CN106411176B - 一种转轮自激式圆形压电振子发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种转轮自激式圆形压电振子发电机，属压电发电领域。齿轮轴置于盘体中心孔内，盘体一侧设有沉腔及导孔、另一侧设有滑道；滑道端部经装有侧板，侧板齿轮轴相连；侧板上设有沉腔和导孔；盘体沉腔和侧板沉腔内装有压电振子，压电振子的中心处安装有受激磁铁，受激磁铁置于盘体或侧板导孔内；两侧镶嵌有激励磁铁的圆柱形激励器置于填充有润滑油的滑道内；激励器数量大于1时，相邻激励器间可装有隔离器。优势特色：无需外界固定支撑、结构简单、激励器所受转动力小、激励时间易调整、有效转速范围大；压电振子的结构参数合理、发电量大；压电晶片承受压应力激励、可靠性高；可作为标准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，具体涉及一种转轮自激式圆形压电振子发电机，用于风电齿轮箱等电力旋转设施监测系统供电。
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，本发明提出一种转轮自激式圆形压电振子发电机。本发明采用的实施方案是：齿轮的悬臂轴置于盘体中心孔内，盘体一侧设有盘体沉腔及盘体导孔、另一侧设有滑道；滑道端部经螺钉安装有侧板，侧板经螺钉与齿轮的悬臂轴相连，侧板上设有侧板沉腔和侧板导孔；盘体导孔和侧板导孔均为盲孔；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；压电振子中心处安装有受激磁铁，受激磁铁置于盘体导孔内或侧板导孔内；圆柱形的激励器置于填充有润滑油的滑道内，激励器两侧均镶嵌有激励磁铁；激励器数量大于1时，两个圆周方向相邻激励器之间可安装有非铁磁性材料的隔离器；当激励器一侧的压电振子数量和激励器数量都大于1时，两相邻激励器的圆心与盘体回转中心连线间夹角和两相邻压电振子中心与盘体中心连线间的夹角之间不能互为整数倍，从而减小各圆柱激励器所受的总的切向力转动力；当轴向相邻的受激磁铁和激励磁铁的同性磁极靠近安装时，压电振子中的压电晶片靠近滑道一侧安装；当轴向相邻的受激磁铁和激励磁铁的异性磁极靠近安装时，压电振子中金属基板靠近滑道一侧安装。
本发明中，为提高压电振子发电能力，金属基板为0.2mm厚度的铍青铜、压电晶片为0.3mm厚的PZT4；压电振子一次弯曲变形生成的电压Vg和电能Eg分别为和式中F为受激磁铁与激励磁铁之间的最大轴向作用力，Rm为金属基板有效半径，Rp为压电晶片的半径；Rm给定时，合理的Rp由求得。
工作过程中，齿轮的悬臂轴带动盘体、侧板、压电振子及受激磁铁转动；在盘体转动过程中，激励器及所镶嵌激励磁铁在其惯性力的作用下处于滑道的底部，从而使激励磁铁和受激磁铁之间产生相对运动。当压电振子及受激磁铁转至与激励磁铁接近时，受激磁铁与激励磁铁间的轴向作用力逐渐增加，压电振子产生轴向弯曲变形；当受激磁铁与激励磁铁的中心重叠时，压电振子的变形量达到最大；当受激磁铁与激励磁铁的重叠面积逐渐减小时，压电振子的变形量逐渐减小并最终恢复到自然状态；上述受激磁铁与激励磁铁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；采用多个激励器激励时，激励时间可通过隔离器的数量调整。
优势与特色：1)利用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、结构简单、激励器所受转动力矩小；2)激励时间易于通过隔离器数量调节，有效转速范围宽；3)压电振子的结构参数合理，发电量大；4)工作中压电晶片承受压应力激励、可靠性高；5)可作为标准部件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在线监测。
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是激励器之间无隔离器时图1的A-A剖视图；
图3是激励器之间有隔离器时图1的A-A剖视图；
图4是图1的B-B剖视图；
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压电振子发电量与结构参数的关系图；
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图。
具体实施方式
齿轮a的悬臂轴b置于盘体c的中心孔c4内，盘体c的一侧设有盘体沉腔c1及盘体导孔c2、另一侧设有滑道c3；滑道c3的端部经螺钉安装有侧板h，侧板h经螺钉与悬臂轴b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均为盲孔；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；压电振子d的中心处安装有受激磁铁g，受激磁铁g置于盘体导孔c2内或侧板导孔h2内；圆柱形的激励器i置于填充有润滑油的滑道c3内，激励器i的两侧均镶嵌有激励磁铁f；激励器i的数量大于1时，两个圆周方向相邻的激励器i之间可安装有非铁磁性材料的隔离器j；当激励器i一侧的压电振子d的数量和激励器i的数量都大于1时，两个相邻激励器i的圆心与盘体c回转中心连线间夹角Q2和两个相邻压电振子d的中心与盘体c的中心连线间的夹角Q1之间不能互为整数倍，从而减小各圆柱激励器i所受的总的切向力转动力；当轴向相邻的受激磁铁g和激励磁铁f的同性磁极靠近安装时，压电振子d中压电晶片d2靠近滑道c3一侧安装；当轴向相邻的受激磁铁g和激励磁铁f的异性磁极靠近安装时，压电振子d中金属基板d1靠近滑道c3一侧安装。
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；压电振子d一次弯曲变形生成的电压Vg和电能Eg分别为和式中F为受激磁铁g与激励磁铁f之间的最大轴向作用力，Rm为金属基板d1的有效半径，Rp为压电晶片d2的半径；Rm给定时，合理的Rp由求得。
工作过程中，齿轮a的悬臂轴b带动盘体c、侧板h、压电振子d及受激磁铁g转动；在盘体c转动过程中，激励器i及所镶嵌激励磁铁f在其惯性力的作用下处于滑道c3的底部，从而使激励磁铁f和受激磁铁g之间产生相对运动。当压电振子d及受激磁铁g转至与激励磁铁f接近时，受激磁铁g与激励磁铁f间的轴向作用力逐渐增加，压电振子d产生轴向弯曲变形；当受激磁铁g与激励磁铁f的中心重叠时，压电振子d的变形量达到最大；当受激磁铁g与激励磁铁f的重叠面积逐渐减小时，压电振子d的变形量逐渐减小并最终恢复到自然状态；上述受激磁铁g与激励磁铁f相互靠近后又逐渐远离的过程中，压电振子d完成了一次发电过程；采用多个激励器i激励时，激励时间可通过隔离器j的数量调整。
显然，本发明利用圆柱激励器i的惯性力实现与盘体c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、结构简单、激励器所受切向转动力小；采用多个激励器i激励时，激励时间易于通过隔离器j调整，有效转速范围大；压电振子d的结构参数合理、发电量大；工作中压电晶片d2承受压应力激励、可靠性高；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)
1.一种转轮自激式圆形压电振子发电机，其特征在于：齿轮的悬臂轴置于盘体中心孔内，盘体一侧设有盘体沉腔及盘体导孔、另一侧设有滑道；滑道端部经螺钉安装有侧板，侧板经螺钉与齿轮的悬臂轴相连，侧板上设有侧板沉腔和侧板导孔，盘体导孔和侧板导孔均为盲孔；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；压电振子中心处安装有受激磁铁，受激磁铁置于盘体导孔内或侧板导孔内；圆柱形的激励器置于填充有润滑油的滑道内，激励器两侧均镶嵌有激励磁铁，使激励磁铁的中心与受激磁铁的中心在压电发电过程中可以重叠；激励器数量大于1时，两圆周方向相邻激励器间可安装有非铁磁性材料的隔离器；当激励器一侧压电振子数量和激励器数量都大于1时，两相邻激励器圆心与盘体回转中心连线间夹角和两相邻压电振子中心与盘体中心连线间的夹角之间不能互为整数倍；当轴向相邻的受激磁铁和激励磁铁同性磁极靠近安装时，压电晶片靠近滑道一侧安装；当轴向相邻的受激磁铁和激励磁铁的异性磁极靠近安装时，金属基板靠近滑道一侧安装；金属基板为0.2mm厚的铍青铜、压电晶片为0.3mm厚的PZT4；压电振子一次弯曲变形生成的电压Vg和电能Eg分别为和式中F为受激磁铁与激励磁铁之间的最大轴向作用力，Rm为金属基板有效半径，Rp为压电晶片的半径；Rm给定时，合理的Rp由求得。
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