CN107370415B - 一种宽带悬垂俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带悬垂俘能器，属风力发电机监测技术领域。风力发电机叶片安装在发电机主轴上；转轴一端安装在风力发电机叶片上，转轴上间隔地设有凸轮，凸轮上均布地镶嵌有磁铁；壳体上装有端盖，转轴经轴承安装在壳体侧壁及端盖上；壳体的上壁内侧安装有吊架、下壁内侧装有底座，壳体的下壁外侧装有配重块；吊架的叉齿置于轴向相邻两凸轮之间，叉齿上镶嵌有线圈；底座的凸台两侧装有换能器，换能器自由端顶靠在凸轮上，换能器自由端与凸轮上的长圆弧相切时，换能器为平直状态、不发生弯曲变形；换能器自由端与凸轮上的短圆弧相切时，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、换能器变形量小于其许用值。

Description

一种宽带悬垂俘能器

技术领域

本发明属于风力发电机监测技术领域，具体涉及一种宽带悬垂俘能器，为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

本发明提出一种宽带悬垂俘能器，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；转轴的一端经螺钉安装在风力发电机叶片上，转轴上间隔地设有凸轮，凸轮的轮廓曲线由两条长圆弧、两条短圆弧以及连接长圆弧与短圆弧的直线构成；长圆弧与转轴同轴，直线与长圆弧及短圆弧相切；凸轮上均布地镶嵌有磁铁；壳体上经螺钉安装有端盖，转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，壳体的下壁外侧经螺钉安装有配重块；吊架为指叉结构，吊架的叉齿置于转轴的轴向相邻的两凸轮之间，叉齿上镶嵌有线圈，线圈与磁铁的半径相同、圆心位于同一圆周上，两个磁铁间的距离大于磁铁直径的2倍；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；换能器自由端顶靠在凸轮上，换能器自由端与凸轮上的长圆弧相切时，换能器为平直状态、不发生弯曲变形；换能器自由端与凸轮上的短圆弧相切时，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为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转轴及凸轮随着发电机主轴转动时，壳体及换能器相对凸轮转动，从而使换能器自由端与凸轮的接触位置发生变化：凸轮上的长圆弧与换能器自由端相切时换能器为平直状态、不发生弯曲变形，凸轮转动使凸轮上的直线与换能器自由端接触时换能器的变形量开始增加，待凸轮上的短圆弧与换能器自由端相切时换能器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转动开始逐渐减小，至换能器自由端与长圆弧相切时换能器变形量及压电片上的压应力减小到零，至此完成一个激励周期。上述凸轮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，线圈与磁铁也发生相对转动，线圈切割磁力线时也将机械能转换成电能。

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，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转轴剖视图；

图4为图3左视图。

具体实施方式

风力发电机叶片Y安装在发电机主轴Z上；转轴a的一端经螺钉安装在风力发电机叶片Y上，转轴a上间隔地设有凸轮a1，凸轮a1的轮廓曲线由两条长圆弧a2、两条短圆弧a3以及连接长圆弧a2和短圆弧a3的直线a4构成；长圆弧a2与转轴a同轴，直线a4与长圆弧a2及短圆弧a3相切；凸轮a1上均布地镶嵌有磁铁b；壳体c上经螺钉安装有端盖d，转轴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，壳体c的下壁c2的外侧经螺钉安装有配重块G；吊架f为指叉结构，吊架f的叉齿f1置于转轴a的轴向相邻的两凸轮a1之间，叉齿f1上镶嵌有线圈h，线圈h与磁铁b的半径相同、圆心位于同一圆周上，两个磁铁b间的距离大于磁铁b直径的2倍；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自由端顶靠在凸轮a1上，换能器i自由端与凸轮a1上的长圆弧a2相切时，换能器i为平直状态、不发生弯曲变形；换能器i自由端与凸轮a1上的短圆弧a3相切时，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带动转轴a以及凸轮a1随着发电机主轴Z转动时，壳体c及换能器i相对凸轮a1转动，从而使换能器i自由端与凸轮a1的接触位置发生变化：凸轮a1上的长圆弧a2与换能器i自由端相切时换能器i为平直状态、不发生弯曲变形，凸轮a1转动使凸轮a1上的直线a4与换能器i的自由端接触时换能器i的变形量开始增加，待凸轮a1上的短圆弧a3与换能器i自由端相切时换能器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a1转动开始逐渐减小，至换能器i自由端与长圆弧a2相切时换能器i的变形量及压电片i2上的压应力减小到零，至此完成一个激励周期。上述凸轮a1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与磁铁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。

Claims (1)

1.一种宽带悬垂俘能器，其特征在于：风力发电机叶片安装在发电机主轴上；转轴的一端经螺钉安装在风力发电机叶片上，转轴上间隔地设有凸轮，凸轮的轮廓曲线由两条长圆弧、两条短圆弧以及连接长圆弧与短圆弧的直线构成；长圆弧与转轴同轴，直线与长圆弧及短圆弧相切；凸轮上均布地镶嵌有磁铁；壳体为端口朝右的长方形结构，壳体的端口上经螺钉安装有端盖，壳体的左侧壁及端盖上均镶嵌有轴承，转轴经轴承安装在壳体的左侧壁及端盖上；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，壳体的下壁外侧经螺钉安装有配重块；吊架为指叉结构，吊架的叉齿置于转轴的轴向相邻的两凸轮之间，叉齿上镶嵌有线圈，线圈与磁铁的半径相同，线圈与其两侧相邻的两个磁铁的圆心位于同一圆周上，两个磁铁间的距离大于磁铁直径的2倍；底座的上方设有凸台，凸台两侧都经螺钉和压块安装有换能器，换能器为由基板与其一侧的压电片粘接而成的压电换能器，基板靠近凸台安装；换能器自由端顶靠在各凸轮上，各凸轮沿换能器宽度方向与换能器接触；换能器自由端与凸轮上的长圆弧相切时，换能器为平直状态、不发生弯曲变形；换能器自由端与凸轮上的短圆弧相切时，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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