本實(shí)用新型屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于圓形壓電振子的非共振型輪式發(fā)電機(jī)，用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。

背景技術(shù)：

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的關(guān)鍵部件，決定了發(fā)電機(jī)可靠性及使用壽命。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)踐表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中所發(fā)生事故的三分之一是因葉片損傷所引起的，故葉片健康監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。隨著風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度以及風(fēng)機(jī)總體數(shù)量的日益增加，以往依靠人工定期檢查并加以維護(hù)的方法已無(wú)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(jī)葉片健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，為葉片裂紋、磨損及變形等狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了有效的手段。但現(xiàn)有傳感監(jiān)測(cè)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?yàn)閭鞲斜O(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要安裝在葉片上并隨葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法通過導(dǎo)線提供電能，而采用電池供電時(shí)需經(jīng)常停機(jī)更換電池，因此人們提出了多種壓電發(fā)電機(jī)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電?，F(xiàn)有大部分旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓電振子的有效激勵(lì)，無(wú)法用于“無(wú)固定支撐”的旋轉(zhuǎn)體發(fā)電需求；此外，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速較低，難于使壓電振子工作在共振狀態(tài)下，發(fā)電能力較弱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本實(shí)用新型提出一種基于圓形壓電振子的非共振型輪式發(fā)電機(jī)。本實(shí)用新型采用的實(shí)施方案是：法蘭軸軸端置于盤體中心孔內(nèi)，盤體一側(cè)設(shè)有盤體沉腔、另一側(cè)設(shè)有環(huán)形滑道，盤體沉腔經(jīng)盤體導(dǎo)孔與滑道連通；滑道端部經(jīng)螺釘安裝有側(cè)板，側(cè)板經(jīng)螺釘與法蘭軸軸端相連；側(cè)板上設(shè)有側(cè)板沉腔和側(cè)板導(dǎo)孔；盤體導(dǎo)孔和側(cè)板導(dǎo)孔靠近滑道一側(cè)的出口為球面；盤體沉腔和側(cè)板沉腔內(nèi)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，壓電晶片靠近滑道安裝；壓電振子中心處安裝有彈性墊，彈性墊置于盤體導(dǎo)孔或側(cè)板導(dǎo)孔內(nèi)，盤體導(dǎo)孔及側(cè)板導(dǎo)孔內(nèi)安裝有激勵(lì)滾珠，激勵(lì)滾珠輕壓在彈性墊上；扇形激勵(lì)器置于滑道內(nèi)，激勵(lì)器內(nèi)外緣上均鑲嵌有減磨滾珠，激勵(lì)器通過減磨滾珠與盤體滑道內(nèi)外緣滾動(dòng)接觸；激勵(lì)器兩側(cè)均設(shè)有由升程斜面、凸面、回程斜面及凹面依次相連所構(gòu)成的激勵(lì)單元；當(dāng)激勵(lì)器一側(cè)的壓電振子數(shù)量和激勵(lì)單元數(shù)量都大于1時(shí)，激勵(lì)單元所對(duì)應(yīng)的圓心角與兩相鄰壓電振子中心與盤體中心連線間的夾角間不能互為整數(shù)倍，從而減小激勵(lì)器的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

本實(shí)用新型中，為提高壓電振子的發(fā)電能力，金屬基板為0.2mm厚度的鈹青銅、壓電晶片為厚度0.3mm的PZT4；金屬基板的有效半徑Rm給定時(shí)，合理的壓電晶片半徑R_p由壓電振子的能量計(jì)算式的導(dǎo)數(shù)求得，即由求得，式中δ為激勵(lì)器凸凹面間距離，K為壓電振子剛度、且$K=\frac{1.9237(1+0.4242\frac{R_p^2}{R_m^2})(1-\frac{R_p^2}{R_m^2})}{1.7249R_p^2\{(0.5082\frac{R_p^2}{R_m^2}-1)(1+0.1789\frac{R_p^2}{R_m^2})+1.2196\ln \left(\frac{R_p}{R_m}\right)(1-\frac{R_p^2}{R_m^2})\[1-0.675ln\left(\frac{R_p}{R_m}\right)\]\}+R_m^2}.$

工作過程中，法蘭軸的法蘭通過螺釘安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片根部或風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸端部，并隨之旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)盤體、側(cè)板、壓電振子及激勵(lì)滾珠轉(zhuǎn)動(dòng)；在盤體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，激勵(lì)器及所鑲嵌的減磨滾珠在其慣性力的作用下處于滑道底部，從而使激勵(lì)滾珠和激勵(lì)器產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓電振子及激勵(lì)滾珠轉(zhuǎn)至與激勵(lì)器接觸時(shí)，激勵(lì)滾珠與激勵(lì)器的升程斜面先接觸，激勵(lì)滾珠經(jīng)彈性墊迫使壓電振子向遠(yuǎn)離激勵(lì)器的方向彎曲變形；當(dāng)激勵(lì)滾珠與激勵(lì)器的凸面接觸時(shí)，壓電振子的變形量達(dá)到最大；當(dāng)激勵(lì)滾珠與激勵(lì)器的回程斜面接觸時(shí)，壓電振子的變形量逐漸減?。划?dāng)激勵(lì)滾珠與激勵(lì)器凹面接觸時(shí)，壓電振子的變形量為零、即恢復(fù)到自然狀態(tài)；上述激勵(lì)滾珠依次與激勵(lì)器升程斜面、凸面、回程斜面及凹面相接觸的過程中，壓電振子完成了一次發(fā)電過程。

顯然，本實(shí)用新型中通過慣性力實(shí)現(xiàn)盤體與激勵(lì)器間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、并激勵(lì)壓電振子軸向彎曲，無(wú)需外界固定支撐、無(wú)電磁干擾；壓電振子工作在非共振狀態(tài)下，變形量由激勵(lì)器凸凹面間的距離決定，各轉(zhuǎn)速下發(fā)電量相同、有效頻帶寬，尤其適于低轉(zhuǎn)速環(huán)境；壓電晶片僅承受壓應(yīng)力、可靠性高。

優(yōu)勢(shì)與特色：1)通過慣性力實(shí)現(xiàn)盤體與激勵(lì)器間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、并激勵(lì)壓電振子軸向彎曲，無(wú)需外界固定支撐、無(wú)電磁干擾；2)壓電振子結(jié)構(gòu)合理、工作在非共振狀態(tài)下、且變形量由激勵(lì)器凸凹面間的距離決定，發(fā)電量大、有效頻帶寬，尤其適于低轉(zhuǎn)速環(huán)境；3)壓電晶片僅承受壓應(yīng)力、可靠性高。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的A-A剖視圖；

圖3是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3的左視圖；

圖5是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中盤體與側(cè)板裝配后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中發(fā)電量與壓電振子結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系圖；

圖7是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中壓電振子發(fā)電量與壓電晶片半徑的關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

法蘭軸b的軸端b2置于盤體c的中心孔c4內(nèi)，盤體c的一側(cè)設(shè)有盤體沉腔c1、另一側(cè)設(shè)有環(huán)形滑道c3，盤體沉腔c1經(jīng)盤體導(dǎo)孔c2與滑道c3連通；滑道c3的端部經(jīng)螺釘安裝有側(cè)板h，側(cè)板h經(jīng)螺釘與法蘭軸b的軸端b2相連；側(cè)板h上設(shè)有側(cè)板沉腔h1和側(cè)板導(dǎo)孔h2；盤體導(dǎo)孔c2和側(cè)板導(dǎo)孔h2靠近滑道c3一側(cè)的出口為球面；盤體沉腔c1和側(cè)板沉腔h1內(nèi)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，壓電晶片d2靠近滑道c3安裝；壓電振子d的中心處安裝有彈性墊g，彈性墊g置于盤體導(dǎo)孔c2內(nèi)或側(cè)板導(dǎo)孔h2內(nèi)，盤體導(dǎo)孔c2及側(cè)板導(dǎo)孔h2內(nèi)安裝有激勵(lì)滾珠f，激勵(lì)滾珠f輕壓在彈性墊g上；扇形的激勵(lì)器i置于滑道c3內(nèi)，激勵(lì)器i的內(nèi)緣i4及外緣i5上均鑲嵌有減磨滾珠k，激勵(lì)器i通過減磨滾珠k與盤體c的滑道c3的內(nèi)緣及外緣滾動(dòng)接觸；激勵(lì)器i的兩側(cè)均設(shè)有由升程斜面i1、凸面i2、回程斜面i6及凹面i3依次相連所構(gòu)成的激勵(lì)單元J；當(dāng)激勵(lì)器i的一側(cè)的壓電振子d的數(shù)量和激勵(lì)單元J的數(shù)量都大于1時(shí)，一個(gè)激勵(lì)單元J所對(duì)應(yīng)的圓心角Q2與兩個(gè)相鄰壓電振子d中心與盤體c中心連線間的夾角01之間不能互為整數(shù)倍，從而減小激勵(lì)器i的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

本實(shí)用新型中，為提高壓電振子d的發(fā)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；金屬基板d1的有效半徑Rm給定時(shí)，合理的壓電晶片d2的半徑R_p由壓電振子d的能量計(jì)算式的導(dǎo)數(shù)求得，即由求得，式中δ為激勵(lì)器凸面i2和凹面i3間的距離，K為壓電振子d的剛度、且$K=\frac{1.9237(1+0.4242\frac{R_p^2}{R_m^2})(1-\frac{R_p^2}{R_m^2})}{1.7249R_p^2\{(0.5082\frac{R_p^2}{R_m^2}-1)(1+0.1789\frac{R_p^2}{R_m^2})+1.2196\ln \left(\frac{R_p}{R_m}\right)(1-\frac{R_p^2}{R_m^2})\[1-0.675ln\left(\frac{R_p}{R_m}\right)\]\}+R_m^2}.$

工作過程中，法蘭軸b的法蘭b1通過螺釘安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片a的根部或風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸z的端部，并隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片a的轉(zhuǎn)軸z旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)盤體c、側(cè)板h、壓電振子d及激勵(lì)滾珠f轉(zhuǎn)動(dòng)；在盤體c轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，激勵(lì)器i及所鑲嵌的減磨滾珠k在其慣性力的作用下處于滑道c3的底部，從而使激勵(lì)滾珠f和激勵(lì)器i產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓電振子d及激勵(lì)滾珠f轉(zhuǎn)至與激勵(lì)器i接觸時(shí)，激勵(lì)滾珠f與激勵(lì)器i的升程斜面i1先接觸，激勵(lì)滾珠f經(jīng)彈性墊g迫使壓電振子d向遠(yuǎn)離激勵(lì)器i的方向彎曲變形；當(dāng)激勵(lì)滾珠f與激勵(lì)器i的凸面i2接觸時(shí)，壓電振子d的變形量達(dá)到最大；當(dāng)激勵(lì)滾珠f與激勵(lì)器i的回程斜面i6接觸時(shí)，壓電振子d的變形量逐漸減小，激勵(lì)滾珠f與激勵(lì)器i的凹面i3接觸時(shí)壓電振子d的變形量為零、即恢復(fù)到自然狀態(tài)；上述激勵(lì)滾珠f依次與激勵(lì)器i的升程斜面i1、凸面i2、回程斜面i6及凹面i3相接觸的過程中，壓電振子d完成了一次發(fā)電過程。

顯然，本實(shí)用新型利用慣性力實(shí)現(xiàn)盤體c與激勵(lì)器i間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、并激勵(lì)壓電振子d軸向彎曲，無(wú)需外界固定支撐、無(wú)電磁干擾；壓電振子d的結(jié)構(gòu)參數(shù)合理、工作在非共振狀態(tài)下、且變形量由激勵(lì)器i的凸面i2和凹面i3之間的距離決定，發(fā)電量大、有效頻帶寬，尤其適于低轉(zhuǎn)速環(huán)境；此外，工作中壓電晶片d2僅承受壓應(yīng)力、可靠性高。