CN107359770B - 一种非接触旋磁激励垂吊俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触旋磁激励垂吊俘能器，属风力发电机监测领域。风力发电机叶片装在主轴上，凸轮轴一端装在风力发电机叶片上，凸轮轴上间隔地装有凸轮环；凸轮环轮廓曲线由两条长圆弧、两条短圆弧以及连接长圆弧和短圆弧的直线段构成，长圆弧与凸轮轴同轴，直线段与长短圆弧相切，凸轮环为磁环且磁极沿径向配置；壳体上装有端盖，凸轮轴经轴承装在壳体侧壁及端盖上；壳体上壁内侧装有吊架、下壁内侧装有底座、前后壁内侧装有定磁铁；吊架叉齿置于相邻两凸轮环之间，叉齿上嵌有线圈；底座凸台两侧装有自由端带动磁铁的换能器；动磁铁与凸轮环上的长圆弧相接触时换能器为平直结构，换能器自由端与定磁铁相接触时换能器的变形量小于其许用值。

Description

一种非接触旋磁激励垂吊俘能器

技术领域

本发明属于风力发电机监测技术领域，具体涉及一种非接触旋磁激励垂吊俘能器，用于风力发电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装置，但因现有自供电装置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

本发明提出一种非接触旋磁激励垂吊俘能器，本发明采用的实施方案是：风力发电机叶片安装在主轴上；凸轮轴的一端经螺钉安装在风力发电机叶片上，凸轮轴上间隔地安装有凸轮环；凸轮环的轮廓曲线由两条长圆弧、两条短圆弧以及连接长圆弧和短圆弧的直线段构成，长圆弧与凸轮轴同轴，直线段与长圆弧及短圆弧相切，凸轮环为磁环且磁极沿径向配置；壳体上经螺钉安装有端盖，凸轮轴经轴承安装在壳体的侧壁及端盖上；壳体的上壁内侧经螺钉安装有吊架、下壁内侧经螺钉安装有底座、下壁外侧经螺钉安装有配重块、前壁和后壁内侧经螺钉安装有定磁铁；吊架为指叉结构，吊架的叉齿置于轴向相邻的两凸轮环之间，叉齿上镶嵌有线圈，线圈的直径小于凸轮环的径向厚度；底座的凸台两侧都经螺钉和压块安装有换能器，换能器为由基板和压电片粘接而成的压电换能器，基板靠近凸台安装；换能器自由端经螺钉安装有动磁铁，动磁铁与定磁铁及凸轮环的同性磁极相对安装。

动磁铁与凸轮环上的长圆弧相接触时换能器为平直结构、不发生弯曲变形，换能器自由端与定磁铁相接触时换能器的弯曲变形量最大，此时压电片上最大压应力小于其许用值、换能器的变形量小于其许用值，换能器的许用变形量通过以下公式计算，即：

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，/>

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板厚度和换能器总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器的长度。

工作时，即当风力发电机叶片带动凸轮轴以及凸轮环随着发电机主轴转动时，壳体及换能器相对凸轮环转动，从而使动磁铁与凸轮环之间的位置关系及作用力发生变化：凸轮环上的长圆弧与动磁铁相对时换能器的变形量最小，凸轮环转动使凸轮环上的直线段与动磁铁相对时换能器的变形量开始增加，待凸轮环上的短圆弧与动磁铁相对时换能器的弯曲变形量及压电片上的压应力最大；此后，换能器的变形量及压电片上的压应力随凸轮环转动开始逐渐减小，至动磁铁与长圆弧相对时换能器的变形量及压电片上的压应力减至最小，至此完成一个激励周期。上述凸轮环与换能器相对转动过程中，压电片上压应力交替增加与减小的过程中即将机械能转换成了电能，此过程为压电发电；同时，线圈与凸轮环也发生相对转动，线圈切割磁力线时也将机械能转换成电能，此过程为电磁发电。

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压电换能器变形量由凸轮升程决定且经定磁铁限位，任何转速下变形量及电压相同，有效频带宽；③利用压电和电磁俘能单元同步发电，发电供电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构剖面示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3为本发明一个较佳实施例中凸轮轴与凸轮装配后的剖视图；

图4为图3左视图。

具体实施方式

风力发电机叶片Y安装在主轴Z上；凸轮轴a的一端经螺钉安装在风力发电机叶片Y上，凸轮轴a上间隔地安装有凸轮环b；凸轮环b的轮廓曲线由两条长圆弧b1、两条短圆弧b2以及连接长圆弧b1和短圆弧b2的直线段b3构成，长圆弧b1与凸轮轴a同轴，直线段b3与长圆弧b1及短圆弧b2相切，凸轮环b为磁环且磁极沿径向配置；壳体c上经螺钉安装有端盖d，凸轮轴a经轴承e安装在壳体c的侧壁c3及端盖d上；壳体c的上壁c1内侧经螺钉安装有吊架f、下壁c2内侧经螺钉安装有底座g、下壁c2外侧经螺钉安装有配重块G、前壁c4和后壁c5内侧经螺钉安装有定磁铁k；吊架f为指叉结构，吊架f的叉齿f1置于轴向相邻的两凸轮环b之间，叉齿f1上镶嵌有线圈h，线圈h的直径小于凸轮环b的径向厚度；底座g的凸台g1两侧都经螺钉和压块j安装有换能器i，换能器i为由基板i1和压电片i2粘接而成的压电换能器，基板i1靠近凸台g1安装；换能器i自由端经螺钉安装有动磁铁m，动磁铁m与定磁铁k及凸轮环b的同性磁极相对安装。

动磁铁m与凸轮环b上的长圆弧b1相接触时换能器i为平直结构、不发生弯曲变形，换能器i自由端与定磁铁k相接触时换能器i的弯曲变形量最大，此时压电片i2上最大压应力小于其许用值、换能器i的变形量小于其许用值，换能器i的许用变形量通过以下公式计算，即：

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，/>

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板i1的厚度和换能器i的总厚度，E_m和E_p分别为基板i1和压电片i2的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器i的长度。

工作时，即当风力发电机叶片Y带动凸轮轴a以及凸轮环b随着发电机主轴Z转动时，壳体c及换能器i相对凸轮环b转动，从而使动磁铁m与凸轮环b之间的位置关系及作用力发生变化：凸轮环b上的长圆弧b1与动磁铁m相对时换能器i的变形量最小，凸轮环b转动使凸轮环b上的直线段b3与动磁铁m相对时换能器i的变形量开始增加，待凸轮环b上的短圆弧b2与动磁铁m相对时换能器i的弯曲变形量及压电片i2上的压应力最大；此后，换能器i的变形量及压电片i2上的压应力随凸轮环b转动开始逐渐减小，至动磁铁m与长圆弧b1相对时换能器i的变形量及压电片i2上的压应力减至最小，至此完成一个激励周期。上述凸轮环b与换能器i相对转动过程中，压电片i2上压应力交替增加与减小的过程中即将机械能转换成了电能，此过程为压电发电；同时，线圈h与凸轮环b也发生相对转动，线圈h切割磁力线时也将机械能转换成电能，此过程为电磁发电。

Claims (1)

1.一种非接触旋磁激励垂吊俘能器，其特征在于：风力发电机叶片安装在主轴上，凸轮轴一端经螺钉安装在风力发电机叶片上，凸轮轴上间隔地安装有凸轮环；凸轮环的轮廓曲线由两条长圆弧、两条短圆弧以及连接长圆弧和短圆弧的直线段构成，长圆弧与凸轮轴同轴，直线段与长圆弧及短圆弧相切，凸轮环为磁环且磁极沿径向配置；壳体上经螺钉安装有端盖，凸轮轴经轴承安装在壳体的侧壁及端盖上；壳体的上壁内侧经螺钉安装有吊架、下壁内侧经螺钉安装有底座、下壁外侧经螺钉安装有配重块、前壁和后壁内侧经螺钉安装有定磁铁；吊架为指叉结构，吊架的叉齿置于轴向相邻的两凸轮环之间，叉齿上镶嵌有线圈，线圈的直径小于凸轮环的径向厚度；底座的凸台两侧都经螺钉和压块安装有换能器，换能器为由基板和压电片粘接而成的压电换能器，基板靠近凸台安装；换能器自由端经螺钉安装有动磁铁，动磁铁与定磁铁及凸轮环的同性磁极相对安装；动磁铁与凸轮环上的长圆弧相接触时换能器为平直结构、不发生弯曲变形，换能器自由端与定磁铁相接触时换能器的弯曲变形量最大，此时换能器的变形量小于其许用值，换能器的许用变形量通过以下公式计算，即：

其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，/>

α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板厚度和换能器总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和/>

分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器的长度。/>

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