CN203856889U - 风力发电机用自感知圆锥滚子轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风力发电机用自感知圆锥滚子轴承，属于轴承及其监测技术领域。内圈左端及外圈右端镶嵌有激励磁铁；内圈阶梯轴上和外圈阶梯孔内分别装有右盘和左盘，右盘和左盘上设有阶梯环槽和导向孔，右盘和左盘上分别装有右压板和左压板，所述压板上设有限位面，左右盘和压板间压接有压电振子，压电振子上的金属基板与所述的圆弧限位面相接触；压电振子自由端装有受激磁铁，受激磁铁置于导向孔内，梯环槽中安装有电路板和传感器。优点是具有自供能传感监测功能，无需改变安装设备的结构，可实现真正意义上的实时在线监测；压电振子结构及激励磁铁配置参数确定合理，发供电能力强；具有导向孔及限位措施，可靠性高。

Description

风力发电机用自感知圆锥滚子轴承

技术领域

本实用新型属于轴承及其监测技术领域，具体涉及风力发电机用自感知圆锥滚子轴承。

背景技术

轴承是一种典型的机械基础件，在机械、车辆、航空航天、轮船及能源等领域都有着极其广泛的应用；然而，轴承也是转动机器中最易损坏的零件之一，旋转机械故障的30％是由轴承失效所引发的。因此，轴承的状态监测与早期故障诊断已引起人们的高度重视。轴承状态的在线监测已经逐步成为大型发电机、轮船、高铁以及航空器等领域不可或缺的技术，所需监测的指标包括诸如温度、振动、转速及噪音等。早期的轴承监测系统主要是外挂式的，其弊端之一是传感器与信号源间的距离较远，属于非接触的间接测量，故误差较大。近年来，人们又相继提出了不同形式的嵌入式监测系统，这种方法可解决测量精度及准确性问题，但需要改变相关设备的结构或其完整性，以便安装传感监测系统，这不但容易引起设备零部件的应力集中等问题，在一些结构复杂或空间有限的设备上也是无法实现的；最为关键的是，当监测系统需要随轴承内圈或外圈一起转动时，不便通过电线供电，而采用电池供电使用时间很短。因此，目前的轴承监测系统基本上还都是非实时的、间接的非接触测量，难以及时准确地获得轴承的运行状态。

发明内容

本实用新型提供一种风力发电机用自感知圆锥滚子轴承，以解决现有轴承监测系统在实际应用中所存在的还都是非实时的、间接的非接触测量，难以及时准确地获得轴承的运行状态的问题。

本实用新型采取的技术方案是：包括内圈、圆锥体、保持架、外圈，所述内圈的右端设有阶梯轴，外圈的左端设有阶梯孔，所述内圈的左端及外圈的右端分别镶嵌有一组激励磁铁，所述内圈的阶梯轴上和外圈的阶梯孔内分别通过过盈配合安装有右盘和左盘，所述右盘上设有右阶梯环槽和右导向孔，所述左盘上设有左阶梯环槽和左导向孔，所述右盘和左盘上分别通过螺钉安装有右压板和左压板，所述右压板和左压板分别设有等曲率半径的右圆弧限位面和左圆弧限位面，所述右盘和右压板之间、以及左盘和左压板之间分别压接有一组由基板一与压电片一粘接而成的悬臂梁型压电振子一和由基板二与压电片二粘接而成的悬臂梁型压电振子二，所述压电振子一上的金属基板与右压板的右圆弧限位面相接触、压电振子二的上金属基板二与左压板的左圆弧限位面相接触，所述压电振子一及压电振子二的自由端分别通过螺钉固定有受激磁铁，所述受激磁铁置于右导向孔或左导向孔内，所述受激磁铁和激励磁铁的半径相等，右阶梯环槽和左阶梯环槽处分别通过螺钉安装有电路板一和电路板二，右阶梯环槽和左阶梯环槽内还分别设有传感器一和传感器二，所述传感器一及压电振子一分别通过不同的导线组与电路板一相连，传感器二和压电振子二分别通过不同的导线组与电路板二相连。

本实用新型的优点是结构新颖，轴承自身具有自供能传感监测功能，作为独立的标准部件使用，无需改变其安装设备的结构，可实现真正意义上的实时在线监测；压电振子结构及激励磁铁配置参数确定合理，发供电能力强；采用导向孔防止受激磁铁扭摆、通过限位面限制压电片所受拉应力，提高压电振子可靠性和发电量。

附图说明

图1是本实用新型一个较佳实施例的结构剖面图；

图2是本实用新型内外圈及圆锥滚子装配后的结构；

图3是本实用新型右压板的结构示意图；

图4是本实用新型激励磁铁的配置图；

图5是本实用新型左盘的结构示意图；

图6是图5的右视图；

图7是本实用新型不同定角比时梁上磁铁所受作用力与转角比的关系曲线图；

图8是本实用新型激励系数、最大作用力与定角比的关系曲线图；

图9是本实用新型压电振子发电量与其厚度比的关系曲线图。

具体实施方式

如图1～图6所示，包括内圈1、圆锥体2、保持架3、外圈4，所述内圈1的右端设有阶梯轴11，外圈4的左端设有阶梯孔41，所述内圈1的左端及外圈4的右端分别镶嵌有一组激励磁铁C2，所述内圈1的阶梯轴11上和外圈4的阶梯孔41内分别通过过盈配合安装有右盘5和左盘5’，所述右盘5上设有右阶梯环槽51和右导向孔52，所述左盘5’上设有左阶梯环槽51’和左导向孔52’，所述右盘5和左盘5’上分别通过螺钉安装有右压板6和左压板6’，所述右压板6和左压板6’分别设有等曲率半径的右圆弧限位面61和左圆弧限位面61’，所述右盘5和右压板6之间、以及左盘5’和左压板6’之间分别压接有一组由基板一7与压电片一8粘接而成的悬臂梁型压电振子一A1和由基板二7’与压电片二8’粘接而成的悬臂梁型压电振子二A2，所述压电振子一A1上的金属基板7与右压板6的右圆弧限位面61相接触、压电振子二A2的上金属基板二7’与左压板6’的左圆弧限位面61’相接触，所述压电振子一A1及压电振子二A2的自由端分别通过螺钉固定有受激磁铁C1，所述受激磁铁C1置于右导向孔52或左导向孔52’内，所述受激磁铁C1和激励磁铁C2的半径相等，右阶梯环槽51和左阶梯环槽51’处分别通过螺钉安装有电路板一B1和电路板二B2，右阶梯环槽51和左阶梯环槽51’内还分别设有传感器一S1和传感器二S2，所述传感器一S1及压电振子一A1分别通过不同的导线组与电路板一B1相连，传感器二S2和压电振子二A2分别通过不同的导线组与电路板二B2相连。

工作过程中，当内圈1与外圈4做相对转动时，受激磁铁C1与激励磁铁C2之间产生相对转动，并改变受激磁铁C1与激励磁铁C2之间的轴向作用力，从而使压电振子一A1和压电振子二A2所受的作用力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能，所生成的电能经转换处理后为传感监测系统供电。本实用新型中，通过右圆弧限位面61和左圆弧限位面61’限制所述压电振子中压电片一8和压电片二8’所受的最大拉应力、通过左右导向孔52’和52防止压电振子扭摆，故可同时获得较大的发电能力和较高的可靠性。

本实用新型中，为提高压电振子一A1和压电振子二A2的发电能力，内圈1及外圈4圆周上两相邻激励磁铁C2的磁极的轴向配置方向相反，每组压电振子一A1上或压电振子二A2上的受激磁铁C1的磁极的轴向配置方向分别相同，两组压电振子一A1与压电振子二A2上的受激磁铁C1的磁极的轴向配置方向相反；内圈1及外圈4上的激励磁铁C2的数量n应满足下式，即其中，r及R分别为激励磁铁C2的半径及其中心到内圈1回转中心的距离；或定角比满足其中Q1为激励磁铁C2的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2为两相邻激励磁铁C2的中心与轴承回转中心的连线间的夹角。

为提高压电振子一A1和压电振子二A2的发电能力，其它条件确定时应尽可能提高压电振子一A1和压电振子二A2的变形量和受激次数，即提高所受激振力的幅值和激励次数，使压电振子一A1及压电振子二A2承受吸引和排斥交替的激振力，故磁极的配置方式为：内圈1及外圈4圆周上两相邻激励磁铁C2的磁极的轴向配置方向相反，每组压电振子一A1上或压电振子二A2上的受激磁铁C1的磁极的轴向配置方向分别相同，两组压电振子一A1与压电振子二A2上的受激磁铁C1的磁极的轴向配置方向相反；此外，当轴承内圈1和外圈4相对转动一周时，单个压电振子一A1或压电振子二A2产生的电能可表示为：其中C_f为压电振子A1或A2的自由电容，V_g＝ηF为压电振子A1或A2生成的开路电压，η为与压电振子A1或A2尺度及材料有关的电压系数，h＝nF²称为激励系数，λ＝C_fη²/2称为结构系数，n为激励磁铁C2的数量。显然，在其它条件确定时，可通过提高作用力F、激励磁铁C2的数量n及结构系数λ提高电压及电能；其中，激励磁铁C2的数量n通过改变激励次数及作用力大小两方面影响压电振子A1和A2的发电特性。根据本实用新型圆锥滚子轴承的工作原理、以及磁场为空间分布的实际情况，任一受激磁铁C1都同时受多个激励磁铁C2的作用，总作用力F的大小取决于定角比其中为激励磁铁C2的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2＝2π/n为两相邻激励磁铁C2的中心与轴承回转中心的连线间的夹角，r及R分别为激励磁铁C2的半径及其中心到内圈1回转中心的距离，由此可将定角比转换成激励磁铁C2数量n的函数，即进一步的研究表明，存在不同的最佳的定角比k使压电振子A1和A2所受的作用力、电压及电能最大；当取k＝1～1.5时，即激励磁铁C2数量范围为时，所获得的电能及电压都较大，其中激励系数不低于其最大值的1/2。

图7给出了不同定角比时受激磁铁C1所受作用力F与转角比j＝Q3/Q1的试验曲线，其中Q3为受激磁铁C1与某一激励磁铁C2完全重叠后所转过的转角，故转角比j表征的是受激磁铁C1与各激励磁铁C2间的位置关系。图7说明，定角比不同时，受激磁铁C1所受激励磁铁C2作用力的大小及激励的次数不同。作用力幅值及激励系数与定角比k的关系曲线如图8所示，显然，当取k＝1.0～1.5时，所得电压和电能都较大，激励系数大于其最大值的1/2。

本实用新型中，为提高压电振子一A1和压电振子二A2的可靠性和发电能力，最佳的金属基板厚度与压电振子总厚度之比为0.7，此时圆弧限位最小弯曲半径为： $R_{\min }=\frac{h}{2(0.3+0.7b)}[\frac{E_p}{T_p^{*}}(0.09+0.21b+\frac{0.7b}{1+k_{31}^2})+0.51+0.49b],$ 其中：b＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电材料和黄铜基板的杨氏模量，为压电材料的机电耦合系数，为压电材料的许用拉应力。

根据本实用新型中压电振子一A1和压电振子二A2的工作原理，当所述压电振子与右圆弧限位面61贴合时，其压电片所受拉应力及发电量都随圆弧限位面半径减小而增加，当所述半径过小时会使压电振子因拉应力过大而损毁，因此实际所用限位半径应小于其最小值；另外，当压电振子总厚度及其它相关条件确定时，金属基板过厚或过薄都会使其发电量降低，实际中存在最佳的基板厚度与总厚度之比使得压电振子产生的电能最大，厚度比对发电量的影响如图9所示；显然，金属基板厚度hm与压电振子总厚度h之比为th＝0.7时的发电量最大；此时，圆弧限位的最小半径为： $R_{\min }=\frac{h}{2(0.3+0.7b)}[\frac{E_p}{T_p^{*}}(0.09+0.21b+\frac{0.7b}{1+k_{31}^2})+0.51+0.49b],$ 其中：b＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电材料和黄铜基板的杨氏模量，为压电材料的机电耦合系数，为压电材料的许用拉应力。

Claims (1)

1.一种风力发电机用自感知圆锥滚子轴承，包括内圈、圆锥体、保持架、外圈，其特征在于：所述内圈的右端设有阶梯轴，外圈的左端设有阶梯孔，所述内圈的左端及外圈的右端分别镶嵌有一组激励磁铁，所述内圈的阶梯轴上和外圈的阶梯孔内分别通过过盈配合安装有右盘和左盘，所述右盘上设有右阶梯环槽和右导向孔，所述左盘上设有左阶梯环槽和左导向孔，所述右盘和左盘上分别通过螺钉安装有右压板和左压板，所述右压板和左压板分别设有等曲率半径的右圆弧限位面和左圆弧限位面，所述右盘和右压板之间、以及左盘和左压板之间分别压接有一组由基板一与压电片一粘接而成的悬臂梁型压电振子一和由基板二与压电片二粘接而成的悬臂梁型压电振子二，所述压电振子一上的金属基板与右压板的右圆弧限位面相接触、压电振子二的上金属基板二与左压板的左圆弧限位面相接触，所述压电振子一及压电振子二的自由端分别通过螺钉固定有受激磁铁，所述受激磁铁置于右导向孔或左导向孔内，所述受激磁铁和激励磁铁的半径相等，右阶梯环槽和左阶梯环槽处分别通过螺钉安装有电路板一和电路板二，右阶梯环槽和左阶梯环槽内还分别设有传感器一和传感器二，所述传感器一及压电振子一分别通过不同的导线组与电路板一相连，传感器二和压电振子二分别通过不同的导线组与电路板二相连。