一种悬垂式旋转发电机

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种悬垂式旋转发电机，用于大型风力发电机叶片监测系统供电。

背景技术

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叶片损伤也不可避免。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，故风力发电机叶片的健康监测势在必行。随着风力发电机叶片长度以及风力发电机总体数量的日益增加，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。

发明内容

本发明提出一种悬垂式旋转发电机，本发明采用的实施方案是：由主体、端盖、悬臂轴、压电振子、定圈、动圈、滚动体、卡簧、轴承、轴承盖、传感器及电路板构成。悬臂轴上从左到右依次设有左半轴、右半轴和法兰，法兰经螺钉安装在风力发电机的叶片上，叶片安装在发电机主轴上；左右半轴平行但不同轴，主体上设有体腔，体腔的侧壁经轴承、卡簧及轴承盖安装在右半轴上，侧壁上安装有电路板和传感器；左半轴置于体腔内，左半轴上经滚动体套有动圈，滚动体为滚珠或滚柱，动圈上均布地设有带动圈槽的动圈孔，动圈槽位于动圈的外缘上；体腔的筒壁外侧底部设有惯性块，筒壁端部经螺钉装有端盖，端盖的止口将定圈压接在体腔内；定圈上均布地设有带定圈槽的定圈孔，定圈槽位于定圈的内缘上；定圈、定圈孔、动圈及动圈孔的中心共线、即其中心均位于同心线上时，动圈槽和定圈槽的侧壁延长线与同心线的交点分别位于动圈孔和定圈孔的内圆周上，动圈槽和定圈槽位于同心线的同侧，即动圈槽的两个侧壁和定圈槽的两个侧壁都位于同心线的同侧，与同心线相邻的定圈槽和动圈槽的侧壁分别称定圈槽内壁和动圈槽内壁；同心线与动圈槽内壁和定圈槽内壁间的夹角分别为动圈倾角和定圈倾角，动圈倾角和定圈倾角均大于零；压电振子由等厚的基板与其一侧所粘接的压电片构成，压电振子的一端穿过定圈槽后顶靠在定圈孔的内壁上、另一端穿过动圈槽后顶靠在动圈孔的内壁上，压电片靠近同心线，压电振子和传感器经不同的导线组与电路板相连。

工作时，即当风力发电机叶片带动悬臂轴随发电机主轴Z转动时，主体及安装在体腔内部的压电振子在惯性块的惯性力作用与悬臂轴相对转动，即主体及压电振子不随悬臂轴转动；另一方面，悬臂轴转动时左半轴线相对右半轴线转动，左半轴经滚动体及动圈迫使压电振子产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板上的转换电路处理后存储起来或供给传感器，传感器实时地获得相关系统参数后再经电路板上的发射单元发射出去。

本发明中，定圈、定圈孔、动圈及动圈孔的中心共线且压电振子远离右半轴线一侧时，同一压电振子两端的定圈孔与动圈孔间的距离最长、压电振子的变形量为最小且大于零，压电振子两端的压电片分别顶靠在动圈槽内壁和定圈槽内壁上以确保压电振子仅向使压电片承受压应力的方向变形；此后，随悬臂轴的转动，压电振子两端的定圈孔与动圈孔的间距逐渐缩短、压电振子的变形量逐渐增加，压电片所受压应力随悬臂轴转角的增加而增加；悬臂轴转过180度时，压电振子两端的动圈孔与定圈孔的间距最短、压电振子弯曲变形量达最大；悬臂轴进一步转动时，压电振子两端的动圈孔与定圈孔的间距开始逐渐增大、压电振子弯曲变形量逐渐减小，悬臂轴转过360度时压电振子变形量再度降至最小，至此完成压电振子的一次完整激励。

本发明中，悬臂轴相对主体转动的方向与压电振子弯曲变形方向相同，即悬臂轴的转动方向是压电片所处的内凹侧指向基板所处的凸起侧；压电振子弯曲变形时压电片的弯曲半径小于基板的弯曲半径、压电片始终承受压应力，且合理的参数关系为：x＝L/2-Rsin[L/(2R)]>0、Q1＝Q2≥0，其中：x为左右半轴线的间距，Q1和Q2分别为动、定圈倾角，L为压电振子长度，

优势与特色：结构及激励过程简单、激励过程可靠、无电磁干扰；各转速下压电振子为单向的等幅激励，压电片仅承受量值可控的压应力，可靠性高、有效频带宽、发电与供电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中旋转发电机的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中悬臂轴的结构示意图；

图4是图3左视图；

图5是图2中卸掉压电振子后的结构示意图；

图6是图2中悬臂轴旋转180度后旋转发电机的结构示意图。

具体实施方式

本发明的旋转发电机由主体a、端盖b、悬臂轴c、压电振子d、定圈e、动圈f、滚动体g、卡簧h、轴承i、轴承盖j、传感器s及电路板p构成。悬臂轴c上从左到右依次设有左半轴c3、右半轴c2和法兰c1，左半轴c3 和右半轴c平行但不同轴；法兰c1经螺钉安装在风力发电机的叶片Y上，叶片Y安装在发电机主轴Z上；主体a上设有体腔a0，体腔a0的侧壁a1经轴承i、卡簧h及轴承盖j安装在右半轴c2上，侧壁a1上安装有电路板p 和传感器s；左半轴c3置于体腔a0的内部，左半轴c3上经滚动体g套有动圈f，滚动体g为滚珠或滚柱；体腔 a0的筒壁a2外侧底部设有惯性块a3，筒壁a2端部经螺钉装有端盖b，端盖b的止口将定圈e压接在体腔a0内；定圈e上均布地设有带定圈槽e2的定圈孔e1，定圈槽e2位于定圈e的内缘上；动圈f上均布地设有带动圈槽f2 的动圈孔f1，动圈槽f2位于动圈f的外缘上；定圈e、定圈孔e1、动圈f及动圈孔f1的中心共线、即其中心均位于同心线y上时，动圈槽f2和定圈槽e2的侧壁延长线与同心线y的交点分别位于动圈孔f1和定圈孔e1的内圆周上，动圈槽f2和定圈槽e2位于同心线y的同一侧，即动圈槽f2的两个侧壁和定圈槽e2的两个侧壁都位于同心线y的同一侧，与同心线y相邻的定圈槽e2和动圈槽f2的侧壁分别称定圈槽内壁和动圈槽内壁；同心线y 与动圈槽内壁和定圈槽内壁间的夹角分别为动圈倾角Q1和定圈倾角Q2，动圈倾角Q1和定圈倾角Q2均大于零；压电振子d由等厚的基板与其一侧所粘接的压电片构成，压电振子d的一端穿过定圈槽e2后顶靠在定圈孔e1的内壁上、另一端穿过动圈槽f2后顶靠在动圈孔f1的内壁上，压电片靠近同心线y，压电振子d和传感器S经不同的导线组与电路板p相连。

工作时，即当风力发电机叶片Y带动悬臂轴c随发电机主轴Z转动时，主体a及安装在体腔a0内部的压电振子d在惯性块a3的惯性力作用与悬臂轴c相对转动，即主体a及压电振子d不随悬臂轴c转动；另一方面，悬臂轴c转动时左半轴线c5相对右半轴线c4转动，左半轴c3经滚动体g及动圈f迫使压电振子d产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板p上的转换电路处理后存储起来或供给传感器s，传感器s 实时地获得相关系统参数后再经电路板p上的发射单元发射出去。

本发明中，定圈e、定圈孔e1、动圈f及动圈孔f1的中心共线且压电振子d远离右半轴线c4一侧时，同一压电振子d两端的定圈孔e1与动圈孔f1间的距离最长、压电振子d的变形量为最小且大于零，压电振子两端的压电片分别顶靠在动圈槽内壁和定圈槽内壁上以确保压电振子d仅向使压电片承受压应力的方向变形；此后，随悬臂轴c的转动，压电振子d两端的定圈孔e1与动圈孔f1的间距逐渐缩短、压电振子d的变形量逐渐增加，压电片所受压应力随悬臂轴c转角的增加而增加；悬臂轴c转过180度时，压电振子d两端的动圈孔f1 与定圈孔e1的间距最短、压电振子d弯曲变形量达最大；悬臂轴c进一步转动时，压电振子d两端的动圈孔f1 与定圈孔e1的间距开始逐渐增大、压电振子d弯曲变形量逐渐减小，悬臂轴c转过360度时压电振子d变形量再度降至最小，至此完成压电振子d的一次完整激励。

本发明中，悬臂轴c相对主体a转动的方向与压电振子d弯曲变形方向相同，即悬臂轴c的转动方向是压电片所处的内凹侧指向基板所处的凸起侧；压电振子d弯曲变形时压电片的弯曲半径小于基板的弯曲半径、压电片始终承受压应力，且合理的参数关系为：：x＝L/2-Rsin[L/(2R)]>0、Q1＝Q2≥0，其中：x为右半轴线c4和左半轴线c5的间距，Q1和Q2分别为动圈倾角和定圈倾角，L为压电振子d长度，