CN102797517B - 用于油气管道监测系统的发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉一种用于油气管道监测系统的发电装置，属于油气管道监测及压电发电领域。左端盖安装在管道外侧，左、右端盖间固定有壳体，壳体内壁上套有压电换能器；压电换能器由金属基板和压电晶片粘接而成；一对儿定磁铁异性磁极相对地安装在压电换能器的自由端；主轴通过轴承安装在左、右端盖上；叶轮安装在主轴端且置于管道内；主轴花键上套有带有凸齿且径向极化方向相反的磁环一和磁环二。优点是利用压电换能器将油气动能转换成电能，无需铺设电缆或电池即可获得可靠、充足的能量；通过双向磁力耦合作用非接触激励并保护压电换能器，可靠性高，主轴转速高、低及匀速时均具有较强的发电能力。

Description

用于油气管道监测系统的发电装置
技术领域
本发明属于油气管道监测系统及压电发电技术领域，具体涉及一种用于油气管道监测系统的发电装置。 
背景技术
油气管道在其长期服役的过程中，由于自然腐蚀、自然界不可抗力、尤其是人为偷盗等造成的泄漏事件时有发生，频繁的管道泄漏不仅造成了巨大的经济损失、同时也给其周边自然环境造成了严重的污染。以往，常采用定期人工巡检的方法加以维护，但因油气管道铺设距离长、且常处于人迹罕至或交通不便之处，定期巡检难以及时发现泄漏并加以维护。因此，人们提出了多种类型用于管道泄漏监测或防盗系统，如中国专利200810223454.X、200710064122.7、200610069554.2、200610109495.7、200610015202.9、200510043346.0、01120311.0，等等。虽然所提出的某些管道泄漏或防盗监测报警方法在技术层面以较成熟，但目前我国长输管道防盗监测系统的应用还处于初步阶段、尚未得到大面的积推广应用，其主要原因之一是监测系统的供电问题未能得到很好的解决：采用铺设电缆的方法成本高、且已被不法分子切断而影响监测系统的正常运行；而采用电池供电时使用时间有限、需经常更换，一旦电池电量不足且未及时更换时也无法完成监测信息的远程传输。因此，为使油气管道泄漏及防盗系统得以实际应用，必须首先解决其供电问题。 
近年来，为满足各类无线传感监测系统的自供电需求，人们提出了一种新型的微型压电发电装置，它具有结构简单、不发热、无电磁干扰、集成化高等特点，尤其适于无线传感监测系统供电，某些类型的压电发电装置已在实际中逐步获得应用。目前，比较成熟的压电发电装置基本都是利用环境中的振动能量或手动操作进行发电的，而对于油气管道而言、尤其是埋置管道，用于使压电陶瓷发电的振动源并不存在。因此，现有的通过收集振动能量发电的压电发电装置并不能用于油气管道监测系统供电。 
发明内容
本发明提供一种用于油气管道监测系统的发电装置，以解决输油气管道监测与防盗报警系统的供电难题以及现有振动式压电发电装置应用上的局限性。 
本发明采取的技术方案是：左端盖通过螺钉安装在管道的外侧；左端盖和右端 盖之间用螺钉固定有壳体，在所述壳体的内侧壁上交替地套有压电换能器和内压环，所述压电换能器和内压环压接在左端盖和右端盖之间；所述的一组压电换能器是指由金属基板上的多个扇形悬臂梁和扇形压电晶片粘接而成的复合结构；一对定磁铁一和定磁铁二异性磁极相对地通过螺钉安装在压电换能器的自由端；所述同一组压电换能器自由端上的定磁铁一和定磁铁二磁极的轴向配置方向相同、相邻两组压电换能器自由端上的定磁铁一和定磁铁二磁极的轴向配置方向相反；左端盖和右端盖上均镶嵌有轴承，主轴通过轴承安装在左端盖和右端盖上；主轴上安装有叶轮的轴端经左端盖上的轴承进入管道内；位于壳体内部的主轴的花键上从右至左交替地套有磁环一、外压环和磁环二，所述磁环一、外压环和磁环二经右端盖上的轴承和套在主轴上的挡圈压接在主轴的轴肩上；磁环一和磁环二上分别设有数量相同的凸齿一和凸齿二；所述磁环一和磁环二的磁极方向均沿径向分布，且二者的磁极方向相反。 
本发明利用压电换能器将油气流动的动能转换成电能，无需铺设电缆或电池即可为油气管道泄漏及防盗监测系统提供可靠、充足的能量供应。总体方式是：通过流动的油气驱动叶片带动主轴旋转；通过随主轴转动的磁环一和磁环二与压电换能器上的定磁铁交替靠近时其同性磁极间所产生的排斥力迫使压电换能器产生轴向弯曲变形，从而将油气的动能转换成电能；同时，还利用相邻两组压电换能器上的定磁铁之间同性磁极间的排斥力限制压电换能器的轴向弯曲变形量，从而避免压电换能器因轴向变形过大而损坏。 
本发明中，安装于主轴上的磁环一和磁环二的磁极沿径向磁化、且磁极方向相反，因此，磁环一上的凸齿的各外表面的磁极极性相同、磁环二上的凸齿的各外表面的磁极极性相同：即，如磁环一上的凸齿的各外表面磁极为N极，则磁环二上的凸齿的各外表面磁极为S极。 
本发明的特色与优势：利用压电换能器将油气流动的动能转换成电能，无需铺设电缆或电池即可为油气管道泄漏及防盗监测系统提供可靠、充足的能量供应；通过双向磁力耦合作用实现压电换能器的非接触轴向激励和变形保护，无接触冲击与噪音、可靠性高；压电换能器的弯曲变形量及发电量主要由磁极间的磁场强度决定，主轴转速高、低及匀速时均具有较强的发电能力。 
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电装置的结构原理简图； 
图2是图1的A-A视图； 
图3是图1的I部放大图； 
图4是本发明一个较佳实施例中压电换能器的结构示意图； 
图5是图4的B-B剖面图； 
图6是磁环一的结构及磁极方向示意图； 
图7是磁环二的结构及磁极方向示意图。 
具体实施方式
左端盖1通过螺钉安装在管道11的外侧；左端盖1和右端盖1’之间用螺钉固定有壳体2，在所述壳体2的内侧壁上交替地套有压电换能器4和内压环3，所述压电换能器4和内压环3压接在左端盖1和右端盖1’之间；所述的一组压电换能器4是指由金属基板401上的多个扇形悬臂梁4011和扇形压电晶片402粘接而成的复合结构；一对定磁铁一5和定磁铁二5’异性磁极相对地通过螺钉安装在压电换能器4的自由端；所述同一组压电换能器4自由端上的定磁铁一5和定磁铁二5’磁极的轴向配置方向相同、相邻两组压电换能器4自由端上的定磁铁一5和定磁铁二5’磁极的轴向配置方向相反；左端盖1和右端盖1’上均镶嵌有轴承6，主轴7通过轴承6安装在左端盖1和右端盖1’上；主轴7上安装有叶轮12的轴端701经左端盖1上的轴承6进入管道11内；位于壳体2内部的主轴7的花键703上从右至左交替地套有磁环一9、外压环10和磁环二9’，所述磁环一9、外压环10和磁环二9’经右端盖上的轴承6和套在主轴7上的挡圈8压接在主轴7的轴肩702上；磁环一9和磁环二9’上分别设有数量相同的多个凸齿一901和凸齿二901’；所述磁环一9和磁环二9’的磁极方向均沿径向分布，且二者的磁极方向相反。 
在本发明中，利用压电换能器将油气流动的动能转换成电能，无需铺设电缆或电池即可为油气管道泄漏及防盗监测系统提供可靠、充足的能量供应。总体方式是：通过流动的油气驱动叶片12带动主轴7旋转；通过随主轴7转动的磁环一9和磁环二9’与压电换能器4自由端上的定磁铁一5或定磁铁二5’交替靠近时其同性磁极间所产生的排斥力迫使压电换能器4产生轴向弯曲变形，从而将油气的动能转换成电能；同时，还利用相邻两组压电换能器4上的定磁铁一5和定磁铁二5’之间同性磁极间的排斥力限制压电换能器4的轴向弯曲变形量，从而避免压电换能器4因轴向变形过大而损坏。 
本发明中，安装于主轴7上的磁环一9和磁环二9’的磁极沿径向磁化、且磁极方向相反，因此，磁环一9上的凸齿一901的各外表面的磁极极性相同、磁环二9’上的凸齿二901’的各外表面的磁极极性相同：即，如磁环一9上的凸齿一901的各外表面 磁极为N极，则磁环二9’上的凸齿二901’的各外表面磁极为S极。 
当主轴7旋转使磁环一9上的凸齿一901处于上方且与上方的压电换能器4上的定磁铁一5或定磁铁二5’靠近时，磁环一9上的凸齿一901和与之靠近的定磁铁一5或定磁铁二5’的同性磁极N极之间距离减小、排斥力增加，从而使定磁铁一5或定磁铁二5’向远离磁环一9上的凸齿一901的方向运动，即：从左至右的第一、第三压电换能器4向右弯曲、第二、第四压电换能器4向左弯曲，其结果使相邻的第一压电换能器4上的定磁铁二5’与第二压电换能器4上的定磁铁一5、第三压电换能器4上的定磁铁二5’与第四压电换能器4上定磁铁一5的S极分别相互靠近，并产生逐渐增加的排斥力，从而限制压电换能器4因受磁环一9上的凸齿一901作用所产生的变形量； 
与此同时，磁环二9’上的凸齿二901’处于下方并与下方的压电换能器4上的定磁铁一5或定磁铁二5’靠近，磁环二9’上的凸齿二901’和与之靠近的定磁铁一5或定磁铁二5’的同性磁极S极之间距离减小、排斥力增加，从而使定磁铁一5或定磁铁二5’向远离磁环二9’上的凸齿二901’的方向运动，即：从左至右的第一、第三压电换能器4向左弯曲、第二、第四压电换能器4向右弯曲，其结果使相邻的第二压电换能器4上的定磁铁二5’与第三压电换能器4上的定磁铁一5的N极相互靠近，并产生逐渐增加的排斥力，从而限制压电换能器4因受磁环二9’上的凸齿二901’作用所产生的变形量。 

Claims (1)

1.一种用于油气管道监测系统的发电装置，其特征在于：左端盖和右端盖之间用螺钉固定有壳体，在所述壳体的内侧壁上交替地套有压电换能器和内压环，所述压电换能器和内压环压接在左端盖和右端盖之间；一组压电换能器是指由金属基板上的多个扇形悬臂梁和扇形压电晶片粘接而成的复合结构；一对定磁铁一和定磁铁二异性磁极相对地通过螺钉安装在压电换能器的自由端；所述同一组压电换能器自由端上的定磁铁一和定磁铁二磁极的轴向配置方向相同、相邻两组压电换能器自由端上的定磁铁一和定磁铁二磁极的轴向配置方向相反；左端盖和右端盖上均镶嵌有轴承，主轴通过轴承安装在左端盖和右端盖上；主轴上安装有叶轮的轴端经左端盖上的轴承进入管道内；位于壳体内部的主轴的花键上从右至左交替地套有磁环一、外压环和磁环二，所述磁环一、外压环和磁环二经右端盖上的轴承和套在主轴上的挡圈压接在主轴的轴肩上；磁环一和磁环二上分别设有数量相同的凸齿一和凸齿二；所述磁环一和磁环二的磁极方向均沿径向分布，且二者的磁极方向相反。
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