CN203313089U - 风力发电机叶片监测***用圆形压电振子发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种风力发电机叶片监测***用圆形压电振子发电装置，属于新能源和发电技术领域。端盖通过螺钉固定在主体上，端盖及主体底壁分别安装有圆形压电振子，压电振子中心处安装有动磁铁；端盖及主体底壁内侧中心处分别镶嵌有轴套，轴套内孔中安装有激励盘的转轴，激励盘的法兰盘上镶嵌有定磁铁，定磁铁和安装在压电振子上动磁铁的半径相等、且同性磁极靠近安装；激励盘的法兰盘外缘上焊接有质量块。优点是：实现压电振子的有效激励并发电，无需外界固定支撑；发电装置为独立的部件、无需改变叶片结构、便于安装与维护。
Description
技术领域
本实用新型属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种风力发电机叶片监测***用圆形压电振子发电装置。
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，决定了发电机总体的可靠性及使用寿命。风力发电机叶片通常工作在较恶劣的环境下，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。生产实践表明，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或技术，如中国专利201210442074.1、200810057405.3、201110397347.0、201210149265.9等，为叶片裂纹、磨损及变形等状态的实时监测提供了有效的手段。但现有自动传感监测***的供电问题目前尚未得到很好的解决，故难于大范围地推广应用，原因在于：传感监测***需要安装在叶片上并随叶片转动，无法通过导线提供电能，而采用电池供电时需经常停机更换电池。因此，需开发一种微小型发电装置以满足监测***的自供电需求。
近年来，为满足各类无线传感监测***的自供电需求，人们提出了多种微小型振动式压电发电机，因其以薄片型压电振子为换能元件，故结构简单、体积小、集成化高，尤其适于无线传感监测***自供电，某些类型振动式压电发电机已获得成功应用。为满足旋转体健康监测***的供电需求，实用新型人还曾提出了多种基于磁力耦合激励旋转式压电发电机，如中国专利201210319215.0、201210320165.8、201210318782.4、201210318930.2等。上述各种旋转式发电机的特点是必须通过轴承座或轴承盖等“固定件”与轴类“旋转体”间的相对转动实现压电振子的有效激励，故无法用于“无固定支撑”的旋转体发电，如旋转风力发电机的叶片及汽车轮胎等。
此外，现有旋转压电发电机大都由悬臂梁压电振子构成，因悬臂梁型压电振子刚度低、弯曲变形量大，工作中易因根部应力过大而损毁；同时，为避免压电振子端部磁体与激励磁铁相互吸合、损毁压电振子，工作中只能采用单一的“排斥力”激 励压电振子，即采用冲击激励的方式激励压电振子，从而使压电振子在转速域内出现过个共振峰，故使压电振子工作中应力变化大、可靠性低、有效速带窄。
发明内容
本实用新型提供一种风力发电机叶片监测***用圆形压电振子发电装置，以解决现在无法用于“无固定支撑”的旋转体发电，和压电振子工作中应力变化大、可靠性低、有效速带窄的问题。
本实用新型采用的技术方案是：端盖通过螺钉固定在主体的筒壁上，所述端盖及主体的底壁内侧分别设有沉孔，端盖及主体的底壁内侧分别通过螺钉安装有圆形压电振子，且安装于端盖及主体的底壁上的压电振子的中心线相互重合；所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，所述压电振子的中心处通过螺钉安装有动磁铁；端盖及主体的底壁内侧中心处分别镶嵌有轴套，所述轴套的内孔中安装有激励盘的转轴，所述激励盘的转轴与所述轴套的内孔铰接；所述激励盘的法兰盘上镶嵌有定磁铁，法兰盘的外边缘上焊接有扇形环质量块；所述定磁铁和动磁铁的半径r相等、且其中心到激励盘的转轴中心的距离R相等；位于端盖上与位于主体上的动磁铁的异性磁极靠近安装，位于法兰盘上的两个圆周方向相邻的定磁铁的磁极配置方向相反、且其中心与转轴中心连线间的夹角为Q0=4arcsin(r/R)。
为确保主体转动过程中质量块的质心始终处于转轴中心的下方，质量块的重力G应满足：
其中ηn为安装在主体底壁上的动磁铁数量na与安装在激励盘上的定磁铁数量nb的最大公约数，Q<150°为扇形环状质量块的中心角，Fy为动磁铁与定磁铁之间沿圆周方向的排斥力，Ry为动磁铁及定磁铁的中心距转轴中心的距离，RG为质量块的质心到转轴中心的距离。
本实用新型的特色与优势：①利用质量块的重力作用使激励盘相对其回转中心保持静止，从而使安装在激励盘上的定磁铁与随主体旋转的压电振子及动磁铁之间产生相对转动，实现压电振子的有效激励并发电，无需外界固定支撑；②发电装置为独立的部件、无需改变叶片原始结构，且便于安装与维护；③圆形压电振子强度及固有频率高、且采用连续简谐激励，工作中无明显的共振峰，故强度及可靠性高、输出电压波动小、有效频带宽；④压电振子轴向对称配置，其振动力相互抵消，不会传递给风力发电机叶片。
附图说明
图1是本实用新型一个较佳实施例中发电装置的结构原理简图；
图2是图1的A-A视图。
具体实施方式
端盖9通过螺钉固定在主体2的筒壁203上，所述端盖9及主体2的底壁202内侧分别设有沉孔901和沉孔204，端盖9及主体2的底壁202内侧分别通过螺钉安装有圆形压电振子3，且安装于端盖9及主体2的底壁202上的压电振子3的中心线相互重合；所述压电振子3由金属基板301和压电晶片302粘接而成，所述压电振子的中心处通过螺钉安装有动磁铁4；端盖9及主体2的底壁202内侧中心处分别镶嵌有轴套5，所述轴套5的内孔中安装有激励盘6的转轴601，所述激励盘6的转轴601与所述轴套5的内孔铰接；所述激励盘6的法兰盘602上镶嵌有定磁铁8，法兰盘602的外边缘上焊接有扇形环质量块7；所述定磁铁8和动磁铁4的半径r相等、且其中心到激励盘6的转轴601中心的距离R相等；位于端盖9上与位于主体2上的动磁铁4的异性磁极靠近安装，位于法兰盘602上的两个圆周方向相邻的定磁铁8的磁极配置方向相反、且其中心与转轴601中心连线间的夹角为Q0=4arcsin(r/R)。
为确保主体转动过程中质量块的质心始终处于转轴中心的下方，质量块的重力G应满足：
其中ηn为安装在主体底壁上的动磁铁数量na与安装在激励盘上的定磁铁数量nb的最大公约数，Q<150°为扇形环状质量块的中心角，Fy为动磁铁与定磁铁之间沿圆周方向的排斥力，Ry为动磁铁及定磁铁的中心距转轴中心的距离，RG为质量块的质心到转轴中心的距离。
工作过程中，主体2的法兰201通过螺钉安装在风力发电机叶片1上，并随发电机叶片1一起绕风力发电机主轴10旋转；当动磁铁4在圆周方向上靠近定磁铁8、且所述两个磁铁在圆周方向上未重叠时，动磁铁4和定磁铁8之间产生沿圆周方向的相互作用力Fy，从而产生使定磁铁8以及激励盘6沿转轴601转动的驱动转矩My，当动磁铁4与定磁铁8在圆周方向“相切”时驱动力矩最大，即为My=RyFy，其中Ry为动磁铁4及定磁铁8的中心距转轴601中心的距离；由于本实用新型的激励盘6上安装有质量块7，当质量块7因受驱动转矩My作用转过一定角度Q1时，质量块7的重力G产生一个反向的制动转矩MG=GRGcosQ1，其中RG为质量块7的质心到转 轴601中心的距离。
为确保主体2转动过程中质量块7的质心始终处于转轴601中心的下方，应使当质量块7转角为Q1=(180-Q)/2时各动磁铁4与定磁铁8之间驱动转矩之和小于或等于制动转矩，即
由此得质量块7的重力应满足： 
其中ηn为安装在主体2底壁202上的动磁铁4数量na与安装在激励盘6上的定磁铁8数量nb的最大公约数，Q<150°为扇形环状质量块7的中心角。
当质量块7不随主体2转动时，动磁铁4与安装在激励盘6上的定磁铁8之间产生相对转动；当动磁铁4与定磁铁8相互靠近时其磁极间产生逐渐增加的轴向排斥力或吸引力，当动磁铁4和定磁铁8的中心线重叠时作用力最大，即为 
其中：+、-号分别表示吸引力和排斥力，μ0为真空磁导率，L为动磁铁4和定磁铁8相邻磁极间的轴向距离，m1、m2分别为动磁铁4和定磁铁8的磁矩；此后，随动磁铁4的继续转动磁极间的轴向作用力逐渐减小，当该次激励的作用力消失的时进入下一次激励，压电振子所受作用力的方向相反。在上述动磁铁4与定磁铁8之间交替的靠近与分离过程中，磁铁间的轴向排斥力和吸引力交替变化，从而使压电振子3产生沿其轴线方向的往复弯曲变形，并将机械能转换成电能。
为提高单位时间内压电振子受激励次数即发电量、使动磁铁4与定磁铁8之间产生交替变化的吸引力和排斥力，本实用新型中动磁铁4旋转过程中不应与两个相邻定磁铁8同时重合，即动磁铁4在与一个定磁铁“切出”的同时与另一个定磁铁“切入”，故激励盘6的法兰盘602上两相邻定磁铁8的中心与激励盘6的转轴601中心的连线间的夹角应为Q0=4arcsin(r/R)。此时压电振子所承受的是简谐激励，当工作频率低于其固有频率时不会出现明显的共振峰、电压波动范围小；相反，对于现有的压电悬臂梁发电机，为避免动、定磁铁间吸附，只能采用单向排斥的激励方法，其激励方式为周期性冲击激励，悬臂梁型压电振子在其固有频率的整数倍或整数分之一倍时都会出现共振峰，输出电压波动较大，共振时振幅过大易造成压电振子损毁、而非共振点又可能因振幅及所生成的电压过低而无法满足使用要求。
在上述压电振子的发电过程中，利用质量块的重力作用使激励盘相对其回转中心保持静止，从而使安装在激励盘上的定磁铁与随主体旋转的压电振子及动磁铁之 间产生相对转动，实现压电振子的有效激励并发电，无需外界固定支撑；发电装置为独立的部件、无需改变叶片原始结构，且便于安装与维护；圆形压电振子强度及固有频率高、且采用连续简谐激励，工作中无明显的共振峰，故强度及可靠性高、输出电压波动小、有效频带宽；压电振子轴向对称配置，其振动力相互抵消，不会传递给风力发电机叶片。
Claims (1)
1.一种风力发电机叶片监测***用圆形压电振子发电装置，其特征在于：端盖通过螺钉固定在主体的筒壁上，所述端盖及主体的底壁内侧分别设有沉孔，端盖及主体的底壁内侧分别通过螺钉安装有圆形压电振子，且安装于端盖及主体的底壁上的压电振子的中心线相互重合；所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，所述压电振子的中心处通过螺钉安装有动磁铁；端盖及主体的底壁内侧中心处分别镶嵌有轴套，所述轴套的内孔中安装有激励盘的转轴，所述激励盘的转轴与所述轴套的内孔铰接；所述激励盘的法兰盘上镶嵌有定磁铁，法兰盘的外边缘上焊接有扇形环质量块；所述定磁铁和动磁铁的半径r相等、且其中心到激励盘的转轴中心的距离R相等；位于端盖上与位于主体上的动磁铁的异性磁极靠近安装，位于法兰盘上的两个圆周方向相邻的定磁铁的磁极配置方向相反、且其中心与转轴中心连线间的夹角为Q0=4arcsin(r/R)。
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