一種轉輪自激式圓形壓電振子發電機的製作方法
2023-12-04 20:30:17 1
本發明屬於新能源和發電技術領域，具體涉及一種轉輪自激式圓形壓電振子發電機，用於風電齒輪箱等電力旋轉設施監測系統供電。
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。由於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、及時發現並解決問題，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。
對於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於推廣應用，原因在於：①齒輪和軸處於旋轉運動狀態，無法通過電纜供電；②如採用電池供電，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。限於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。
技術實現要素：
針對風電齒輪箱監測系統供電方面所存在的問題，本發明提出一種轉輪自激式圓形壓電振子發電機。本發明採用的實施方案是：齒輪軸置於盤體中心孔內，盤體一側設有盤體沉腔及盤體導孔、另一側設有滑道；滑道端部經螺釘安裝有側板，側板經螺釘與齒輪軸相連，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；壓電振子中心處安裝有受激磁鐵，受激磁鐵置於盤體導孔內或側板導孔內；圓柱形的激勵器置於填充有潤滑油的滑道內，激勵器兩側均鑲嵌有激勵磁鐵；激勵器數量大於1時，兩個圓周方向相鄰激勵器之間可安裝有非鐵磁性材料的隔離器；當激勵器一側的壓電振子數量和激勵器數量都大於1時，兩相鄰激勵器的圓心與盤體迴轉中心連線間夾角和兩相鄰壓電振子中心與盤體中心連線間的夾角之間不能互為整數倍，從而減小各圓柱激勵器所受的總的切向力轉動力；當軸向相鄰的受激磁鐵和激勵磁鐵的同性磁極靠近安裝時，壓電振子中的壓電晶片靠近滑道一側安裝；當軸向相鄰的受激磁鐵和激勵磁鐵的異性磁極靠近安裝時，壓電振子中金屬基板靠近滑道一側安裝。
本發明中，為提高壓電振子發電能力，金屬基板為0.2mm厚度的鈹青銅、壓電晶片d2為0.3mm厚的PZT4；壓電振子一次彎曲變形生成的電壓Vg和電能Eg分別為和式中F為受激磁鐵與激勵磁鐵之間的最大軸向作用力，Rm為金屬基板有效半徑，Rp為壓電晶片的半徑；Rm給定時，合理的Rp由求得。
工作過程中，齒輪軸帶動盤體、側板、壓電振子及受激磁鐵轉動；在盤體轉動過程中，激勵器及所鑲嵌激勵磁鐵在其慣性力的作用下處於滑道的底部，從而使激勵磁鐵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，壓電振子的變形量逐漸減小並最終恢復到自然狀態；上述受激磁鐵與激勵磁鐵相互靠近後又逐漸遠離的過程中，壓電振子完成了一次發電過程；採用多個激勵器激勵時，激勵時間可通過隔離器的數量調整。
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並激勵壓電振子軸向彎曲，無需外界固定支撐、結構簡單、激勵器所受轉動力矩小；2)激勵時間易於通過隔離器數量調節，有效轉速範圍寬；3)壓電振子的結構參數合理，發電量大；4)工作中壓電晶片承受壓應力激勵、可靠性高；5)可作為標準部件用於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是激勵器之間無隔離器時圖1的A-A剖視圖；
圖3是激勵器之間有隔離器時圖1的A-A剖視圖；
圖4是圖1的B-B剖視圖；
圖5是本發明一個較佳實施例中盤體與側板裝配後的結構示意圖；
圖6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係圖；
圖7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係圖。
具體實施方式
齒輪a的懸臂軸b置於盤體c的中心孔c4內，盤體c的一側設有盤體沉腔c1及盤體導孔c2、另一側設有滑道c3；滑道c3的端部經螺釘安裝有側板h，側板h經螺釘與懸臂軸b相連，側板h上設有側板沉腔h1和側板導孔h2；盤體導孔c2和側板導孔h2均為盲孔；盤體沉腔c1和側板沉腔h1內都通過螺釘和端蓋e安裝有壓電振子d，壓電振子d由金屬基板d1和壓電晶片d2粘接而成；壓電振子d的中心處安裝有受激磁鐵g，受激磁鐵g置於盤體導孔c2內或側板導孔h2內；圓柱形的激勵器i置於填充有潤滑油的滑道c3內，激勵器i的兩側均鑲嵌有激勵磁鐵f；激勵器i的數量大於1時，兩個圓周方向相鄰的激勵器i之間可安裝有非鐵磁性材料的隔離器j；當激勵器i一側的壓電振子d的數量和激勵器i的數量都大於1時，兩個相鄰激勵器i的圓心與盤體c迴轉中心連線間夾角Q2和兩個相鄰壓電振子d的中心與盤體c的中心連線間的夾角Q1之間不能互為整數倍，從而減小各圓柱激勵器i所受的總的切向力轉動力；當軸向相鄰的受激磁鐵g和激勵磁鐵f的同性磁極靠近安裝時，壓電振子d中壓電晶片d2靠近滑道c3一側安裝；當軸向相鄰的受激磁鐵g和激勵磁鐵f的異性磁極靠近安裝時，壓電振子d中金屬基板d1靠近滑道c3一側安裝。
本發明中，為提高壓電振子d的發電能力，金屬基板d1為0.2mm厚度的鈹青銅、壓電晶片d2為厚度0.3mm的PZT4；壓電振子d一次彎曲變形生成的電壓Vg和電能Eg分別為和式中F為受激磁鐵g與激勵磁鐵f之間的最大軸向作用力，Rm為金屬基板d1的有效半徑，Rp為壓電晶片d2的半徑；Rm給定時，合理的Rp由求得。
工作過程中，齒輪a的懸臂軸b帶動盤體c、側板h、壓電振子d及受激磁鐵g轉動；在盤體c轉動過程中，激勵器i及所鑲嵌激勵磁鐵f在其慣性力的作用下處於滑道c3的底部，從而使激勵磁鐵f和受激磁鐵g之間產生相對運動。當壓電振子d及受激磁鐵g轉至與激勵磁鐵f接近時，受激磁鐵g與激勵磁鐵f間的軸向作用力逐漸增加，壓電振子d產生軸向彎曲變形；當受激磁鐵g與激勵磁鐵f的中心重疊時，壓電振子d的變形量達到最大；當受激磁鐵g與激勵磁鐵f的重疊面積逐漸減小時，壓電振子d的變形量逐漸減小並最終恢復到自然狀態；上述受激磁鐵g與激勵磁鐵f相互靠近後又逐漸遠離的過程中，壓電振子d完成了一次發電過程；採用多個激勵器i激勵時，激勵時間可通過隔離器j的數量調整。
顯然，本發明利用圓柱激勵器i的慣性力實現與盤體c間的相對運動、並激勵壓電振子d軸向彎曲，無需外界固定支撐、結構簡單、激勵器所受切向轉動力小；採用多個激勵器i激勵時，激勵時間易於通過隔離器j調整，有效轉速範圍大；壓電振子d的結構參數合理、發電量大；工作中壓電晶片d2承受壓應力激勵、可靠性高；可用於懸臂軸齒輪及多齒輪共軸的場合，實現真正意義的齒輪及軸系的在線監測。