CN118199360A - 一种发电滚轮及其变速箱监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电滚轮及其变速箱监测装置，属新能源与监测技术领域。主要包括机壳、机盖、机架、电控板、传感、隔离器、线圈及磁滚，机壳上设有壳轴腔和壳环腔，机架上设有滚道，滚道上均布有线槽和线框；机盖装在机壳上并将机架压接在壳环腔中，电控板装在机架上，传感装在机壳、机架或机盖上；线槽内装有线圈，滚道内裝有磁滚，磁滚为镶嵌在高分子圆柱内的磁柱且其磁极径向配置；磁滚的轴线与滚道的轴线平行，线圈的轴线与磁滚的运动轨迹相切；机壳装在旋转体上，机壳、机架、线圈随旋转体转动时磁滚从线圈内部滚过，磁滚的磁极及穿过线圈的磁场强度交替地变化，线圈切割磁力线发电，电能经转换处理后存储或输出给传感及信号发射系统。

Description

一种发电滚轮及其变速箱监测装置

技术领域

本发明属于新能源与监测技术领域，具体涉及一种发电滚轮及其变速箱监测装置，主要用于水电与风电变速箱监测，也可用于风力发电机叶片监测，或用于单纯手动、风力与水利等旋转发电。

背景技术

近年来，随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在环境、旋转机械、风力发电机、车辆轴系等健康监测应用的普及，为其提供持续能源供应的微小型发电机的研究受到国内外学者的广泛关注。目前已提出的微小型发电机基本都是基于电磁、压电及摩擦原理的，每类发电机都有其自身的特点和应用领域。从实际应用的角度，现有微小型发电机依然面临较多的技术瓶颈，较普遍的共性问题主要为：发电能力及单位体积能量密度较低，/>环境适应性差，即对流体流速、振动频率及旋转体转速的适应能力低，/>可靠性低，如压电陶瓷易因环境振动强度过大而损毁、滑动摩擦发电机易因摩擦磨损而失效。当然，目前还很难在同一原理发电机中把上述各种问题都加以解决。相对而言，压电发电机和摩擦发电机的结构简单、易于集成化和微小化、低频及低速发电效果较好，但最大的问题是可靠性低，目前尚无实际应用的相关报道；相反，电磁发电机的可靠性高，大型及微小型电磁发电机都有广泛应用，但其低频与低速环境下的发电性能差，尚无法用于风电与水电变速箱、风力发电机叶片等低速环境。因此，提高微小型电磁发电机低频与低速发电能力是目前相关领域急需解决的关键问题。

发明内容

本发明提出一种发电滚轮及其变速箱监测装置，主要包括机壳、机盖、机架、电控板、传感、隔离器、线圈及磁滚；传感为温度、振动或转速传感器，磁滚为镶嵌在高分子圆柱内的磁柱且其磁极径向配置，磁柱的横截面为圆形或方形；隔离器为隔离滚柱、隔离滑块或隔离滑架，电控板上设有能量转换存储单元、控制单元、信号采集单元及信号发射单元。

机壳为圆环结构，机壳上设有同轴且端口朝向相反的壳轴腔和壳环腔，壳轴腔端口朝左、壳环腔朝右，壳轴腔和壳环腔经壳内壁隔开，壳内壁与轴腔底壁构成壳轴腔，壳内壁、环腔底壁及壳外壁构成环腔，环腔底壁上设有两组左销孔，两组左销孔分别均布在两个同轴的圆周上，左销孔位于环腔底壁的内侧。

机架为环形结构，机架上设有环形的滚道，滚道的圆周方向上均布有线槽和线框，线框为线槽的内壁，线框将滚道和线槽隔开；线框的内腔为滚道的一部分，亦即线框套在滚道上、线框为滚道的部分外壁。

机架由左机架和右机架组装而成，左机架和右机架均为环形结构。

左机架上设有同轴的左轴孔和架环槽，架环槽的端口沿左机架的轴向配置，左机架上沿圆周方向均布有左线槽，左线槽与架环槽间经左线框隔开，左线框和左线槽为匚型结构，左线槽的径向对称中心线即为架环槽的对称中心线，即左线框的两个相对的边框沿左机架的径向配置且位于架环槽的内外两侧；左机架上沿圆周方向均布地设有两组通销孔，两组通销孔所在的圆周同轴。

右机架上设有右轴孔，右机架上沿圆周方向均布有右线槽，右线槽为匚型结构；右机架上位于右槽底壁的一侧设有两组右销孔、另一侧设有凸环，两组右销孔分别均布在两个同轴的圆周上；右销孔和左销孔均为盲孔。

隔离滑架为均布有磁柱腔的环形结构，磁柱腔为径向通腔。

机盖经螺钉安装在机壳上并将机架压接在壳环腔中，电控板经螺钉和压环安装在机架上，电控板置于机盖的内腔中，传感安装在机壳、机架或机盖上，传感为温度、振动或转速传感器。具体地：机盖经螺钉安装在机壳上并经右机架将左机架压接在壳环腔中，销轴从左机架的通销孔穿过且其两端分别顶靠在机壳的左销孔和右机架的右销孔的底壁上，右槽底壁顶靠在架环槽的端口上，左轴孔和右轴孔套在壳内壁上；左机架与右机架构成机架，左线槽与右线槽构成线槽，左线框与右槽底壁构成线框和滚道；电控板经螺钉和压环安装在右机架的凸环上。

线槽内安装有线圈，线圈经缠绕的方式套在线框上，滚道内裝有至少一个可自由滚动的磁滚，磁滚为镶嵌在高分子圆柱内的磁柱且其磁极径向配置，磁柱的横截面为圆形或方形；磁滚的轴线与滚道的轴线平行，线圈的轴线与磁滚的运动轨迹相切，磁滚的运动轨迹即为磁滚的轴心的运动轨迹；滚道内放置多个磁滚时，各磁滚由隔离器隔开且各磁滚间无磁耦合作用力，隔离器为隔离滚柱、隔离滑块、或隔离滑架，磁滚位于两组隔离滚柱之间、两个隔离滑块之间、或隔离滑架的磁柱腔内。

本发明中，除磁滚以外，其他元件的材料均为非铁磁性材料，即其他各个元件与磁滚之间无磁耦合力。

本发明中，磁滚及隔离器沿滚道的圆周方向均布或仅位于滚道中心的下方，具体取决于机壳的转速，转速越高需要的隔离器的有效惯性力越大、不宜采用均布配置方式。

机壳安装在旋转体上，旋转体为转轴及风力发电机叶片等；工作中，机壳、机架、线圈随旋转体z转动，磁滚在其自身及隔离器惯性力作用相对静止在滚道圆周上的某一位置且沿自身轴心滚动，磁滚与线圈相对转动，机壳连续转动时磁滚往复地从线圈中滚过；磁滚从线圈内部滚过时，磁滚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控板，电能经转换处理后存储或输出给传感，传感获得相关参数信息并经电控板上的发射系统发射出去。

本发明的一种发电滚轮及其变速箱监测装置，还可用于风力发电机叶片监测，或用于单纯手动、风力与水利等旋转发电。

本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈与磁滚的参数关系为：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、L分别为磁滚的直径和长度，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磁滚径向的宽度；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；其他条件确定时，存在较佳的线圈参数比使输出功率比较大。

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，本发明的一种发电滚轮及其变速箱监测装置利用旋转运动及惯性力迫使磁滚从线圈内部滚动经过，通过磁滚的滚动改变穿过线圈的磁场方向与强度，从而使线圈切割磁力线发电；磁滚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故发电能力强，输出电压高、电量大；另，本发明的发电及自供电转体监测装置可作为标准部件使用，无需改变旋转体结构或设置额外的固定元件，安装在转轴端部即可工作。

优势与特色：利用相关器件惯性实现自激旋转发电，无需固定支撑、结构简单、安装方便，可作为独立的标准部件使用；利用途径线圈内腔的磁滚的滚动改变通过线圈的磁场方向使线圈切割磁力线发电，磁场强度变化梯度大及发电能力强，发电电压与电流远远高于传统发电方法。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电滚轮及其转体监测装置的结构示意图；

图2是采用隔离滚柱时图1的A-A剖面图；

图3是采用隔离滑块时图1的A-A剖面图；

图4是采用隔离滑架时图1的A-A剖面图；

图5是本发明一个较佳实施例中机壳的结构示意图；

图6是图5的右视图；

图7 是本发明一个较佳实施例中机架的结构示意图

图8是本发明一个较佳实施例中左机架的结构示意图；

图9是图8的右视图；

图10是本发明一个较佳实施例中右机架的结构示意图；

图11是图10的左视图；

图12是图10的右视图；

图13是本发明一个较佳实施例中隔离滑架的结构示意图；

图14是图13的左视图。

具体实施方式

本发明所提出的一种发电滚轮及其变速箱监测装置主要包括机壳a、机盖b、机架J、电控板p、传感器s、隔离器、线圈x及磁滚y；传感器s为温度、振动或转速传感器，磁滚y为镶嵌在高分子圆柱内的磁柱且其磁极径向配置，磁柱的横截面为圆形或方形；隔离器为隔离滚柱u、隔离滑块v或隔离滑架w，电控板p上设有能量转换存储单元、控制单元、信号采集单元及信号发射单元。

机壳a为圆环结构，机壳a上设有同轴且端口朝向相反的壳轴腔a1和壳环腔a2，壳轴腔a1端口朝左、壳环腔a2朝右，壳轴腔a1和壳环腔a2经壳内壁a4隔开，壳内壁a4与轴腔底壁a6构成壳轴腔a1，壳内壁a4、环腔底壁a7及壳外壁a5构成环腔，环腔底壁a7上设有两组左销孔a3，两组左销孔a3分别均布在两个同轴的圆周上，左销孔a3位于环腔底壁a7的内侧。

机架J为环形结构，机架J上设有环形的滚道j3，滚道j3的圆周方向上均布有线槽j1和线框j2，线框j2为线槽j1的内壁，线框j2将滚道j3和线槽j1隔开；线框j2的内腔为滚道j3的一部分，亦即线框j2套在滚道j3上、线框j2为滚道j3的部分外壁。

机架J由左机架c和右机架d组装而成，左机架c和右机架d均为环形结构。

左机架c上设有同轴的左轴孔c1和架环槽c2，架环槽c2的端口沿左机架c的轴向配置，左机架c上沿圆周方向均布有左线槽c3，左线槽c3与架环槽c2间经左线框c5隔开，左线框c5和左线槽c3为匚型结构，左线槽c3的径向对称中心线即为架环槽c2的对称中心线c6，即左线框c5的两个相对的边框沿左机架c的径向配置且位于架环槽c2的内外两侧；左机架c上沿圆周方向均布地设有两组通销孔c4，两组通销孔c4所在的圆周同轴。

右机架d上设有右轴孔d1，右机架d上沿圆周方向均布有右线槽d2，右线槽d2为匚型结构；右机架d上位于右槽底壁d3的一侧设有两组右销孔d4、另一侧设有凸环d5，两组右销孔d4分别均布在两个同轴的圆周上；右销孔d4和左销孔a3均为盲孔。

隔离滑架w为均布有磁柱腔w1的环形结构，磁柱腔w1为径向通腔。

机盖b经螺钉安装在机壳a上并将机架J压接在壳环腔a2中，电控板p经螺钉和压环e安装在机架J上，电控板p置于机盖b的内腔中，传感器s安装在机壳a、机架J或机盖b上，传感器s为温度、振动或转速传感器。具体地：机盖b经螺钉安装在机壳a上并经右机架d将左机架c压接在壳环腔a2中，销轴f从左机架c的通销孔c4穿过且其两端分别顶靠在机壳a的左销孔a3和右机架d的右销孔d4的底壁上，右槽底壁d3顶靠在架环槽c2的端口上，左轴孔c1和右轴孔d1套在壳内壁a4上；左机架c与右机架d构成机架J，左线槽c3与右线槽d2构成线槽j1，左线框c5与右槽底壁d3构成线框j2和滚道j3；电控板p经螺钉和压环e安装在右机架d的凸环d5上。

线槽j1内安装有线圈x，线圈x经缠绕的方式套在线框j2上，滚道j3内裝有至少一个可自由滚动的磁滚y，磁滚y为镶嵌在高分子圆柱内的磁柱且其磁极径向配置，磁柱的横截面为圆形或方形；磁滚y的轴线与滚道j3的轴线平行，线圈x的轴线q与磁滚y的运动轨迹r相切，磁滚y的运动轨迹r即为磁滚y的轴心的运动轨迹；滚道j3内放置多个磁滚y时，各磁滚y由隔离器隔开且各磁滚y间无磁耦合作用力，隔离器为隔离滚柱u、隔离滑块v、或隔离滑架w，磁滚y位于两组隔离滚柱u之间、两个隔离滑块v之间、或隔离滑架w的磁柱腔w1内。

本发明中，除磁滚y以外，其他元件的材料均为非铁磁性材料，即其他各个元件与磁滚y之间无磁耦合力。

本发明中，磁滚y及隔离器沿滚道j3的圆周方向均布或仅位于滚道j3中心的下方，具体取决于机壳a的转速，转速越高需要的隔离器的有效惯性力越大、不宜采用均布配置方式。

机壳a安装在旋转体z上，旋转体z为转轴及风力发电机叶片等；工作中，机壳a、机架J、线圈x随旋转体z转动，磁滚y在其自身及隔离器惯性力作用相对静止在滚道j3圆周上的某一位置且沿自身轴心滚动，磁滚y与线圈x相对转动，机壳a连续转动时磁滚y往复地从线圈x中滚过；磁滚y从线圈x内部滚过时，磁滚y的磁极及穿过线圈x的磁场强度交替地变化，线圈x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控板p，电能经转换处理后存储或输出给传感器s，传感器s获得相关参数信息并经电控板p上的发射系统发射出去。

本发明的一种发电滚轮及其变速箱监测装置，还可用于风力发电机叶片监测，或用于单纯手动、风力与水利等旋转发电。

本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈x与磁滚y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、L分别为磁滚y的直径和长度，T、W和H分别为线圈x的壁厚、径向宽度和高度，线圈x的径向宽度是指线圈沿磁滚y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；其他条件确定时，存在较佳的线圈参数比使输出功率比较大。

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，本发明的一种发电滚轮及其变速箱监测装置利用旋转运动及惯性力迫使磁滚y从线圈x内部滚动经过，通过磁滚y的滚动改变穿过线圈x的磁场方向与强度，从而使线圈x切割磁力线发电；磁滚y在线圈x内部滚动过程中，磁极变化引起的线圈x内磁场变化梯度大故发电能力强，输出电压高、电量大；另，本发明的发电及自供电转体监测装置可作为标准部件使用，无需改变旋转体结构或设置额外的固定元件，安装在转轴端部即可工作。

Claims (3)

1.一种发电滚轮及其变速箱监测装置，主要包括机壳、机盖、机架、电控板、传感、隔离器、线圈及磁滚，除磁滚以外，其他元件的材料均为非铁磁性材料；机壳上设有同轴且端口朝向相反的壳轴腔和壳环腔，壳轴腔和壳环腔经壳内壁隔开；机架上设有滚道，滚道圆周方向上均布有线槽和线框，线框为线槽的内壁，线框将滚道和线槽隔开；机盖装在机壳上并将机架压接在壳环腔中，电控板装在机架上，传感装在机壳、机架或机盖上；其特征在于：线槽内装有线圈，滚道内裝有可自由滚动的磁滚，磁滚为镶嵌在高分子圆柱内的磁柱且其磁极径向配置，磁柱的横截面为圆形或方形；磁滚的轴线与滚道的轴线平行，线圈的轴线与磁滚的运动轨迹相切；机壳安装在旋转体上，机壳、机架、线圈随旋转体转动时磁滚从线圈内部滚过，磁滚的磁极及穿过线圈的磁场强度交替地变化，线圈切割磁力线发电，电能经转换处理后存储或输出给传感及信号发射系统。

2.根据权利要求1所述的一种发电滚轮及其变速箱监测装置，其特征在于：机架由左机架和右机架组装而成，左机架上设有同轴的左轴孔和架环槽，左机架上沿圆周方向均布有左线槽，左线槽与架环槽间经左线框隔开；右机架上设有右轴孔，右机架上沿圆周方向均布有右线槽，左线框、左线槽及右线槽为匚型结构；右槽底壁顶靠在架环槽的端口上；左线槽与右线槽构成线槽，左线框与右槽底壁构成线框和滚道。

3.根据权利要求1所述的一种发电滚轮及其变速箱监测装置，其特征在于：滚道内放置多个磁滚时，各磁滚由隔离器隔开且各磁滚间无磁耦合作用力，隔离器为隔离滚柱、隔离滑块或隔离滑架，隔离滑架为均布有磁柱腔的环形结构，磁滚位于两组隔离滚柱之间、两个隔离滑块之间、或隔离滑架的磁柱腔内。