一种悬置自激转轮压电梁俘能器的制作方法

本实用新型属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种悬置自激转轮压电梁俘能器，用于风力发电机齿轮轴等不便安装相对固定支承旋转结构的健康监测系统供电。

背景技术：

齿轮箱是风力发电机组的关键部件，其功能是传输动力。风力发电机正常运转时，风轮的转速较低、致使发电机效率较低，故需通过齿轮箱增速以提高发电能力及效率。由于风电齿轮箱工作在变速变载荷环境下，故易发生故障；此外，风电齿轮箱出现故障时维修困难、且成本高，风电齿轮箱运行及维护成本可高达总体运行成本的30％。因此，人们提出了多种形式的齿轮箱状态实时监测系统与方法，以期实时获得齿轮箱的各相关参数、及时发现并解决问题，从而降低设备损坏程度及维修成本。目前，风电齿轮箱监测的要素包括齿轮、轴承及轮轴等运动部件的载荷、振动及温度等诸多方面。

对于齿轮及轴的监测而言，理想的方法是将各类传感监测系统安装在齿轮或轴上或靠近齿轮或轴安装，从而实现其运行状态的直接在线监测；但这种监测方案因无法为传感监测系统的提供可靠、充足的电力供应而难于推广应用，原因在于：①齿轮和轴处于旋转运动状态，无法通过电缆供电；②如采用电池供电，因电池使用寿命有限而需经常更换，当电池电量不足而未及时更换时将无法实现有效的监测；③远离轴承座的悬臂轴及其端部齿轮以及多个齿轮共轴时，都无法通过旋转齿轮或轴与固定支撑件间相对运动构造微小型发电机。限于风电齿轮箱齿轮、轴及轴承等的监测系统能源供应问题，目前实际中还无法实现真正意义上的实时在线监测。

技术实现要素：

针对风电齿轮箱监测系统供电方面所存在的问题，本实用新型提出一种悬置自激转轮压电梁俘能器。本实用新型采用的实施方案是：左端盖、盘体、侧板及右端盖依次通过螺钉相连接，左端盖、盘体及侧板套在齿轮的悬臂轴上，右端盖与悬臂轴连接；悬臂轴与盘体及侧板的中心之间均设有密封圈；左端盖与盘体之间以及侧板与右端盖之间均压接有金属基板，金属基板上的悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子；压电振子自由端安装有受激磁铁，受激磁铁靠近盘体或侧板安装且置于盘体侧面或侧板侧面的长方形导槽中；悬臂轴与盘体环腔构成滑道，滑道内填充有润滑油、安装有非铁磁性材料的激励器，激励器内外缘上镶嵌有用于滚动接触的滚珠、两侧对称地镶嵌有激励磁铁；激励器两侧压电振子数量相等且对称安装；激励器一侧压电振子和激励磁铁数量都大于1时，两相邻压电振子对称中心线间的夹角和两相邻激励磁铁中心与盘体中心连线间的夹角之间不能互为整数倍；激励器同一侧两圆周上相邻受激磁铁磁的极配置方向相同，激励器两侧同轴受激磁铁的异性磁极相对安装；激励器同一侧两圆周上相邻激励磁铁的磁极配置方向相反，激励器两侧同轴激励磁铁的异性磁极相对安装，以确保激励器不受轴向力作用；左端盖、盘体、侧板及右端盖上与压电振子相邻的一侧都设有形状尺度及数量相同的限位面和沉槽；沉槽用于容纳压电晶片，其平面尺寸大于压电晶片、小于金属悬臂梁；限位面用于限制压电振子的变形量，限位面为圆弧面且其合理的曲率半径取决于金属基板及压电晶片参数。

本实用新型中，为提高压电振子发电能力和可靠性，压电晶片为0.2～0.3mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比范围为1～2.5，此时压电振子的发电能力较强、能量比较大；能量比是指各不同厚度比的压电振子一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比较大；对于本实用新型利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子，限位面的合理曲率半径为其中α＝h_m/h_p为厚度比，h_m和h_p分别为金属基板和压电晶片厚度。

工作过程中，齿轮悬臂轴带动左端盖、盘体、侧板、右端盖、压电振子及受激磁铁转动；在盘体转动过程中，激励器在其惯性力的作用下处于滑道的底部，从而使激励磁铁和受激磁铁之间产生相对运动。当压电振子及受激磁铁转至与激励磁铁接近时，受激磁铁与激励磁铁间的轴向作用力逐渐增加，压电振子产生轴向弯曲变形；当受激磁铁与激励磁铁的中心重叠时压电振子所受的激振力最大、变形量最大，金属悬臂梁将完全贴靠在限位面上；此后，压电振子的变形量随着盘体的进一步转动而逐渐减小、并逐渐恢复至初始状态；上述受激磁铁与激励磁铁相互靠近后又逐渐远离的过程中，压电振子完成了一次发电。

优势与特色：本实用新型利用激励器的惯性力实现与转轮间的相对运动并激励压电振子轴向弯曲，无需外界固定支撑、结构简单且激励器所受转动力小；压电振子变形量由限位面半径确定、变形后各点应力相同，故发电量大、可靠性高、有效频带宽；可作为标准部件用于悬臂轴齿轮及多齿轮共轴场合，实现真正意义的齿轮在线监测。

附图说明

图1是本实用新型一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；

图2图1的A-A剖视图；

图3是本实用新型一个较佳实施例中转轮与侧板组合后的结构示意图；

图4是图4的左视图；

图5是本实用新型一个较佳实施例中右端盖的结构示意图；

图6是图5的左视图；

图7是本实用新型一个较佳实施例中压电振子与受激磁铁装配后的结构示意图；

图8是本实用新型一个较佳实施例中压电振子发电量之比与厚度比关系曲线。

具体实施方式

左端盖b、盘体a、侧板j及右端盖c依次通过螺钉相连接，左端盖b、盘体a及侧板j套在齿轮e的悬臂轴f上，右端盖c通过螺钉与悬臂轴f连接；悬臂轴f与盘体a的中心孔a2及侧板j的中心孔j2之间均设有密封圈o；左端盖b与盘体a之间以及侧板j与右端盖c之间均压接有金属基板h1，金属基板h1上的悬臂梁h11与所粘接的压电晶片h2构成压电振子h；压电振子h自由端经螺钉安装有受激磁铁g，受激磁铁g靠近盘体a或侧板j安装且置于盘体a侧面的长方形导槽a1中或侧板j侧面的长方形导槽j1中；悬臂轴f与盘体a的环腔a3构成滑道D，滑道D内填充有润滑油、安装有非铁磁性材料的激励器d，激励器d的内缘及外缘上镶嵌有用于滚动接触的滚珠k、两侧对称地镶嵌有激励磁铁i；激励器d两侧的压电振子h的数量相等且相对于激励器d对称安装；激励器d一侧压电振子h和激励磁铁i的数量都大于1时，两相邻压电振子h的对称中心线间的夹角Q1和两相邻激励磁铁i中心与盘体a回转中心连线间的夹角Q2之间不能互为整数倍；激励器d同一侧两圆周上相邻受激磁铁磁g的极配置方向相同，激励器d两侧同轴受激磁铁g的异性磁极相对安装；激励器d同一侧两圆周上相邻激励磁铁i的磁极配置方向相反，激励器d两侧同轴激励磁铁i的异性磁极相对安装，以确保激励器d不受轴向力作用；左端盖b、盘体a、侧板j及右端盖c上与压电振子h相邻的一侧都设有形状尺度及数量相同的限位面M和沉槽C；沉槽C用于容纳压电晶片h2，其平面尺寸大于压电晶片h2、小于金属悬臂梁h11；限位面M用于限制压电振子h的变形量，限位面M为圆弧面且其合理的曲率半径取决于金属基板h1及压电晶片h2的参数。

本实用新型中，为提高压电振子h的发电能力和可靠性，压电晶片为0.2～0.3mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板h1与压电晶片h2的厚度之比为1～2.5，此时压电振子h的发电能力较强、能量比较大；能量比是指各不同厚度比的压电振子h一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比较大；对于本实用新型利用PZT4和铍青铜基板构成的压电振子，限位面M的合理曲率半径为其中α＝h_m/h_p为厚度比，h_m和h_p分别为金属基板h1和压电晶片h2的厚度。

工作过程中，齿轮e的悬臂轴f带动左端盖b、盘体a、侧板j、右端盖c、压电振子h及受激磁铁g转动；在盘体a转动过程中，激励器d在其惯性力的作用下处于滑道D的底部，从而使激励磁铁i和受激磁铁g之间产生相对运动。当压电振子h及受激磁铁g转至与激励磁铁i接近时，受激磁铁g与激励磁铁i间的轴向作用力逐渐增加，压电振子h产生轴向弯曲变形；当受激磁铁g与激励磁铁i的中心重叠时压电振子h所受的激振力最大、变形量最大，金属悬臂梁h11将完全贴靠在限位面M上；此后，压电振子h的变形量随着盘体a的进一步转动而逐渐减小、并逐渐恢复至初始状态；上述受激磁铁g与激励磁铁i相互靠近后又逐渐远离的过程中，压电振子h完成了一次发电。

显然，本实用新型利用激励器d的惯性力实现与盘体a间的相对运动、并激励压电振子h轴向弯曲，无需外界固定支撑、结构简单且激励器所受转动力小；压电振子h的变形量由限位面M的半径确定、变形后各点应力相同，故发电量大、可靠性高、有效频带宽；可用于悬臂轴齿轮及多齿轮共轴的场合，实现真正意义的齿轮及轴系的在线监测。