[發明專利]一種用于風電齒輪箱監測系統供電的旋流激勵發電機

有效

• 申請號: 201610458843.5
• 申請日: 2016-06-15
• 公開（公告）號: CN106100442B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 王淑云;余杰;蔡建程;闞君武;陳松
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;F03D17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于齒輪監測及壓電發電技術領域，具體涉及一種用于風電齒輪箱監測系統供電的旋流激勵發電機。

背景技術

齒輪箱是風力發電機組的關鍵部件，其功能是傳輸動力。風力發電機正常運轉時，風輪的轉速較低、致使發電機效率較低，故需通過齒輪箱增速以提高發電能力及效率。由于風電齒輪箱工作在變速變載荷環境下，故易發生故障；此外，風電齒輪箱出現故障時維修困難、且成本高，風電齒輪箱運行及維護成本可高達總體運行成本的30％。因此，人們提出了多種形式的齒輪箱狀態實時監測系統與方法，以期實時獲得齒輪箱的各相關參數、及時發現并解決問題，從而降低設備損壞程度及維修成本。目前，風電齒輪箱監測的要素包括齒輪、軸承及輪軸等運動部件的載荷、振動及溫度等諸多方面。

對于齒輪及軸的監測而言，理想的方法是將各類傳感監測系統安裝在齒輪或軸上或靠近齒輪或軸安裝，從而實現其運行狀態的直接在線監測；但這種監測方案因無法為傳感監測系統的提供可靠、充足的電力供應而難于推廣應用，原因在于：①齒輪和軸處于旋轉運動狀態，無法通過電纜供電；②如采用電池供電，因電池使用壽命有限而需經常更換，當電池電量不足而未及時更換時將無法實現有效的監測；③遠離軸承座的懸臂軸及其端部齒輪以及多個齒輪共軸時，都無法通過旋轉齒輪或軸與固定支撐件間相對運動構造微小型發電機。鑒于風電齒輪箱齒輪及軸的監測系統能源供應問題，目前實際中還無法實現真正意義上的實時在線監測。

發明內容

針對現有風電齒輪箱中齒輪監測系統所面臨的供電難題，本發明提出一種用于風電齒輪箱監測系統供電的旋流激勵發電機。本發明采用的實施方案是：齒輪安裝在主軸上，主軸上自左至右依次套有殼體、左軸套、帶葉片的輪緣、右軸套、及設有進口的右壁板，主軸端部經螺釘安裝有擋板；殼體壁板和右壁板分別經軸承套在主軸上，殼體壁板上的軸承內圈左側頂靠在主軸軸肩上，右壁板上的軸承內圈右側頂靠在擋板上，輪緣與主軸間經鍵連接；殼體筒壁上設有出口，殼體筒壁的端部經螺釘與右壁板相連，殼體筒壁的外側經螺釘安裝有配重塊；殼體筒壁的端部經螺釘依次安裝有限位框、壓電振子和壓塊，限位框和壓電振子置于右壁板上的進口內；壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，壓電振子自由端經螺釘安裝有調頻質量塊；壓電晶片靠近限位框安裝，壓電晶片的長度和寬度分別小于限位框的空腔長度和寬度，金屬基板的長度和寬度分別大于限位框空腔的長度和寬度；殼體、右壁板及壓電振子共同構成工作腔。

本發明中，為提高壓電振子的動態響應特性、發電量及可靠性，壓電晶片為0.2mm～0.3mm厚的PZT4，金屬基板為鈹青銅、且金屬基板與壓電晶片的厚度比為α＝1～2.5，此時的發電量較大、即能量比較大；能量比是指各不同厚度比的壓電振子一次彎曲變形所產生的電能與其中的最大值之比，一次彎曲變形是指壓電振子從自由狀態到金屬基板完全貼靠在限位框的限位曲面上的變形過程；限位框的限位面為圓弧曲面且其合理的曲率半徑為：其中，α＝h_m/h_p為厚度比，h_m和h_p分別為金屬基板和壓電晶片的厚度。

非工作時，主軸不轉動、壓電振子與主軸軸線垂直，右壁板上的入口被壓電振子擋住；工作狀態下，主軸帶動葉片轉動并引起流體運動，使工作腔內部壓電振子所處的進口處的流體壓強降低、出口處壓強增高，流體經進口流入工作腔、經出口流出，壓電振子在流體壓力作用下向左彎曲變形、并達到某一相對固定的動平衡轉角，此后便開始往復振動、將流體動能轉換成電能；壓電振子的動平衡轉角隨主軸轉速的增加而增加，當主軸轉速過高、壓電振子所受流體作用力較大時，壓電振子彎曲部分的金屬基板將貼靠在限位框上，從而避免壓電晶片因所受應力過大而損毀。

優勢與特色：①利用旋轉引起的流體運動激勵壓電振子發電，無剛性沖擊及電磁干擾；②壓電晶片工作在壓應力狀態下且最大應力可控；③無需固定支撐、適用范圍廣，懸臂軸齒輪及多齒輪共軸的場合均可應用，可實現真正意義的齒輪在線監測。

附圖說明

圖1是本發明一個較佳實施例中旋流激勵發電機的結構剖面圖；

圖2是圖1的右視圖；

圖3是本發明一個較佳實施例中限位框的結構示意圖；

圖4是圖3的左視圖；

圖5是壓電振子的能量比與厚度比的關系曲線。

具體實施方式