CN107317517B - 一种风力发电机叶片监测系统用自供电电源 - 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供电电源，属压电发电领域。悬臂轴装在发电机叶片上，套在悬臂轴上的轴套上镶嵌有激励磁铁；压板经左轴承内圈及轴套将右轴承内圈压在悬臂轴轴肩上；壳体经左右轴承安装在悬臂轴上；壳体的腔体的侧壁端部安装有端盖和调频质量块，端盖的凸台上端面安装有电路板、侧壁上固定有弹簧片和压电振子，压电振子端部安装有顶块，顶块顶靠在弹簧片上，弹簧片自由端装有受激磁铁；腔体的上壁上对称地镶嵌有用于调频与增幅的定磁铁一、安装有用于缓冲与限位的定磁铁二，定磁铁二与受激磁铁的几何中心位于同一圆周上。优势特色：压电片仅承受压应力，通过定磁铁增幅、拓频并限位，多压电振子同步发电。

Description

一种风力发电机叶片监测系统用自供电电源
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供电电源。
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，决定了发电机的可靠性及使用寿命。风力发电机叶片通常工作在恶劣的环境下，且自身结构尺度、重量及工作载荷等都很大，除了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的叶片损伤也不可避免。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，故风力发电机叶片的健康监测势在必行。随着风力发电机叶片长度以及风力发电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以及相应的自供电电源，但因现有自供电电源可靠性及发电量等的制约，风力发电机叶片的在线监测技术尚未得到广泛应用。
发明内容
本发明提出一种风力发电机叶片监测系统用自供电电源，本发明采用的实施方案是：风力发电机叶片安装在发电机主轴上；悬臂轴的法兰盘经螺钉安装在风力发电机叶片上，悬臂轴上自左至右依次套有左轴承、轴套和右轴承，轴套的两个轴截面上沿圆周方向均布地镶嵌有激励磁铁，圆周上相邻的两个轴截面上的激励磁铁之间夹角为Q＝360/N，N为两个轴截面上均布的激励磁铁的数量之和，激励磁铁的磁极沿悬臂轴的径向配置；压板经螺钉安装在悬臂轴的自由端并经左轴承的内圈及轴套将右轴承的内圈压在悬臂轴的轴肩上；壳体经左轴承和右轴承安装在悬臂轴上，左轴承和右轴承的外圈分别压在壳体的左右两侧；壳体上设有腔体，腔体的侧壁端部经螺钉安装有端盖和调频质量块，端盖上设有凸台，凸台的上端面经螺钉安装有电路板、侧壁上经螺钉固定有弹簧片和压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子的端部经螺钉安装有顶块；压电振子对称地配置在弹簧片的两侧，压电振子与弹簧片之间以及两个相邻的压电振子之间都压接有垫片，基板靠近弹簧片安装，顶块顶靠在弹簧片上，弹簧片的自由端经螺钉安装有受激磁铁；腔体的上壁为圆弧形，上壁上对称地镶嵌有用于调频与增幅的定磁铁一、经螺钉安装有用于缓冲与限位的定磁铁二，定磁铁二与受激磁铁的几何中心位于同一圆周上。
压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：
Figure BSA0000149556680000021
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure BSA0000149556680000022
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板厚度和压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板p1和压电片p2的杨氏模量，k31和
Figure BSA0000149556680000023
分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。
弹簧片未发生弯曲变形时弹簧片两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同。工作时，即当风力发电机叶片带动悬臂轴以及激励磁铁随着发电机主轴转动时，壳体、压电振子及弹簧片相对悬臂轴转动，从而使受激磁铁与轴套两个截面上的激励磁铁之间的距离发生变化、受激磁铁向着与其逐渐靠近的激励磁移动，与逐渐靠近的激励磁铁处于弹簧片同侧的定磁铁一提高了受激磁铁的移动速度和位移量、定磁铁二限制受激磁铁的最大位移量；当激励磁铁逐渐转离受激磁铁时，受激磁铁所受的吸引力逐渐减小并在弹簧片弹性力的作用下逐渐复位；同时，另一个轴截面上的激励磁铁逐渐转近，加速了受激磁铁的复位并继续向与之转近的激励磁铁方向运动；受激磁铁上述的左右往复移动过程中，通过弹簧片带动压电振子往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能；当受激磁铁与定磁铁二接触时，压电片所受的压应力为其许用压应力。
优势与特色：①工作中压电片仅承受压应力，避免因受拉应力过大损毁、可靠性高；②定磁铁一具有增幅和拓频功能、定磁铁二具有限位和缓冲功能，提高了可靠性、发电量和有效带宽；③弹簧片同时激励多个压电振子，发电和供电能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中自供电电源的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明中轴套的结构示意图；
图4是图3的B-B剖视图。
具体实施方式
风力发电机叶片Y安装在发电机主轴Z上；悬臂轴a的法兰盘a1经螺钉安装在风力发电机叶片Y上，悬臂轴a上自左至右依次套有左轴承c、轴套d和右轴承c’，轴套d的两个轴截面上沿圆周方向均布地镶嵌有激励磁铁e和e’，圆周上相邻的两个轴截面上的激励磁铁e和e’之间夹角为Q＝360/N，N为两个轴截面上均布的激励磁铁e和e’的数量之和，激励磁铁e和e’的磁极沿悬臂轴a的径向配置；压板f经螺钉安装在悬臂轴a的自由端并经左轴承c的内圈及轴套d将右轴承c’的内圈压在悬臂轴a的轴肩a2上；壳体b经左轴承c和右轴承c’安装在悬臂轴a上，左轴承c和右轴承c’的外圈分别压在壳体b的左右两侧；壳体b上设有腔体b1，腔体b1的侧壁端部经螺钉安装有端盖k和调频质量块m，端盖k上设有凸台k1，凸台k1的上端面经螺钉安装有电路板s、侧壁上经螺钉固定有弹簧片i和压电振子p，压电振子p由基板p1和压电片p2粘接而成，压电振子p的端部经螺钉安装有顶块q；压电振子p对称地配置在弹簧片i的两侧，压电振子p与弹簧片i之间以及两个相邻的压电振子p之间都压接有垫片n，基板p1靠近弹簧片i安装，顶块q顶靠在弹簧片i上，弹簧片i的自由端经螺钉安装有受激磁铁r；腔体b1的上壁b2为圆弧形，上壁b2上对称地镶嵌有用于调频与增幅的定磁铁一g、经螺钉安装有用于缓冲与限位的定磁铁二h，定磁铁二h与受激磁铁r的几何中心位于同一圆周上。
压电振子p安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片p2上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子p的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：
Figure BSA0000149556680000031
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，
Figure BSA0000149556680000032
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H为别为基板厚度和压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板p1和压电片p2的杨氏模量，k31和
Figure BSA0000149556680000033
分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。
弹簧片i未发生弯曲变形时，弹簧片i两侧的压电振子p的变形和受力状态分别相同。工作时，即当风力发电机叶片Y带动悬臂轴a以及激励磁铁e及e’随着发电机主轴Z转动时，壳体b、压电振子p及弹簧片i相对悬臂轴a转动，从而使受激磁铁r与轴套d两个截面上的激励磁铁e和e’之间的距离发生变化、受激磁铁r向着与其逐渐靠近的激励磁铁e或e’移动，与逐渐靠近的激励磁铁e或e’处于弹簧片i同侧的定磁铁一g提高了受激磁铁r的移动速度和位移量、定磁铁二h限制受激磁铁r的最大位移量；当激励磁铁e或e’逐渐转离受激磁铁r时，受激磁铁r所受的吸引力逐渐减小并在弹簧片i弹性力的作用下逐渐复位；同时，另一个轴截面上的激励磁铁e’或e逐渐转近，加速了受激磁铁r的复位并继续向与之转近的激励磁铁e或e’方向运动；受激磁铁r上述的左右往复移动过程中，通过弹簧片i带动压电振子p往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能；当受激磁铁r与定磁铁二h接触时，压电片p2所受的压应力为其许用压应力。

Claims (1)

1.一种风力发电机叶片监测系统用自供电电源，其特征在于：悬臂轴的法兰盘安装在风力发电机叶片上，悬臂轴上自左至右依次套有左轴承、轴套和右轴承，轴套的两个轴截面上沿圆周方向均布地镶嵌有激励磁铁，圆周上相邻的两个轴截面上的激励磁铁之间夹角为Q＝360/N，N为两个轴截面上均布的激励磁铁的数量之和，激励磁铁的磁极沿悬臂轴的径向配置；压板安装在悬臂轴的自由端并经左轴承的内圈及轴套将右轴承的内圈压在悬臂轴的轴肩上；壳体经左轴承和右轴承安装在悬臂轴上，左轴承和右轴承的外圈分别压在壳体的左右两侧；壳体上设有腔体，腔体的侧壁端部安装有端盖和调频质量块，端盖上设有凸台，凸台的上端面安装有电路板、侧壁上固定有弹簧片和压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子端部安装有顶块；压电振子对称地配置在弹簧片两侧，压电振子与弹簧片之间以及两个相邻的压电振子之间都压接有垫片，基板靠近弹簧片安装，顶块顶靠在弹簧片上，弹簧片的自由端安装有受激磁铁；腔体的上壁为圆弧形，上壁上对称地镶嵌有用于调频与增幅的定磁铁一、安装有用于缓冲与限位的定磁铁二，定磁铁二与受激磁铁的几何中心位于同一圆周上。
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