一种两用的自供电风力发电机叶片监测装置

本发明属于新能源和监测，具体涉及一种两用的自供电风力发电机叶片监测装置，也可用于风力发电机轴及轴承等旋转部件的自供电状态监测。

背景技术：

1、风力发电机的叶片、轴及轴承等旋转部件的状态监测是确保其安全、稳定运行的前提保障，其中风力发电机叶片的实时监测尤为重要。叶片是风力发电机接收风能并将其转换成动能的关键部件，决定了发电机的可靠性及使用寿命。因叶片通常工作在恶劣的环境下，且自身结构尺度、重量及工作载荷等都很大，除因受雷击和地震等不可抗拒自然灾害损毁外，自然腐蚀、磨损及疲劳应力等造成的损伤也时有发生。实践表明，风力发电机运行过程中所发生事故的三分之一是因叶片损伤所引起的，故其实时健康监测势在必行。随着风力发电机总体数量的日益增加及运行区域的拓展，以往依靠人工定期检查并加以维护的方法已无法满足生产需求。因此，人们提出了多种形式的风力发电机叶片健康状态监测方法以及相应的供电装置,但因现有供电装置可靠性、发电量及电磁兼容性等相关要素的制约，风力发电机叶片的在线监测技术尚未得到广泛应用。

技术实现思路

1、本发明的一种两用的自供电风力发电机叶片监测装置由定子、转盘、半轴、端盖、线圈、滚动体、骨架、驱动器、电路板、轴承、轴承盖、惯性块、耦合器及传感器构成，耦合器由叶盘和小叶片构成，构成，传感器安装在定子、转盘或半轴上，传感器为转速传感器、温度传感器、振动传感器、速度传感器及加速度传感器等，电路板上设有能量收集、能量管理与存储单元及信息发射单元；骨架、线圈及滚动体构成换能器，换能器安装在定子上、驱动器安装在半轴上。

2、定子的机体上设有同轴且相互连通的轴孔和激励腔，定子的机体还设有换能腔，换能腔均布在以激励腔中心为圆心的圆周上，激励腔与换能腔经走线孔连通；定子的外缘上经螺钉安装有惯性块。

3、骨架由架筒及其两端的护板构成，护板与架筒垂直，架筒的筒腔的横截面为圆心、方形或长方形，两个护板与架筒的外缘形成线圈槽。

4、定子经轴承安装在半轴上，轴承置于定子的轴孔内并经轴承盖固定，轴承盖经螺钉安装在定子上，轴承的内圈经卡簧安装在半轴上，轴承的外圈两端分别顶靠在定子和轴承盖上，轴承的内圈两端分别顶靠在卡簧和半轴的轴肩上；端盖经螺钉安装在激励腔的端部，端盖将骨架压接在定子的换能腔内；电路板经螺钉安装在激励腔内，电路板为圆环形且经螺钉安装在激励腔的底壁上。

5、骨架的架筒上安装有线圈，线圈缠绕在架筒外缘上且置于线圈槽中，筒腔内部安装有滚动体，滚动体位于线圈的内部，筒腔将滚动体和线圈隔开；滚动体为永磁体，滚动体为圆柱体或球体，滚动体的磁极沿径向分布，即滚动体为径向充磁的永磁体；线圈轴线与激励腔的轴线垂直；滚动体为圆柱体时，滚动体轴线与线圈轴线垂直；两个圆周方向上相邻的滚动体间无相互作用力，即两个圆周上相邻换能器中的滚动体之间无相互作用力。

6、驱动器沿圆周方向均布地安装在转盘上，或驱动器经注塑方法镶嵌在转盘的内部，驱动器与转盘构成转子；驱动器为永磁体或由铁磁性材料制成，驱动器为长方体、圆柱体或球体；

7、驱动器为永磁体时，其磁极沿转盘的周向或径向配置；圆周方向相邻的径向磁极驱动器的磁极配置方向相反、周向磁极驱动器的磁极配置方向相同，即：驱动器的磁极径向配置时两个圆周方向相邻驱动器的磁极配置方向相反，驱动器的磁极圆周方向配置时两个圆周方向相邻驱动器的磁极配置方向相同；驱动器为永磁体时，其磁极沿转盘的周向或径向配置，磁极不能沿转盘的轴向配置，磁极沿转盘的圆周方向及径向配置的磁极分别称为周向磁极及径向磁极；两个圆周方向相邻的径向磁极的驱动器的磁极配置方向相反，两个圆周方向相邻周向磁极的驱动器的磁极配置方向相同；转盘固定在半轴上，转盘经螺钉固定或平键安装在半轴上，转盘位于定子的激励腔内；驱动器与滚动体正对安装，即滚动体和驱动器的轴向对称中界面重叠，滚动体的数量与驱动器的数量为互质数。

8、本发明中，定子、转盘、半轴及骨架均由非铁磁性材料制成，所述非铁磁性材料包括不锈钢、铝合金等金属或高分子塑料等。

9、半轴的一端经螺钉安装在风力发电机的叶片上，半轴的一端的法兰经螺钉安装在叶片上，叶片安装在风力发电机的主轴上；主轴带动叶片及半轴转动时，转子随半轴转动，定子及换能器在其自身及惯性块的惯性力作用下保持相对静止，驱动器与滚动体相对转动，驱动器与滚动体间产生大小交替变化的相互作用力，驱动器与滚动体间的作用力为吸引力，驱动器在逐渐靠近并离开滚动体的过程中给滚动体施加转动力矩，滚动体受转动力矩作用后在筒腔内滚动，滚动体的磁极及穿过线圈的磁场强度交替地变化，线圈切割磁力线并将机械能转换成电能，所生成的电能经导线输送到电路板，电能经转换处理后存储或输出给传感器，传感器获得相关参数信息并经电路板上的发射系统发射出去。

10、本发明的监测装置，另一种工作方式为：将端盖用螺钉安装在风力发电机的叶片上、将耦合器安装在半轴上，将耦合器的叶盘经螺钉安装在半轴的法兰上，此时无需安装惯性块；工作中，风力发电机的叶片和耦合器的小叶片分别受风力作用独立旋转，耦合器经半轴带动驱动器与滚动体相对转动，线圈切割磁力线发电。

11、本发明共有两种工作方式，半轴安装在风力发电机的叶片上时定子上装有惯性块，定子安装在风力发电机的叶片上时半轴上安装有耦合器。

12、本发明的监测装置，还可将换能器安装在半轴上、驱动器安装在定子上。

13、本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈与滚动体的参数关系为：λ=l/d=2±1，δ=t/d=0.6±0.4，η=w/d=2.25±0.75,β=h/d=1.3±0.7, 其中，d为球形和圆柱形滚动体的直径，l为圆柱形滚动体的长度，t、w和h分别为线圈的壁厚、径向宽度和高度，线圈的径向宽度是指线圈沿滚动体径向的宽度；δ、η和β分别称为线圈壁厚比、线圈宽度比和线圈高度比，δ、η和β统称为线圈参数比；本发明采用输出功率比评价发供电能力，输出功率比是指不同结构参数时所得功率与其最大值之比，所述输出功率为开路电压与短路电流的乘积。

14、现有电磁发电利用线圈切割位于所述线圈外的运动磁体的磁力线发电，与之不同，本发明的监测装置利用驱动器迫使线圈内部滚动体的滚动改变磁场方向与强度，从而使线圈切割其内部滚动体的磁力线发电，驱动器所产生的磁场强度较小，驱动器的功能是驱动滚动体转动并改变磁极方向和磁场强度；滚动体在线圈内部滚动过程中，磁极变化引起的线圈内磁场变化梯度大且每激励一次时滚动体产生滚动多周、线圈多次切割磁力线，故发电能力强，输出电压高、电量大。

15、优势与特色：无需增速机构，结构及激励过程简单，通过线圈内磁极方向变换提高磁场强度变化梯度，一次激励可实现多次切割磁力线发电，发电量电量大、输出电压高。

技术特征：

1.一种两用的自供电风力发电机叶片监测装置，主要由定子、转盘、半轴、线圈、滚动体、骨架、驱动器、电路板、耦合器及传感器构成，定子、转盘、半轴及骨架均由非铁磁性材料制成，半轴安装在风力发电机的叶片上时定子上装有惯性块，定子安装在风力发电机的叶片上时半轴上安装有耦合器；传感器安装在定子、转盘或半轴上，定子上沿轴向设有同轴且连通的轴孔和激励腔、沿圆周方向均布有换能腔，骨架由架筒及其两端的护板构成，两个护板与架筒的外缘形成线圈槽；定子套在半轴上，骨架装在换能腔内；架筒上装有线圈、筒腔内装有滚动体，滚动体位于线圈的内部，筒腔将滚动体和线圈隔开；其特征在于：滚动体为磁极沿径向分布的永磁体，滚动体为圆柱体或球体；线圈轴线与激励腔的轴线垂直；滚动体为圆柱体时，滚动体轴线与线圈轴线垂直；驱动器沿圆周方向均布在转盘上，驱动器为永磁体或由铁磁性材料制成；转盘固定在半轴上，驱动器与滚动体正对安装；半轴转动时，驱动器与滚动体相对转动并给滚动体施加转矩，滚动体滚动且其磁极及穿过线圈的磁场强度交替变化，线圈切割磁力线发电，传感器所得信息、发射系统发射信息。

2.根据权利要求1所述的一种两用的自供电风力发电机叶片监测装置，其特征在于：驱动器为永磁体时，其磁极沿转盘的周向或径向配置；圆周方向相邻的径向磁极驱动器的磁极配置方向相反、周向磁极驱动器的磁极配置方向相同。

3.根据权利要求1所述的一种两用的自供电风力发电机叶片监测装置，其特征在于：骨架、线圈及滚动体构成的换能器装在半轴上，驱动器装在定子上。

技术总结
本发明涉及一种两用的自供电风力发电机叶片监测装置，属新能源领域。主要由定子、转盘、半轴、线圈、滚动体、骨架、驱动器及电路板构成，定子外缘上装有惯性块，定子上设有换能腔及相互连通的轴孔和激励腔，骨架由架筒与其两端的护板构成；定子套在半轴上，骨架装在换能腔内，电路板装在激励腔内；架筒上装有线圈、筒腔内装有滚动体；滚动体为永磁体；滚动体为圆柱体时，滚动体轴线与线圈轴线垂直；驱动器沿圆周方向均布在转盘上，驱动器为永磁体或由铁磁性材料制成；转盘固定在半轴上，驱动器与滚动体正对安装；半轴转动时，驱动器与滚动体相对转动并给滚动体施加转矩，滚动体滚动且其磁极及穿过线圈的磁场强度交替变化，线圈切割磁力线发电。

技术研发人员：阚君武,吴思蕾,杨健文,陈澳楠,顾思怡,程光明,曾平,吴鸣
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15