[發明專利]一種軸端懸置轉輪式壓電梁俘能器

有效

• 申請號: 201610459911.X
• 申請日: 2016-06-15
• 公開（公告）號: CN105958868B
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 溫建明;范春濤;王淑云;闞君武;朱雅娜
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 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，具體涉及一種軸端懸置轉輪式壓電梁俘能器，用于風電齒輪箱軸承、軸及齒輪等的健康監測系統供電。

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，本發明提出一種軸端懸置轉輪式壓電梁俘能器。本發明采用的實施方案是：轉輪左右兩側分別安裝有左端蓋和右端蓋，左端蓋和右端蓋與轉輪側壁間都壓接金屬基板，金屬基板上的懸臂梁與所粘接的壓電晶片構成壓電振子，壓電振子自由端安裝有受激磁鐵，受激磁鐵靠近轉輪安裝且置于轉輪側面的長方形導槽中；連接件的懸臂軸置于轉輪中心孔內且端部與右端蓋連接；懸臂軸與轉輪中心孔之間設有密封圈，懸臂軸與轉輪上的環腔構成滑道，滑道內填充有潤滑油、安裝有非鐵磁性材料的圓柱形激勵器，激勵器兩端鑲嵌有激勵磁鐵；當轉輪一側壓電振子和激勵器的數量都大于1時，兩相鄰壓電振子的對稱中心線間的夾角和兩相鄰激勵器中心與轉輪回轉中心連線間的夾角不能互為整數倍，激勵器同一側兩相鄰激勵磁鐵的磁極配置方向相反、兩相鄰受激磁鐵磁的極配置方向相同；轉輪左右兩側及其相鄰的左端蓋和右端蓋側面都設有形狀、尺度及數量相同的限位面和沉槽；沉槽用于容納壓電晶片，其平面尺寸大于壓電晶片、小于金屬懸臂梁；限位面用于限制壓電振子的變形量，限位面為圓弧面且其合理的曲率半徑取決于金屬基板及壓電晶片的材料及厚度。

本發明中，為提高壓電振子的發電能力和可靠性，壓電晶片為0.2～0.3mm的PZT4、金屬基板為鈹青銅，金屬基板與壓電晶片的厚度之比范圍為1～2.5，此時壓電振子的發電能力較強、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較大；對于本發明利用PZT4和鈹青銅基板構成的壓電振子，限位面的合理曲率半徑為其中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。

工作過程中，連接件的懸臂軸帶動轉輪、左端蓋和右端蓋、壓電振子及受激磁鐵轉動；在轉輪轉動過程中，激勵器在其慣性力的作用下處于滑道底部，從而使激勵器和受激磁鐵之間產生相對運動。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所受的激振力最大，壓電振子的變形量最大時金屬懸臂梁將完全貼靠在限位面上；此后，壓電振子的變形量隨著轉輪的進一步轉動而逐漸減小、并逐漸恢復至初始狀態；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：本發明利用激勵器的慣性力實現與轉輪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小；壓電振子變形量由限位面半徑確定、變形后各點應力相同，故發電量大、可靠性高、有效頻帶寬；可作為標準部件用于懸臂軸齒輪及多齒輪共軸場合，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俘能器的結構示意圖；

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轉輪的結構示意圖；

圖4是圖3的左視圖；