本發(fā)明屬于新能源和發(fā)電技術領域，具體涉及一種基于懸臂梁壓電振子的非共振型輪式發(fā)電機，用于風力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電。

背景技術：

葉片是風力發(fā)電機接收風能并將其轉(zhuǎn)換成動能的關鍵部件，決定了發(fā)電機可靠性及使用壽命。風力發(fā)電機葉片通常工作在較惡劣的環(huán)境下，且自身結構尺度、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害損毀外，自然腐蝕、磨損及疲勞應力等造成損傷也不可避免。實踐表明，風力發(fā)電機運行過程中所發(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)測勢在必行。隨著風機葉片長度以及風機總體數(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，因風力發(fā)電機葉片轉(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。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有風力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本發(fā)明提出一種基于懸臂梁壓電振子的非共振型輪式發(fā)電機。本發(fā)明采用的實施方案是：轉(zhuǎn)盤一側(cè)設有階梯型轉(zhuǎn)盤環(huán)腔和中心孔，另一側(cè)設有滑道沉腔，滑道沉腔與中心孔連通、并經(jīng)轉(zhuǎn)盤導孔與轉(zhuǎn)盤環(huán)腔連通；轉(zhuǎn)盤中心孔中套有連接件的懸臂軸，轉(zhuǎn)盤上開有滑道沉腔的一側(cè)經(jīng)螺釘裝有側(cè)板，側(cè)板經(jīng)螺釘與懸臂軸相連接；側(cè)板上設有側(cè)板環(huán)腔和側(cè)板導孔；轉(zhuǎn)盤導孔和側(cè)板導孔靠近滑道沉腔一側(cè)的出口為球面，轉(zhuǎn)盤導孔和側(cè)板導孔內(nèi)安裝有擠壓滾珠；轉(zhuǎn)盤環(huán)腔和側(cè)板環(huán)腔內(nèi)都經(jīng)螺釘和端蓋安裝有帶扇形金屬懸臂梁的金屬基板，金屬懸臂梁與所粘接的壓電晶片構成壓電振子，壓電振子自由端與擠壓滾珠輕壓接觸；轉(zhuǎn)盤及側(cè)板上安裝的壓電振子數(shù)量相等且相對滑道沉腔對稱安裝，金屬懸臂梁靠近滑道沉腔安裝；滑道沉腔與懸臂軸構成環(huán)形滑道，滑道內(nèi)安裝有激勵盤，激勵盤通過鑲嵌在其內(nèi)外緣上的減磨滾珠與懸臂軸和滑道沉腔表面滾動接觸；激勵盤兩側(cè)均對稱地設有由升程斜面、凸面、回程斜面及凹面依次相連所構成的激勵單元；當激勵盤一側(cè)壓電振子數(shù)量和激勵單元的數(shù)量都大于1時，一個激勵單元所對應的圓心角和兩相鄰擠壓滾珠中心與轉(zhuǎn)盤中心連線間夾角之間不能互為整數(shù)倍，從而減小激勵盤的轉(zhuǎn)動力矩。

本發(fā)明中，為提高壓電振子發(fā)電能力和可靠性，端蓋上設有限定壓電振子變形量的限位面，限位面處設有用于容納壓電晶片的扇形沉腔，扇形沉腔的平面尺寸大于壓電晶片、小于金屬懸臂梁；限位面為圓弧面且其半徑為取決于壓電晶片和金屬基板的材料和厚度；壓電晶片為0.2～0.3mm厚的PZT4，金屬基板為鈹青銅，且金屬基板與壓電晶片的厚度之比為1～2.5，此時壓電振子發(fā)電能力較強，即電能比較大；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，一次彎曲變形是指壓電振子從自由狀態(tài)到金屬懸臂梁完全貼靠在限位面上的變形過程。

本發(fā)明中，使發(fā)電量最大且壓電晶片不至于破損的合理限位面半徑為其中，α＝h_m/h_p為厚度比，h_m和h_p分別為金屬基板和壓電晶片厚度。

工作過程中，連接件的法蘭固定在風力發(fā)電機的葉片根部或主軸端部，并隨風力發(fā)電機的主軸轉(zhuǎn)動，從而帶動轉(zhuǎn)盤、側(cè)板、壓電振子及擠壓滾珠轉(zhuǎn)動；在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動過程中，激勵盤在其慣性力的作用下處于滑道底部，從而使擠壓滾珠和激勵盤產(chǎn)生相對運動。當壓電振子及擠壓滾珠轉(zhuǎn)至與激勵盤升程斜面接觸時，擠壓滾珠向遠離激勵盤的方向移動并迫使壓電振子產(chǎn)生彎曲變形；當擠壓滾珠與激勵盤凸面接觸時，壓電振子的金屬懸臂梁完全頂靠在限位面上、壓電振子變形量達到最大；當擠壓滾珠與激勵盤回程斜面接觸時，壓電振子變形量隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動逐漸減小，擠壓滾珠與激勵盤的回程斜面脫離時壓電振子變形量為零、即恢復到初始狀態(tài)，至此完成了一次發(fā)電過程。

優(yōu)勢與特色：利用慣性力實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤與激勵盤間的相對運動并激勵壓電振子軸向彎曲變形發(fā)電，不需要額外設定固定支撐、無電磁干擾；壓電振子結構合理、工作在非共振狀態(tài)下，壓電振子的變形量由限位面半徑確定、變形后各點應力相同且僅承受壓應力，故發(fā)電量大、可靠性高、有效頻帶寬，尤其適于低轉(zhuǎn)速環(huán)境；可實現(xiàn)真正意義的風力發(fā)電機葉片實時監(jiān)測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個較佳實施例中發(fā)電機的結構示意圖；

圖2是圖1的A-A剖視圖；

圖3是本發(fā)明一個較佳實施例中金屬基板的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明一個較佳實施例中激勵盤的結構示意圖；

圖5是圖4的左視圖；

圖6是本發(fā)明一個較佳實施例中端蓋的結構示意圖；

圖7是圖6的左視圖；

圖8是本發(fā)明一個較佳實施例中轉(zhuǎn)盤與側(cè)板裝配后的結構示意圖；

圖9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系曲線。

具體實施方式

轉(zhuǎn)盤a的一側(cè)設有階梯型轉(zhuǎn)盤環(huán)腔a1和中心孔a4，另一側(cè)設有滑道沉腔a3，滑道沉腔a3與中心孔a4連通、并經(jīng)轉(zhuǎn)盤導孔a2與轉(zhuǎn)盤環(huán)腔a1連通；轉(zhuǎn)盤a的中心孔a4中套有連接件e的懸臂軸e1，轉(zhuǎn)盤a上開有滑道沉腔a3的一側(cè)經(jīng)螺釘裝有側(cè)板f，側(cè)板f經(jīng)螺釘與懸臂軸e1相連接；側(cè)板f上設有側(cè)板環(huán)腔f1和側(cè)板導孔f2；轉(zhuǎn)盤導孔a2和側(cè)板導孔f2靠近滑道沉腔a3一側(cè)的出口為球面，轉(zhuǎn)盤導孔a2和側(cè)板導孔f2內(nèi)安裝有擠壓滾珠d；轉(zhuǎn)盤環(huán)腔a1和側(cè)板環(huán)腔f1內(nèi)都經(jīng)螺釘和端蓋b安裝有帶扇形金屬懸臂梁c11的金屬基板c1，金屬懸臂梁c11與所粘接的壓電晶片c2構成壓電振子c，壓電振子c的自由端與擠壓滾珠d輕壓接觸；轉(zhuǎn)盤a及側(cè)板f上安裝的壓電振子c的數(shù)量相等且相對滑道沉腔a3對稱安裝，金屬懸臂梁c11靠近滑道沉腔a3安裝；滑道沉腔a3與懸臂軸e1構成環(huán)形滑道D，滑道D內(nèi)安裝有激勵盤g，激勵盤g通過鑲嵌在其內(nèi)緣g4和外緣g5上的減磨滾珠h與懸臂軸e1和滑道沉腔a3的表面滾動接觸；激勵盤g的兩側(cè)均對稱地設有由升程斜面g1、凸面g2、回程斜面g6及凹面g3依次相連所構成的激勵單元J；當激勵盤g的一側(cè)的壓電振子c的數(shù)量和激勵單元J的數(shù)量都大于1時，一個激勵單元J所對應的圓心角Q2和兩個相鄰擠壓滾珠d的中心與轉(zhuǎn)盤a中心連線間的夾角Q1之間不能互為整數(shù)倍，從而減小激勵盤g的轉(zhuǎn)動力矩。

本發(fā)明中，為提高壓電振子c的發(fā)電能力和可靠性，端蓋b上設有限定壓電振子c變形量的限位面b1，限位面b1處設有用于容納壓電晶片c2的扇形沉腔b2，扇形沉腔b2的平面尺寸大于壓電晶片c2的尺寸、小于金屬懸臂梁c11的尺寸；限位面b1為圓弧面且其半徑為取決于壓電晶片c2和金屬基板c1的材料和厚度；壓電晶片c2為0.2～0.3mm厚的PZT4，金屬基板為鈹青銅，且金屬基板c1與壓電晶片c2的厚度之比為h_m/h_p＝1～2.5，此時壓電振子c的發(fā)電能力較強，即電能比較大；能量比是指各不同厚度比壓電振子c一次彎曲變形所產(chǎn)生的電能與其中的最大值之比，一次彎曲變形是指壓電振子c從自由狀態(tài)到金屬懸臂梁c11完全貼靠在限位面b1上的變形過程。

本發(fā)明中，使發(fā)電量最大且壓電晶片c2不至于破損的合理的限位面b1的半徑為：其中，α＝h_m/h_p為厚度比，h_m和h_p分別為金屬基板c1和壓電晶片c2的厚度。

工作過程中，連接件e的法蘭e2固定在風力發(fā)電機的葉片Y的根部或主軸Z的端部，并隨風力發(fā)電機的主軸Z轉(zhuǎn)動，從而帶動轉(zhuǎn)盤a、側(cè)板f、壓電振子c及擠壓滾珠d轉(zhuǎn)動；在轉(zhuǎn)盤a轉(zhuǎn)動過程中，激勵盤g在其慣性力的作用下處于滑道D的底部，從而使擠壓滾珠d和激勵盤g產(chǎn)生相對運動。當壓電振子c及擠壓滾珠d轉(zhuǎn)至與激勵盤g的升程斜面g1接觸時，擠壓滾珠d向遠離激勵盤g的方向移動并迫使壓電振子c產(chǎn)生彎曲變形；當擠壓滾珠d與激勵盤g的凸面g2接觸時，壓電振子c的金屬懸臂梁c11完全頂靠在限位面b1上、壓電振子c變形量達到最大；當擠壓滾珠d與激勵盤g的回程斜面g6接觸時，壓電振子c的變形量隨轉(zhuǎn)盤a的轉(zhuǎn)動逐漸減小，擠壓滾珠d與激勵盤g的回程斜面g6脫離時壓電振子c的變形量為零、即恢復到初始狀態(tài)，至此完成了一次發(fā)電過程。

顯然，本發(fā)明利用慣性力實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤a與激勵盤g間的相對運動并激勵壓電振子c軸向彎曲變形發(fā)電，不需要額外設定固定支撐、無電磁干擾；壓電振子c的變形量由限位面b1的半徑確定、變形后各點應力相同且僅承受壓應力，故發(fā)電量大、可靠性高、有效頻帶寬；可實現(xiàn)真正意義的風力發(fā)電機葉片實時監(jiān)測。