一種懸置自激轉(zhuǎn)輪壓電梁俘能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種懸置自激轉(zhuǎn)輪壓電梁俘能器，屬壓電發(fā)電領(lǐng)域。左端蓋、盤體、側(cè)板及右端蓋依次相連并套在懸臂軸上；左端蓋與盤體之間以及側(cè)板與右端蓋間金屬基板的懸臂梁與所粘接的壓電晶片構(gòu)成壓電振子，壓電振子裝有受激磁鐵；懸臂軸與盤體環(huán)腔構(gòu)成的滑道內(nèi)裝有激勵器，激勵器內(nèi)外緣上嵌有滾珠、兩側(cè)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；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。優(yōu)勢特色：無需固定支撐、結(jié)構(gòu)簡單且激勵器所受轉(zhuǎn)動力?。粔弘娬褡咏Y(jié)構(gòu)合理且變形后各點應力相同，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。
【專利說明】
-種懸置自激轉(zhuǎn)輪壓電梁停能器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)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)】
[0002] 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W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，W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。
[0003] 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；但運種監(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W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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對風電齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本發(fā)明提出一種懸置自激轉(zhuǎn)輪 壓電梁俘能器。本發(fā)明采用的實施方案是: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 的中屯、之間均設(shè)有密封圈；左端蓋與盤體之間W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屯、線 間的夾角和兩相鄰激勵磁鐵中屯、與盤體中屯、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，W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)。
[000引本發(fā)明中，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 屬基板為被青銅，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;對于本發(fā)明利用PZT4和被青銅基板構(gòu)成的壓電振子，限位面的合 理曲率半徑為
，其中a = hm/hp為厚度比，hm和hp分別為 金屬基板和壓電晶片厚度。
[0006] 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 中屯、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。
[0007] 優(yōu)勢與特色:本發(fā)明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(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】
[0008] 圖1是本發(fā)明一個較佳實施例中俘能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009] 圖2圖1的A-A剖視圖；
[0010] 圖3是本發(fā)明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；
[0011] 圖4是圖4的左視圖；
[0012] 圖5是本發(fā)明一個較佳實施例中右端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；
[OOK]圖6是圖5的左視圖；
[0014] 圖7是本發(fā)明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；
[0015] 圖8是本發(fā)明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】
[0016] 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的中屯、孔a2及側(cè) 板j的中屯、孔j2之間均設(shè)有密封圈0;左端蓋b與盤體a之間W及側(cè)板j與右端蓋C之間均壓接 有金屬基板hi,金屬基板hi上的懸臂梁hll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 長方形導槽曰1中或側(cè)板j側(cè)面的長方形導槽jl中；懸臂軸f與盤體a的環(huán)腔曰3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-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的對稱中屯、線間的夾角Ql和兩相鄰激勵磁鐵i中屯、與盤體a回轉(zhuǎn)中屯、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，W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hll;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hi及壓電晶片h2的參數(shù)。
[0017] 本發(fā)明中，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、金屬基板為被青銅，金屬基板hi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-次彎曲變形所產(chǎn)生 的電能與其中的最大值之比較大;對于本發(fā)明利用PZT4和被青銅基板構(gòu)成的壓電振子，限 位面M的合理曲率半徑為
，其中a = hm/hp為厚度比，hm 和hp分別為金屬基板hi和壓電晶片h2的厚度。
[0018] 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的中屯、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hll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。
[0019] 顯然，本發(fā)明利用激勵器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)動力小;壓電振子h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。
【主權(quán)項】
1. 一種懸置自激轉(zhuǎn)輪壓電梁俘能器，其特征在于：左端蓋、盤體、側(cè)板及右端蓋依次通 過螺釘相連，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、安裝有激勵器，激勵器內(nèi)外緣上鑲嵌有滾珠、 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、兩側(cè)的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、兩側(cè)的同軸激勵磁鐵的異性磁極相對安裝;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， 沉槽平面尺寸大于壓電晶片、小于金屬懸臂梁，限位面為圓弧面;壓電晶片為0.2~0.3_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;限位面的合理曲 率半徑；其中a = hm/hP為厚度比，hn^Php分別為金 屬基板和壓電晶片厚度。
【文檔編號】F03G3/00GK106014887SQ201610459387
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】張忠華, 文歡, 程光明, 闞君武, 王淑云
【申請人】浙江師范大學