一種用于風(fēng)力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體耦合激勵俘能器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于風(fēng)力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體耦合激勵俘能器，屬壓電發(fā)電領(lǐng)域。內(nèi)外筒壁兩端通過安裝左右壁板構(gòu)成工作腔并填充有液體；外筒壁內(nèi)側(cè)設(shè)有分流器，左右壁板上分別設(shè)有左右推流板，內(nèi)筒外緣軸臺兩端裝有由壓電振子和限位框構(gòu)成發(fā)電單元；壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，壓電晶片靠近限位框安裝，分流器位于兩發(fā)電單元之間且壓電振子靠近分流器；對稱安裝的左右推流板與其相鄰發(fā)電單元中的壓電振子靠近安裝。優(yōu)勢特色：利用分流器及推流板改變液體流動狀態(tài)實現(xiàn)壓電振子激勵，無剛性接觸沖擊、無電磁干擾、無需外界固定支撐，尤其適于要求無電磁干擾的場合；壓電晶片僅承受范圍可控的壓應(yīng)力作用，發(fā)電能力強、可靠性高。
【專利說明】
-種用于風(fēng)力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體輔合激勵停 能器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種用于風(fēng)力發(fā)電機葉片監(jiān)測 系統(tǒng)供電的液體禪合激勵俘能器。
【背景技術(shù)】
[0002] 葉片是風(fēng)力發(fā)電機接收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成動能的關(guān)鍵部件，決定了發(fā)電機可靠性 及使用壽命。風(fēng)力發(fā)電機葉片通常工作在較惡劣的環(huán)境下，且自身結(jié)構(gòu)尺度、重量及工作載 荷等都很大，除因受雷擊和地震等不可抗拒自然災(zāi)害損毀外，自然腐蝕、磨損及疲勞應(yīng)力等 造成損傷也不可避免。實踐表明，風(fēng)力發(fā)電機運行過程中所發(fā)生事故的=分之一是因葉片 損傷所引起的，故葉片健康監(jiān)測勢在必行。隨著風(fēng)機葉片長度W及風(fēng)機總體數(shù)量的日益增 加，W往依靠人工定期檢查并加 W維護的方法已無法滿足生產(chǎn)需求。因此，人們提出了多種 形式的風(fēng)力發(fā)電機葉片健康狀態(tài)監(jiān)測方法，為葉片裂紋、磨損及變形等狀態(tài)的實時監(jiān)測提 供了有效的手段。但現(xiàn)有傳感監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題目前尚未得到很好的解決，故難于大范 圍地推廣應(yīng)用，因為傳感監(jiān)測系統(tǒng)需要安裝在葉片上并隨葉片轉(zhuǎn)動，無法通過導(dǎo)線提供電 能，而采用電池供電時需經(jīng)常停機更換電池，因此人們提出了多種壓電發(fā)電機為監(jiān)測系統(tǒng) 供電?，F(xiàn)有大部分旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機的特點是必須通過軸承座或軸承蓋等"固定件"與軸類 "旋轉(zhuǎn)體"間的相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)壓電振子的有效激勵，無法用于"無固定支撐"的旋轉(zhuǎn)體發(fā)電需 求;此外，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)用的壓電發(fā)電機大都采用磁力禪合實現(xiàn)非接觸激 勵的，電磁干擾會降低無線監(jiān)測信號的準(zhǔn)確性和實時性，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)無法正 常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本實用新型提出一種 用于風(fēng)力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體禪合激勵俘能器。本實用新型采用的實施方案 是：內(nèi)筒筒壁兩端分別通過螺釘安裝有左右壁板，外筒筒壁左右兩端分別通過螺釘與左右 壁板相連，左右壁板及內(nèi)外筒構(gòu)成工作腔，工作腔中填充有低粘度液體；內(nèi)筒套在主軸上， 主軸端部經(jīng)螺釘固定有壓板，壓板壓靠在右壁板上；外筒筒壁內(nèi)側(cè)均布地設(shè)有N個分流器， 左壁板上均布地設(shè)有N個左推流板、右壁板上均布地設(shè)有N個右推流板，內(nèi)筒筒壁外緣軸臺 兩端都通過螺釘均布地安裝有2N個發(fā)電單元，N=I~5;發(fā)電單元由一個壓電振子和一個限 位框構(gòu)成，壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成;壓電晶片長度和寬度分別小于限位 框空腔的長度和寬度，金屬基板長度和寬度分別大于限位框空腔的長度和寬度，壓電晶片 靠近限位框安裝且位于限位框空腔內(nèi)；位于內(nèi)筒筒壁外緣軸臺兩端的同一軸截面內(nèi)的兩個 發(fā)電單元對稱安裝，分流器位于兩個對稱安裝的發(fā)電單元之間，且壓電振子靠近分流器安 裝;分流器的兩個分流板間存在60~120度的分流角；左推流板與左壁板間存在左推流角， 右推流板與右壁板間存在右推流角，左右推流角相等且其取值范圍為30~60度，左右推流 板對稱安裝，左右推流板與其在圓周上相鄰的分流器間的夾角為180/N度;左右推流板分別 與其相鄰的發(fā)電單元中的壓電振子靠近安裝。
[0004] 本實用新型中，為提高壓電振子的可靠性和發(fā)電能力，限位框的限位面為圓弧曲 面且其合理的曲率半徑為
，其中，a = hm/hp為厚度 比，hm和hp分別為金屬基板和壓電晶片的厚度;壓電晶片為0.2mm~0.3mm厚的PZT4,金屬基 板為被青銅，且厚度比范圍為Q = I~2.5,此時的發(fā)電量較大、即能量比較大;能量比是指各 不同厚度比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。
[0005] 工作過程中，主軸端部法蘭經(jīng)螺釘安裝在風(fēng)力發(fā)電機葉片或旋轉(zhuǎn)軸上并隨之旋 轉(zhuǎn)，壓電振子、分流器、及左右推流板隨主軸轉(zhuǎn)動；工作腔內(nèi)的液體在其自身慣性力作用下 處于工作腔底部，在分流器、左右推流板未轉(zhuǎn)入液體內(nèi)部時，液體處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。
[0006] 當(dāng)分流器與其左右兩側(cè)相鄰的壓電振子同時轉(zhuǎn)入液體內(nèi)部時，處于分流器前面的 液體因受分流器作用而向左右兩側(cè)運動并迫使壓電振子向遠離分流器的方向彎曲變形，待 所述壓電振子及分流器轉(zhuǎn)出液體時，壓電振子在其自身彈性力及離屯、力的作用下復(fù)位。
[0007] 當(dāng)左右推流板及其相鄰壓電振子同時轉(zhuǎn)入液體內(nèi)部時，處于左右推流板前面的液 體因受左右推流板的作用而向工作腔中部流動，從而迫使壓電振子向遠離它所靠近的左推 流板或右推流板的方向彎曲變形，待所述壓電振子、左右分流板轉(zhuǎn)出液體時，所述壓電振子 在其自身彈性力及離屯、力的作用下復(fù)位。當(dāng)壓電振子交替地轉(zhuǎn)入液體、轉(zhuǎn)出液體時，便產(chǎn)生 連續(xù)的彎曲變形，從而將機械能轉(zhuǎn)換成電能。
[0008] 當(dāng)壓電振子受液體作用發(fā)生較大時，壓電振子的金屬基板將貼靠在限位框的限位 面上，從而避免壓電晶片因變形過大而損毀;因限位框的限位面為圓弧曲面、各點曲率半徑 相等，金屬基板完全貼靠在限位曲面上時壓電晶片上各點的應(yīng)力及發(fā)電量相等，從而有效 地提高了壓電振子的發(fā)電能力；當(dāng)本實用新型中壓電振子的金屬基板完全貼靠在限位框的 限位曲面上且壓電晶片所受應(yīng)力與傳統(tǒng)懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振子的壓電晶片所受應(yīng)力相同時， 本實用新型中壓電振子所獲得的電能為傳統(tǒng)懸臂梁壓電振子發(fā)電量的4倍。
[0009] 優(yōu)勢與特色：1)利用分流器及推流板改變液體流動狀態(tài)實現(xiàn)壓電振子振動激勵， 無剛性接觸沖擊、無電磁干擾，尤其適于要求無電磁干擾的無線傳感監(jiān)測系統(tǒng);2)利用液體 慣性力及流動性實現(xiàn)轉(zhuǎn)動自激發(fā)電，無需外界固定支撐，可置于葉片或其轉(zhuǎn)軸上;3)壓電晶 片工作在壓應(yīng)力狀態(tài)下、且最大應(yīng)力可控，可靠性高、發(fā)電能力強。
【附圖說明】
[0010] 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；
[0011] 圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0012] 圖3是本實用新型一個較佳實施例中外筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖4是本實用新型一個較佳實施例中左壁板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖5是圖3的B-B剖視圖；
[001引圖6是圖4的C-詔Ij視圖；
[0016] 圖7是本實用新型一個較佳實施例中限位框的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖8是圖7的左視圖；
[0018] 圖9是壓電振子的能量比與厚度比的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0019] 內(nèi)筒e的筒壁el兩端分別通過螺釘安裝有左壁板C和右壁板a,外筒b的筒壁bl的左 右兩端分別通過螺釘與左壁板C和右壁板a相連，左壁板C、右壁板a、外筒b及內(nèi)筒e共同構(gòu)成 工作腔K，工作腔K中填充有低粘度液體；內(nèi)筒e套在主軸f上，主軸f端部經(jīng)螺釘固定有壓板 h，壓板h壓靠在右壁板a上;外筒b的筒壁bl的內(nèi)側(cè)均布地設(shè)有N個分流器b2，左壁板C上均布 地設(shè)有N個左推流板cl、右壁板a上均布地設(shè)有N個右推流板al，內(nèi)筒e的筒壁el外緣的軸臺 e2兩端都通過螺釘均布地安裝有2N個發(fā)電單元I，N=1~5;發(fā)電單元I由一個壓電振子g和 一個限位框d構(gòu)成，壓電振子g由金屬基板gl和壓電晶片g2粘接而成;壓電晶片g2的長度和 寬度分別小于限位框d的空腔dl的長度和寬度，金屬基板gl的長度和寬度分別大于限位框d 的空腔d2的長度和寬度，壓電晶片g2靠近限位框d安裝且位于限位框d的空腔d2內(nèi)；位于內(nèi) 筒e的筒壁el外緣的軸臺e2兩端的同一軸截面內(nèi)的兩個發(fā)電單元I對稱安裝，分流器b2位于 兩個對稱安裝的發(fā)電單元I之間，且壓電振子g靠近分流器b2安裝;分流器b2的兩個分流板 間存在一定的分流角，分流角的取值范圍為Ql = 60~120度;左推流板Cl與左壁板C間存在 一定的左推流角，右推流板al與右壁板a間存在一定的右推流角，左推流角和右推流角相等 且其取值范圍為Q2 = 30~60度，左推流板Cl與右推流板al對稱安裝，所述兩個對稱安裝的 左推流板Cl和右推流板al與其在圓周上相鄰的分流器g2間的夾角為Q3=180/N度；左推流 板Cl及右推流板al分別與其相鄰的發(fā)電單元I中的壓電振子g靠近安裝。
[0020] 本實用新型中，為提高壓電振子g的可靠性和發(fā)電能力，限位框d的限位面d2為圓 弧曲面且其曲率半徑為
庚中，Ci = WAp為厚度比， hm和hp分別為金屬基板gl和壓電晶片g2的厚度;壓電晶片g2為0.2mm~0.3mm厚的PZT4,金屬 基板gl為被青銅且厚度比范圍為1~2.5,此時的發(fā)電量較大、即能量比較大;能量比是指各 不同厚度比的壓電振子g的一次彎曲變形所產(chǎn)生的電能與其中的最大值之比。
[0021] 工作過程中，主軸f端部的法蘭通過螺釘安裝在風(fēng)力發(fā)電機葉片或旋轉(zhuǎn)軸上并隨 之旋轉(zhuǎn)，壓電振子g、分流器b2、左推流板Cl及右推流板al隨主軸f轉(zhuǎn)動;工作腔K內(nèi)的液體在 其自身慣性力作用下處于工作腔K的底部，在分流器d2、左推流板Cl及右推流板al未轉(zhuǎn)入液 體內(nèi)部時，液體處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。
[0022] 當(dāng)分流器d2與其左右兩側(cè)相鄰的壓電振子g同時轉(zhuǎn)入液體內(nèi)部時，處于分流器d2 前面的液體因受分流器d2作用而向左右兩側(cè)運動并迫使壓電振子g向遠離分流器d2的方向 彎曲變形，待所述壓電振子g及分流器d2轉(zhuǎn)出液體時，壓電振子g在其自身彈性力及離屯、力 的作用下復(fù)位。
[0023] 當(dāng)左推流板cl、右推流板al及其相鄰壓電振子g同時轉(zhuǎn)入液體內(nèi)部時，處于左推流 板Cl及右推流板al前面的液體因受左推流板Cl或右推流板al的作用而向工作腔K的中部流 動，從而迫使壓電振子g向遠離它所靠近的左推流板C1或右推流板al的方向彎曲變形，待所 述壓電振子g、左分流板Cl及右分流板al轉(zhuǎn)出液體時，所述壓電振子g在其自身彈性力及離 屯、力的作用下復(fù)位。當(dāng)壓電振子g交替地轉(zhuǎn)入液體、轉(zhuǎn)出液體時，便產(chǎn)生連續(xù)的彎曲變形，從 而將機械能轉(zhuǎn)換成電能。
[0024]當(dāng)壓電振子g受液體作用發(fā)生較大時，壓電振子g的金屬基板gl將貼靠在限位框d 的限位面d2上，從而避免壓電晶片g2因變形過大而損毀；因限位框d的限位面為圓弧曲面、 各點曲率半徑相等，金屬基板gl完全貼靠在限位曲面d2上時壓電晶片g2上各點的應(yīng)力及發(fā) 電量相等，從而有效地提高了壓電振子g的發(fā)電能力；當(dāng)本實用新型中壓電振子g的金屬基 板完全貼靠在限位框d的限位曲面d2上且壓電晶片g2所受應(yīng)力與傳統(tǒng)懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振子 的壓電晶片所受應(yīng)力相同時，本實用新型中壓電振子g所獲得的電能為傳統(tǒng)懸臂梁壓電振 子發(fā)電量的4倍。
【主權(quán)項】
1. 一種用于風(fēng)力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體耦合激勵俘能器，其特征在于：內(nèi)筒 筒壁兩端分別安裝有左右壁板，外筒筒壁兩端分別與左右壁板相連，左右壁板及內(nèi)外筒構(gòu) 成工作腔，作腔中填充有低粘度液體；內(nèi)筒套在主軸上，主軸端部固定有壓板，壓板壓靠在 右壁板上；外筒筒壁內(nèi)側(cè)設(shè)有分流器，左壁板上設(shè)有左推流板、右壁板上設(shè)有右推流板，內(nèi) 筒筒壁外緣軸臺兩端都裝有發(fā)電單元;發(fā)電單元由一個壓電振子和一個限位框構(gòu)成，壓電 振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成;壓電晶片長度和寬度分別小于限位框空腔的長度和 寬度，金屬基板長度和寬度分別大于限位框空腔的長度和寬度，壓電晶片靠近限位框安裝 且位于限位框空腔內(nèi)；位于內(nèi)筒筒壁外緣軸臺兩端的同一軸截面內(nèi)的兩個發(fā)電單元對稱安 裝，分流器位于兩個對稱安裝的發(fā)電單元之間，且壓電振子靠近分流器安裝。
【文檔編號】H02N2/18GK205681352SQ201620626278
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日 公開號201620626278.4, CN 201620626278, CN 205681352 U, CN 205681352U, CN-U-205681352, CN201620626278, CN201620626278.4, CN205681352 U, CN205681352U
【發(fā)明人】曾平, 嚴(yán)夢加, 何恒錢, 王淑云, 闞君武
【申請人】浙江師范大學(xué)