本實用新型屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種懸置自激轉(zhuǎn)輪壓電梁俘能器，用于風力發(fā)電機齒輪軸等不便安裝相對固定支承旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)供電。

背景技術(shù)：

齒輪箱是風力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件，其功能是傳輸動力。風力發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)時，風輪的轉(zhuǎn)速較低、致使發(fā)電機效率較低，故需通過齒輪箱增速以提高發(fā)電能力及效率。由于風電齒輪箱工作在變速變載荷環(huán)境下，故易發(fā)生故障；此外，風電齒輪箱出現(xiàn)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(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)與方法，以期實時獲得齒輪箱的各相關(guān)參數(shù)、及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而降低設(shè)備損壞程度及維修成本。目前，風電齒輪箱監(jiān)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(jiān)測而言，理想的方法是將各類傳感監(jiān)測系統(tǒng)安裝在齒輪或軸上或靠近齒輪或軸安裝，從而實現(xiàn)其運行狀態(tài)的直接在線監(jiān)測；但這種監(jiān)測方案因無法為傳感監(jiān)測系統(tǒng)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(zhuǎn)運動狀態(tài)，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(jīng)常更換，當電池電量不足而未及時更換時將無法實現(xiàn)有效的監(jiān)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(zhuǎn)齒輪或軸與固定支撐件間相對運動構(gòu)造微小型發(fā)電機。限于風電齒輪箱齒輪、軸及軸承等的監(jiān)測系統(tǒng)能源供應問題，目前實際中還無法實現(xiàn)真正意義上的實時在線監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對風電齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本實用新型提出一種懸置自激轉(zhuǎn)輪壓電梁俘能器。本實用新型采用的實施方案是：左端蓋、盤體、側(cè)板及右端蓋依次通過螺釘相連接，左端蓋、盤體及側(cè)板套在齒輪的懸臂軸上，右端蓋與懸臂軸連接；懸臂軸與盤體及側(cè)板的中心之間均設(shè)有密封圈；左端蓋與盤體之間以及側(cè)板與右端蓋之間均壓接有金屬基板，金屬基板上的懸臂梁與所粘接的壓電晶片構(gòu)成壓電振子；壓電振子自由端安裝有受激磁鐵，受激磁鐵靠近盤體或側(cè)板安裝且置于盤體側(cè)面或側(cè)板側(cè)面的長方形導槽中；懸臂軸與盤體環(huán)腔構(gòu)成滑道，滑道內(nèi)填充有潤滑油、安裝有非鐵磁性材料的激勵器，激勵器內(nèi)外緣上鑲嵌有用于滾動接觸的滾珠、兩側(cè)對稱地鑲嵌有激勵磁鐵；激勵器兩側(cè)壓電振子數(shù)量相等且對稱安裝；激勵器一側(cè)壓電振子和激勵磁鐵數(shù)量都大于1時，兩相鄰壓電振子對稱中心線間的夾角和兩相鄰激勵磁鐵中心與盤體中心連線間的夾角之間不能互為整數(shù)倍；激勵器同一側(cè)兩圓周上相鄰受激磁鐵磁的極配置方向相同，激勵器兩側(cè)同軸受激磁鐵的異性磁極相對安裝；激勵器同一側(cè)兩圓周上相鄰激勵磁鐵的磁極配置方向相反，激勵器兩側(cè)同軸激勵磁鐵的異性磁極相對安裝，以確保激勵器不受軸向力作用；左端蓋、盤體、側(cè)板及右端蓋上與壓電振子相鄰的一側(cè)都設(shè)有形狀尺度及數(shù)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參數(shù)。

本實用新型中，為提高壓電振子發(fā)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(fā)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(chǎn)生的電能與其中的最大值之比較大；對于本實用新型利用PZT4和鈹青銅基板構(gòu)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厚度。

工作過程中，齒輪懸臂軸帶動左端蓋、盤體、側(cè)板、右端蓋、壓電振子及受激磁鐵轉(zhuǎn)動；在盤體轉(zhuǎn)動過程中，激勵器在其慣性力的作用下處于滑道的底部，從而使激勵磁鐵和受激磁鐵之間產(chǎn)生相對運動。當壓電振子及受激磁鐵轉(zhuǎn)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(chǎn)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、變形量最大，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盤體的進一步轉(zhuǎn)動而逐漸減小、并逐漸恢復至初始狀態(tài)；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(fā)電。

優(yōu)勢與特色：本實用新型利用激勵器的慣性力實現(xiàn)與轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單且激勵器所受轉(zhuǎn)動力??；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(fā)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(xiàn)真正意義的齒輪在線監(jiān)測。

附圖說明

圖1是本實用新型一個較佳實施例中俘能器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2圖1的A-A剖視圖；

圖3是本實用新型一個較佳實施例中轉(zhuǎn)輪與側(cè)板組合后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖4的左視圖；

圖5是本實用新型一個較佳實施例中右端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是圖5的左視圖；

圖7是本實用新型一個較佳實施例中壓電振子與受激磁鐵裝配后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本實用新型一個較佳實施例中壓電振子發(fā)電量之比與厚度比關(guān)系曲線。

具體實施方式

左端蓋b、盤體a、側(cè)板j及右端蓋c依次通過螺釘相連接，左端蓋b、盤體a及側(cè)板j套在齒輪e的懸臂軸f上，右端蓋c通過螺釘與懸臂軸f連接；懸臂軸f與盤體a的中心孔a2及側(cè)板j的中心孔j2之間均設(shè)有密封圈o；左端蓋b與盤體a之間以及側(cè)板j與右端蓋c之間均壓接有金屬基板h1，金屬基板h1上的懸臂梁h11與所粘接的壓電晶片h2構(gòu)成壓電振子h；壓電振子h自由端經(jīng)螺釘安裝有受激磁鐵g，受激磁鐵g靠近盤體a或側(cè)板j安裝且置于盤體a側(cè)面的長方形導槽a1中或側(cè)板j側(cè)面的長方形導槽j1中；懸臂軸f與盤體a的環(huán)腔a3構(gòu)成滑道D，滑道D內(nèi)填充有潤滑油、安裝有非鐵磁性材料的激勵器d，激勵器d的內(nèi)緣及外緣上鑲嵌有用于滾動接觸的滾珠k、兩側(cè)對稱地鑲嵌有激勵磁鐵i；激勵器d兩側(cè)的壓電振子h的數(shù)量相等且相對于激勵器d對稱安裝；激勵器d一側(cè)壓電振子h和激勵磁鐵i的數(shù)量都大于1時，兩相鄰壓電振子h的對稱中心線間的夾角Q1和兩相鄰激勵磁鐵i中心與盤體a回轉(zhuǎn)中心連線間的夾角Q2之間不能互為整數(shù)倍；激勵器d同一側(cè)兩圓周上相鄰受激磁鐵磁g的極配置方向相同，激勵器d兩側(cè)同軸受激磁鐵g的異性磁極相對安裝；激勵器d同一側(cè)兩圓周上相鄰激勵磁鐵i的磁極配置方向相反，激勵器d兩側(cè)同軸激勵磁鐵i的異性磁極相對安裝，以確保激勵器d不受軸向力作用；左端蓋b、盤體a、側(cè)板j及右端蓋c上與壓電振子h相鄰的一側(cè)都設(shè)有形狀尺度及數(shù)量相同的限位面M和沉槽C；沉槽C用于容納壓電晶片h2，其平面尺寸大于壓電晶片h2、小于金屬懸臂梁h11；限位面M用于限制壓電振子h的變形量，限位面M為圓弧面且其合理的曲率半徑取決于金屬基板h1及壓電晶片h2的參數(shù)。

本實用新型中，為提高壓電振子h的發(fā)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h1與壓電晶片h2的厚度之比為1～2.5，此時壓電振子h的發(fā)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h一次彎曲變形所產(chǎn)生的電能與其中的最大值之比較大；對于本實用新型利用PZT4和鈹青銅基板構(gòu)成的壓電振子，限位面M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h1和壓電晶片h2的厚度。

工作過程中，齒輪e的懸臂軸f帶動左端蓋b、盤體a、側(cè)板j、右端蓋c、壓電振子h及受激磁鐵g轉(zhuǎn)動；在盤體a轉(zhuǎn)動過程中，激勵器d在其慣性力的作用下處于滑道D的底部，從而使激勵磁鐵i和受激磁鐵g之間產(chǎn)生相對運動。當壓電振子h及受激磁鐵g轉(zhuǎn)至與激勵磁鐵i接近時，受激磁鐵g與激勵磁鐵i間的軸向作用力逐漸增加，壓電振子h產(chǎn)生軸向彎曲變形；當受激磁鐵g與激勵磁鐵i的中心重疊時壓電振子h所受的激振力最大、變形量最大，金屬懸臂梁h11將完全貼靠在限位面M上；此后，壓電振子h的變形量隨著盤體a的進一步轉(zhuǎn)動而逐漸減小、并逐漸恢復至初始狀態(tài)；上述受激磁鐵g與激勵磁鐵i相互靠近后又逐漸遠離的過程中，壓電振子h完成了一次發(fā)電。

顯然，本實用新型利用激勵器d的慣性力實現(xiàn)與盤體a間的相對運動、并激勵壓電振子h軸向彎曲，無需外界固定支撐、結(jié)構(gòu)簡單且激勵器所受轉(zhuǎn)動力?。粔弘娬褡觝的變形量由限位面M的半徑確定、變形后各點應力相同，故發(fā)電量大、可靠性高、有效頻帶寬；可用于懸臂軸齒輪及多齒輪共軸的場合，實現(xiàn)真正意義的齒輪及軸系的在線監(jiān)測。