CN106160574A - 一种基于悬臂梁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悬臂梁压电振子的非共振型轮式发电机，属压电发电领域。转盘滑道沉腔与另一侧的中心孔连通、还经导孔与环腔连通；套在中心孔内的悬臂轴与装在沉腔侧面的侧板连接；侧板上设有环腔和导孔；转盘和侧板的导孔内装有挤压滚珠；经端盖压在转盘和侧板环腔内的金属基板的悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子；由滑道沉腔与悬臂轴构成滑道内装有激励盘，激励盘内外缘上嵌有滚珠；激励盘两侧升程斜面、凸面、回程斜面及凹面所构成激励单元。优势特色：无需定固定支撑、无电磁干扰；压电振子结构合理、非共振发电且变形量由限位面半径确定，各点应力相同且仅承受压应力，故发电量大、可靠性高、有效频带宽，尤其适于低转速环境。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种基于悬臂梁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悬臂梁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：转盘一侧设有阶梯型转盘环腔和中心孔，另一侧设有滑道沉腔，滑道沉腔与中心孔连通、并经转盘导孔与转盘环腔连通；转盘中心孔中套有连接件的悬臂轴，转盘上开有滑道沉腔的一侧经螺钉装有侧板，侧板经螺钉与悬臂轴相连接；侧板上设有侧板环腔和侧板导孔；转盘导孔和侧板导孔靠近滑道沉腔一侧的出口为球面，转盘导孔和侧板导孔内安装有挤压滚珠；转盘环腔和侧板环腔内都经螺钉和端盖安装有带扇形金属悬臂梁的金属基板，金属悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子，压电振子自由端与挤压滚珠轻压接触；转盘及侧板上安装的压电振子数量相等且相对滑道沉腔对称安装，金属悬臂梁靠近滑道沉腔安装；滑道沉腔与悬臂轴构成环形滑道，滑道内安装有激励盘，激励盘通过镶嵌在其内外缘上的减磨滚珠与悬臂轴和滑道沉腔表面滚动接触；激励盘两侧均对称地设有由升程斜面、凸面、回程斜面及凹面依次相连所构成的激励单元；当激励盘一侧压电振子数量和激励单元的数量都大于1时，一个激励单元所对应的圆心角和两相邻挤压滚珠中心与转盘中心连线间夹角之间不能互为整数倍，从而减小激励盘的转动力矩。
本发明中，为提高压电振子发电能力和可靠性，端盖上设有限定压电振子变形量的限位面，限位面处设有用于容纳压电晶片的扇形沉腔，扇形沉腔的平面尺寸大于压电晶片、小于金属悬臂梁；限位面为圆弧面且其半径为取决于压电晶片和金属基板的材料和厚度；压电晶片为0.2～0.3mm厚的PZT4，金属基板为铍青铜，且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，即电能比较大；能量比是指各不同厚度比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，一次弯曲变形是指压电振子从自由状态到金属悬臂梁完全贴靠在限位面上的变形过程。
本发明中，使发电量最大且压电晶片不至于破损的合理限位面半径为其中，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，连接件的法兰固定在风力发电机的叶片根部或主轴端部，并随风力发电机的主轴转动，从而带动转盘、侧板、压电振子及挤压滚珠转动；在转盘转动过程中，激励盘在其惯性力的作用下处于滑道底部，从而使挤压滚珠和激励盘产生相对运动。当压电振子及挤压滚珠转至与激励盘升程斜面接触时，挤压滚珠向远离激励盘的方向移动并迫使压电振子产生弯曲变形；当挤压滚珠与激励盘凸面接触时，压电振子的金属悬臂梁完全顶靠在限位面上、压电振子变形量达到最大；当挤压滚珠与激励盘回程斜面接触时，压电振子变形量随转盘转动逐渐减小，挤压滚珠与激励盘的回程斜面脱离时压电振子变形量为零、即恢复到初始状态，至此完成了一次发电过程。
优势与特色：利用惯性力实现转盘与激励盘间的相对运动并激励压电振子轴向弯曲变形发电，不需要额外设定固定支撑、无电磁干扰；压电振子结构合理、工作在非共振状态下，压电振子的变形量由限位面半径确定、变形后各点应力相同且仅承受压应力，故发电量大、可靠性高、有效频带宽，尤其适于低转速环境；可实现真正意义的风力发电机叶片实时监测。
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金属基板的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中激励盘的结构示意图；
图5是图4的左视图；
图6是本发明一个较佳实施例中端盖的结构示意图；
图7是图6的左视图；
图8是本发明一个较佳实施例中转盘与侧板装配后的结构示意图；
图9是本发明一个较佳实施例中压电振子发电量之比与厚度比关系曲线。
具体实施方式
转盘a的一侧设有阶梯型转盘环腔a1和中心孔a4，另一侧设有滑道沉腔a3，滑道沉腔a3与中心孔a4连通、并经转盘导孔a2与转盘环腔a1连通；转盘a的中心孔a4中套有连接件e的悬臂轴e1，转盘a上开有滑道沉腔a3的一侧经螺钉装有侧板f，侧板f经螺钉与悬臂轴e1相连接；侧板f上设有侧板环腔f1和侧板导孔f2；转盘导孔a2和侧板导孔f2靠近滑道沉腔a3一侧的出口为球面，转盘导孔a2和侧板导孔f2内安装有挤压滚珠d；转盘环腔a1和侧板环腔f1内都经螺钉和端盖b安装有带扇形金属悬臂梁c11的金属基板c1，金属悬臂梁c11与所粘接的压电晶片c2构成压电振子c，压电振子c的自由端与挤压滚珠d轻压接触；转盘a及侧板f上安装的压电振子c的数量相等且相对滑道沉腔a3对称安装，金属悬臂梁c11靠近滑道沉腔a3安装；滑道沉腔a3与悬臂轴e1构成环形滑道D，滑道D内安装有激励盘g，激励盘g通过镶嵌在其内缘g4和外缘g5上的减磨滚珠h与悬臂轴e1和滑道沉腔a3的表面滚动接触；激励盘g的两侧均对称地设有由升程斜面g1、凸面g2、回程斜面g6及凹面g3依次相连所构成的激励单元J；当激励盘g的一侧的压电振子c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和两个相邻挤压滚珠d的中心与转盘a中心连线间的夹角Q1之间不能互为整数倍，从而减小激励盘g的转动力矩。
本发明中，为提高压电振子c的发电能力和可靠性，端盖b上设有限定压电振子c变形量的限位面b1，限位面b1处设有用于容纳压电晶片c2的扇形沉腔b2，扇形沉腔b2的平面尺寸大于压电晶片c2的尺寸、小于金属悬臂梁c11的尺寸；限位面b1为圆弧面且其半径为取决于压电晶片c2和金属基板c1的材料和厚度；压电晶片c2为0.2～0.3mm厚的PZT4，金属基板为铍青铜，且金属基板c1与压电晶片c2的厚度之比为hm/hp＝1～2.5，此时压电振子c的发电能力较强，即电能比较大；能量比是指各不同厚度比压电振子c一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比，一次弯曲变形是指压电振子c从自由状态到金属悬臂梁c11完全贴靠在限位面b1上的变形过程。
本发明中，使发电量最大且压电晶片c2不至于破损的合理的限位面b1的半径为：其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板c1和压电晶片c2的厚度。
工作过程中，连接件e的法兰e2固定在风力发电机的叶片Y的根部或主轴Z的端部，并随风力发电机的主轴Z转动，从而带动转盘a、侧板f、压电振子c及挤压滚珠d转动；在转盘a转动过程中，激励盘g在其惯性力的作用下处于滑道D的底部，从而使挤压滚珠d和激励盘g产生相对运动。当压电振子c及挤压滚珠d转至与激励盘g的升程斜面g1接触时，挤压滚珠d向远离激励盘g的方向移动并迫使压电振子c产生弯曲变形；当挤压滚珠d与激励盘g的凸面g2接触时，压电振子c的金属悬臂梁c11完全顶靠在限位面b1上、压电振子c变形量达到最大；当挤压滚珠d与激励盘g的回程斜面g6接触时，压电振子c的变形量随转盘a的转动逐渐减小，挤压滚珠d与激励盘g的回程斜面g6脱离时压电振子c的变形量为零、即恢复到初始状态，至此完成了一次发电过程。
显然，本发明利用惯性力实现转盘a与激励盘g间的相对运动并激励压电振子c轴向弯曲变形发电，不需要额外设定固定支撑、无电磁干扰；压电振子c的变形量由限位面b1的半径确定、变形后各点应力相同且仅承受压应力，故发电量大、可靠性高、有效频带宽；可实现真正意义的风力发电机叶片实时监测。
Claims (1)
1.一种基于悬臂梁压电振子的非共振型轮式发电机，其特征在于：转盘一侧设有转盘环腔和中心孔，另一侧设有滑道沉腔，滑道沉腔与中心孔连通、并经转盘导孔与转盘环腔连通；转盘中心孔中套有连接件的悬臂轴，转盘上开有滑道沉腔一侧装有侧板，侧板与悬臂轴相连接；侧板上设有侧板环腔和侧板导孔；转盘导孔和侧板导孔靠近滑道沉腔一侧的出口为球面，转盘导孔和侧板导孔内装有挤压滚珠；转盘环腔和侧板环腔内都经螺钉和端盖安装有带扇形金属悬臂梁的金属基板，金属悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子，压电振子自由端与挤压滚珠轻压接触；转盘及侧板上安装的压电振子数量相等且相对滑道沉腔对称安装，金属悬臂梁靠近滑道沉腔安装；滑道沉腔与悬臂轴构成环形滑道，滑道内安装有激励盘，激励盘通过镶嵌在其内外缘上的减磨滚珠与悬臂轴和滑道沉腔表面滚动接触；激励盘两侧均对称地设有由升程斜面、凸面、回程斜面及凹面依次相连所构成的激励单元；当激励盘一侧压电振子和激励单元的数量都大于1时，一个激励单元所对应的圆心角和两相邻挤压滚珠中心与转盘中心连线间夹角之间不能互为整数倍；端盖上设有限定压电振子变形量的限位面，限位面处设有用于容纳压电晶片的扇形沉腔，扇形沉腔的平面尺寸大于压电晶片、小于金属悬臂梁；限位面为圆弧面且其合理的半径为其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片厚度；压电晶片为0.2～0.3mm厚的PZT4，金属基板为铍青铜，且金属基板与压电晶片的厚度之比范围为1～2.5。
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