CN107359816B - 一种悬垂自激式风力发电机监测系统用供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种悬垂自激式风力发电机监测系统用供电装置，属压电发电领域。悬臂轴装在风力发电机叶片上，悬臂轴上嵌有激励磁铁，悬臂轴上经轴承装有壳体；壳体设有内腔，内腔侧壁内侧装有限位磁铁和电路板、端部装有端盖和配重块；端盖的凸台两侧装有压电振子，相邻压电振子间压接有垫片；压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子端部装有顶块，顶块装在基板一侧，顶块顶靠在摇臂上，摇臂的半轴通过轴座安装在端盖上，摇臂自由端安装有受激磁铁和调频质量块，受激磁铁与激励磁铁的异性磁极相对安装、与限位磁铁的同性磁极相对安装。优势特色：压电片仅承受压应力、通过限位磁铁限位、多压电振子同步发电，故可靠性高、发电量大。

Description

一种悬垂自激式风力发电机监测系统用供电装置
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种悬垂自激式风力发电机监测系统用供电装置。
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，故风机叶片的健康监测势在必行。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
本发明提出一种悬垂自激式风力发电机监测系统用供电装置，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；悬臂轴的一端经螺钉安装在风力发电机叶片上，悬臂轴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＝180/N，N为一个轴截面上均布的激励磁铁的数量，激励磁铁的磁极沿悬臂轴的径向配置；悬臂轴上经左轴承和右轴承安装有壳体，壳体上经螺钉安装有轴承盖；左轴承外圈左侧顶靠在轴承盖上、内圈右侧顶靠在悬臂轴上，右轴承外圈右侧顶靠在壳体上、内圈左侧顶靠在悬臂轴上；壳体设有内腔，内腔的侧壁的内侧经螺钉安装有两个限位磁铁和电路板、端部经螺钉安装有端盖和配重块；端盖上设有凸台，凸台的两侧经螺钉安装有数量相等的压电振子，相邻两个压电振子之间压接有垫片；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，顶块安装在基板的一侧，顶块的自由端顶靠在摇臂上，摇臂的半轴通过轴座安装在端盖上，摇臂的自由端经螺钉安装有受激磁铁和调频质量块，受激磁铁与激励磁铁的异性磁极相对安装、与限位磁铁的同性磁极相对安装，受激磁铁与限位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 BSA0000149556730000021
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure BSA0000149556730000022
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分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和/>
Figure BSA0000149556730000023
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。
不受激励磁铁作用时，摇臂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、压电振子及摇臂相对悬臂轴转动，从而使受激磁铁与悬臂轴的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铁移动，限位磁铁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各压电振子的弹性力及限位磁铁排斥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，通过摇臂带动压电振子往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能；当受激磁铁与限位磁铁接触时，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限位磁铁确保压电振子变形量不超过许用值，进一步提高了可靠性；③摇臂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供电装置的结构示意图；
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悬臂轴上安装激励磁铁后的结构示意图；
图4为图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的一端经螺钉安装在风力发电机叶片Y上，悬臂轴a的两个轴截面上沿圆周方向均布地镶嵌有激励磁铁b和b’，圆周上相邻的两个轴截面上的激励磁铁b和b’之间夹角为Q＝180/N，N为一个轴截面上均布的激励磁铁b或b’的数量，激励磁铁b和b’的磁极沿悬臂轴a的径向配置；悬臂轴a上经左轴承c和右轴承c’安装有壳体d，壳体d上经螺钉安装有轴承盖e；左轴承c的外圈左侧顶靠在轴承盖e上、内圈右侧顶靠在悬臂轴a上，右轴承c’的外圈右侧顶靠在壳体d上、内圈左侧顶靠在悬臂轴a上；壳体d设有内腔d1，内腔d1的侧壁的内侧经螺钉安装有两个限位磁铁f和电路板g、端部经螺钉安装有端盖i和配重块j；端盖i上设有凸台i1，凸台i1的两侧经螺钉安装有数量相等的压电振子k，相邻两个压电振子k之间压接有垫片m；压电振子k由基板k1和压电片k2粘接而成，压电振子k的端部经螺钉安装有顶块n，顶块n安装在基板k1的一侧，顶块n的自由端顶靠在摇臂p上，摇臂p的半轴p1通过轴座q安装在端盖i上，摇臂p的自由端经螺钉安装有受激磁铁r和调频质量块s，受激磁铁r与激励磁铁b和b’的异性磁极相对安装、与限位磁铁f的同性磁极相对安装，受激磁铁r与限位磁铁f的几何中心位于同一圆周上。
压电振子k安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片k2上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子k的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：
Figure BSA0000149556730000031
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure BSA0000149556730000032
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k1和压电片k2的杨氏模量，k31和/>
Figure BSA0000149556730000033
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。
不受激励磁铁b和b’作用时，摇臂p两侧的压电振子k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b和b’随着发电机主轴Z转动时，壳体d、压电振子k及摇臂p相对悬臂轴a转动，从而使受激磁铁r与悬臂轴a的两个截面上的激励磁铁b和b’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b或b’移动，限位磁铁f限制受激磁铁r的最大位移量；当激励磁铁b或b’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各压电振子k弹性力及限位磁铁f排斥力的作用下逐渐复位；同时，另一个轴截面上的激励磁铁b或b’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b或b’方向运动；受激磁铁r上述的左右往复移动过程中，通过摇臂p带动压电振子k往复弯曲变形，从而将机械能转换成电能；当受激磁铁r与限位磁铁f接触时，压电片k2所受的压应力为其许用压应力。

Claims (1)

1.一种悬垂自激式风力发电机监测系统用供电装置，其特征在于：悬臂轴的一端安装在风力发电机叶片上，悬臂轴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＝180/N，N为一个轴截面上均布的激励磁铁的数量，激励磁铁的磁极沿悬臂轴的径向配置；悬臂轴上经左轴承和右轴承安装有壳体，壳体上安装有轴承盖；左轴承外圈左侧顶靠在轴承盖上、内圈右侧顶靠在悬臂轴上，右轴承外圈右侧顶靠在壳体上、内圈左侧顶靠在悬臂轴上；壳体设有内腔，内腔的侧壁内侧安装有两个限位磁铁和电路板、端部安装有端盖和配重块；端盖上设有凸台，凸台两侧安装有数量相等的压电振子，相邻两个压电振子之间压接有垫片；压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子的端部安装有顶块，顶块安装在基板的一侧，顶块自由端顶靠在摇臂上，摇臂的半轴通过轴座安装在端盖上，摇臂的自由端安装有受激磁铁和调频质量块，受激磁铁与激励磁铁的异性磁极相对安装、与限位磁铁的同性磁极相对安装，受激磁铁与限位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 FDA0004201549910000011
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure FDA0004201549910000012
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分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和
Figure FDA0004201549910000013
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；当受激磁铁与限位磁铁接触时，压电片所受的压应力为其许用压应力。
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