决定，发电量大、有效频带宽，尤其适于低转速环境；此外，工作中压电晶片d2仅承受压应力、可靠性高。
Claims (1)
1.一种基于圆形压电振子的非共振型轮式发电机，其特征在于：法兰轴轴端置于盘体中心孔内，盘体一侧设有盘体沉腔、另一侧设有环形滑道，盘体沉腔经盘体导孔与滑道连通；滑道端部经螺钉装有侧板，侧板经螺钉与法兰轴轴端相连；侧板上设有侧板沉腔和侧板导孔；盘体导孔和侧板导孔靠近滑道一侧的出口为球面；盘体沉腔和侧板沉腔内都通过螺钉和端盖安装有压电振子，压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，压电晶片靠近滑道安装；压电振子中心处安装有弹性垫，弹性垫置于盘体导孔或侧板导孔内，盘体导孔及侧板导孔内安装有激励滚珠，激励滚珠轻压在弹性垫上；扇形激励器置于滑道内，激励器内外缘上均镶嵌有减磨滚珠，激励器通过减磨滚珠与盘体滑道内外缘滚动接触；激励器两侧均设有由升程斜面、凸面、回程斜面及凹面依次相连所构成的激励单元；当激励器一侧压电振子数量和激励单元数量都大于1时，一个激励单元所对应的圆心角与两相邻压电振子中心与盘体中心连线间的夹角间不能互为整数倍；金属基板为0.2mm厚度的铍青铜、压电晶片为厚度0.3mm的PZT4；金属基板的有效半径Rm给定时，合理的压电晶片半径Rp由压电振子的能量计算式的导数求得，即由求得，式中δ为激励器凸凹面间距离，K为压电振子刚度、且有
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