[發明專利]一種用于風電齒輪箱監測系統供電的圓形壓電振子發電機

有效

• 申請號: 201610459782.4
• 申請日: 2016-06-15
• 公開（公告）號: CN106452175B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 蔣永華;嚴夢加;王淑云;闞君武
• 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

本發明屬于新能源和發電技術領域，具體涉及一種用于風電齒輪箱監測系統供電的圓形壓電振子發電機。

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間相對運動構造微小型發電機。限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

針對風電齒輪箱監測系統供電方面所存在的問題，本發明提出一種用于風電齒輪箱監測系統供電的圓形壓電振子發電機。本發明采用的實施方案是：齒輪的懸臂軸置于盤體中心孔內，盤體一側設有盤體沉腔及盤體導孔、另一側設有環形滑道；滑道端部經螺釘安裝有側板，側板經螺釘與齒輪的懸臂軸相連；側板上設有側板沉腔和側板導孔；盤體導孔和側板導孔均為盲孔；盤體沉腔和側板沉腔內都通過螺釘和端蓋安裝有壓電振子，壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，壓電晶片靠近滑道安裝；壓電振子的中心處安裝有受激磁鐵，受激磁鐵置于盤體導孔內或側板導孔內；激勵器置于填充有潤滑油的滑道內，激勵器的內外緣上均鑲嵌有滾珠，激勵器通過滾珠與滑道的內外緣滾動接觸；激勵器兩側均鑲嵌有激勵磁鐵；當激勵器一側壓電振子的數量和激勵磁鐵數量都大于1時，兩相鄰激勵磁鐵的圓心與激勵器回轉中心連線間夾角和兩相鄰壓電振子的中心與盤體中心連線間的夾角之間不能互為整數倍，從而 減小激勵器所受的轉動力矩。

本發明中，為提高壓電振子發電能力，金屬基板為0.2mm厚的鈹青銅、壓電晶片為0.3mm厚的PZT4；壓電振子一次彎曲變形生成的電壓V_g和電能E_g分別為和 式中F為激勵磁鐵與受激磁鐵之間的最大軸向作用力，R_m為金屬基板的有效半徑，R_p為壓電晶片半徑；R_m給定時，合理的R_p由求得。

工作過程中，齒輪的懸臂軸帶動盤體、側板、壓電振子及受激磁鐵轉動；在盤體轉動過程中，激勵器及所鑲嵌的滾珠在其慣性力的作用下處于滑道底部，從而使激勵磁鐵和受激磁鐵間產生相對運動。當壓電振子及受激磁鐵轉至與激勵磁鐵接近時，受激磁鐵與激勵磁鐵間的軸向作用力逐漸增加，壓電振子產生軸向彎曲變形；當受激磁鐵與激勵磁鐵的中心重疊時，壓電振子的變形量達到最大；當受激磁鐵與激勵磁鐵的重疊面積逐漸減小時，壓電振子變形量逐漸減小并最終恢復到自然狀態；上述受激磁鐵與激勵磁鐵相互靠近后又逐漸遠離的過程中，壓電振子完成了一次發電過程。

優勢與特色：1)利用慣性力實現盤體與激勵器間的相對運動并激勵壓電振子軸向彎曲，無需外界固定支撐、結構簡單且激勵器所受轉動力矩小；2)壓電振子的結構參數合理，發電量大、有效頻帶寬；3)工作中壓電晶片承受壓應力激勵、可靠性高；4)可作為標準部件用于懸臂軸齒輪及多齒輪共軸的場合，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發電機的結構示意圖；

圖2是圖1的A-A剖視圖；

圖3是本發明一個較佳實施例中激勵器的結構示意圖；

圖4是本發明一個較佳實施例中盤體與側板裝配后的結構示意圖；

圖5是本發明一個較佳實施例中壓電振子發電量與結構參數的關系圖；

圖6是本發明一個較佳實施例中壓電振子發電量與壓電晶片半徑的關系曲線。

具體實施方式