CN104377995A - 旋转轮非接触激振式流体动能转换装置 - Google Patents

Abstract

旋转轮非接触激振式流体动能转换装置，它涉及一种能量转换装置，以解决现有流体动能转换装置存在难以适应复杂流体环境，机械结构复杂，俘能效率不高以及难以实现微型化、便携化，易产生结构疲劳破坏和使用寿命短的问题，它包括旋转轮、两套固定基座、两个轮轴、2N个受激磁体片和2N个激振磁体片；旋转轮包括支撑轴架和N个轮板；每套固定基座包括圆桶形罩壳、带颈法兰底座和N个压电复合悬臂梁；每个压电复合悬臂梁包括金属弹性板和两个压电陶瓷片；每套固定基座的圆桶形罩壳的桶壁与带颈法兰底座的底盘连接为一体。本发明用于新能源发电领域。

Description

旋转轮非接触激振式流体动能转换装置

技术领域

本发明涉及一种能量转换装置，属于新能源发电装置领域。

背景技术

随着集成电路设计和制造技术的飞速发展，电子元器件的小型化和微型化也成为一种趋势，低能耗设计技术也使得这些电子元器件的消耗功率越来越小。无线传感器作为这类电子元器件的典型，常见于现代物流装备、柔性生产线、信号中转站等机电系统，尤其常见于环境较为复杂不适合人工操作的场合中，这类装置对于供能的需求是系统稳定、可靠性强、安装和维护成本低。传统电子元器件的低能耗供电还是依赖于化学电池，主要优势有技术成熟、成本低等等，但是这类电池的寿命有限、报废后有污染且定期更换需要一定的人工成本，尤其不适合于自然条件恶劣的深海、深山、沙漠等领域。因此，研究人员逐步寻找可替换常规化学电池的新能源，尤其是能够从设备工作的自然环境中直接获取的新能源。

流体介质广泛存在于自然环境中，其不同的存在和运动方式又赋予了其自身携带着不同的能量。常规而言，自然界中存在的的流体动能主要有风能、潮汐能、洋流能、波浪能等，这些能量的存在具有可再生性、持续性、清洁型，因此也成了新能源技术领域比较关注的对象，其对应的能源转换装置主要有风力发电机、潮汐能发电机等。这些经典的新能源装备曾经广受青睐，但是由于其使用环境、能量俘获效率都受到自身结构和能量俘获原理的限制，因此未能进行大规模推广，尤其是在低速流动、小功耗供能领域。

流体动能的初级转换方式主要有流动-转动、流动-振动方式。其中第一种是利用透平叶片或者涡轮转子直接将流体的能量直接转换为转子转动，进而带动电磁铁等二级发电装置进行工作；而第二种方式是利用流体的涡激振动特性，将流体动能转换为圆柱的振动或者水翼的摆动，进而带动二级发电装置进行工作。在这两种方式中，流动-转动由于靠转子直接传递流体动能，因此能够较高效地进行俘能，适用场合也比第二种广；而第二种方式安装布置比较灵活，但需要流场动力参数达到涡激振动或波浪结构共振的临界值才能工作，因此对环境的要求较为苛刻。在转动能转换为电能的方式中，以法拉第电磁感应定律为原理的电磁发电设备居多；而在振动能转换为电能的方式中，压电材料由于具有压电效应和较高功率密度的容易制作的优点而受到青睐。对于给在复杂流场条件下的电子元器件功能，压电材料是一种很好的旋转。研究人员也相继开发出了多种原理的压电发电装置。

经文献检索，发表日期为2011年，名称为“圆盘式压电发电装置发电性能及其关键技术研究”的博士学位论文，它首次提出了一种承载能力大且不需任何附加装置就可直接应用于高载环境中的圆盘式压电发电装置，所述的装置采用鼓型压电发电装置的能量密度最高,但相对钹型压电发电装置其承载能力小,不能直接工作于高载环境中,而钹鼓复合型压电发电装置既具有高的能量密度且具有高的承载能力,相比较来说是其中综合性能最优异的压电发电装置。但由于这种结构属于接触式的振动能-电能转换装置，因此存在易产生结构疲劳破坏以及不适合于复杂流体环境下等缺点。

公开日为2013年09月18日，公开号为CN103312216A的中国发明专利申请提出一种流体压电发电装置及装置组，它首次提出了一种采用叶片转子挤压压电梁产生变形进行发电的发电结构，具体而言是通过流体带动带有挤压转子的叶片转动，通过挤压转子间歇性地挤压复合压电片产生电荷实现发电。这种结构有效地对流场的动能进行了俘获，也有利于实现微小型化，但由于工作时挤压转子和复合压电片存在必然的滑动膜材和变形，因此产生结构破坏的风险较大，装置的有效使用寿命也相应地缩短。

发明内容

本发明是为解决现有流体动能转换装置存在难以适应复杂流体环境，机械结构复杂，俘能效率不高以及难以实现微型化、便携化，易产生结构疲劳破坏和使用寿命短的问题，进而提供一种旋转轮非接触激振式流体动能转换装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置包括旋转轮、两套固定基座、两个轮轴、2N个受激磁体片和2N个激振磁体片；其中N为正整数，且N≥8；

旋转轮包括支撑轴架和N个轮板；

每套固定基座包括圆桶形罩壳、带颈法兰底座和N个压电复合悬臂梁，圆桶形罩壳的桶底的中部加工有通孔；

每个压电复合悬臂梁包括金属弹性板和两个压电陶瓷片，每个金属弹性板的一端安装在带颈法兰底座的颈部的端面上，金属弹性板的长度方向与带颈的法兰底座的轴向垂直，N个金属弹性板沿带颈法兰底座的周向均布设置，每个金属弹性板的另一端的相对的两侧面各粘接有压电陶瓷片，压电陶瓷片的片面与带颈法兰底座的轴线垂直，远离带颈法兰底座的底盘的每个压电陶瓷片上固装有一个受激磁体片；

每套固定基座的圆桶形罩壳的桶壁与带颈法兰底座的底盘密封连接为一体，两套固定基座平行设置，每个通孔上转动安装有一个轮轴，两个轮轴正对布置，两个轮轴与两个圆桶形罩壳四者同轴设置，两个轮轴之间固装有与二者连接的支撑轴架，支撑轴架上沿轮轴的周向固装有N个轮板，轮板的长度方向与轮轴的轴向平行，每个轮板的与圆桶形罩壳相邻的两端面各固装有一个激振磁体片，激振磁体片与受激磁体片极性相同。

本发明的有益效果是：一、本发明的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置主要是通过轮板端部的激振磁体片对固定基座内的压电复合悬臂梁端部的受激磁体片进行激励，进而使压电复合悬臂梁进行受迫振动实现流体动能-振动能-电能的能量转换过程。在这个能量转换的过程中，流体动能转换为旋转轮的转动为一级能量转换过程；旋转轮转动转换为压电复合悬臂梁振动为二级能量转换过程；压电复合悬臂梁振动转换为电能则为三级能量转换过程。

二、本发明的旋转轮采用轮板作为流动动能的直接受动结构，这种结构方式只要满足来流方向与旋转轴的轴向不为0°，即可实现有效转动，即进行流场动能的俘获，因此使得本发明的安装方式显得灵活，能适合于复杂的流动环境；

三、本发明的激振磁体片直接固定在轮板的端部，当旋转轮绕轮轴转动时，由于激振磁体片和受激磁体片极性相同，会与固定基座内压电悬臂梁自由端的受激磁体片产生相斥效应，迫使压电悬臂梁产生自由振动，在一个转动周期内，每个压电悬臂梁都将受到若干次激振(次数等于轮板或翼型板的数量)，进而产生电荷，通过后端匹配设置的整流滤波电路即可有效实现发电。本发明的压电悬臂梁是在非接触式下进行工作的，因此，其金属弹性板或者悬臂梁本身不收机械冲击或者接触载荷，能保证系统的寿命比传统基座激振式或者流致振动式的发电装置要长，本发明的使用寿命延长了3-6倍；本发明的三级能量装换过程由于采用了压电悬臂梁进行机械能到电能的转换，浮能效率提高了30％-60％，因此，适合于较宽频带内的环境流动以及易于实现微型化和便携化。

四、本发明的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置结构简单，绿色无污染，系统的模块化和集成度高，加工制造成本低，可进行多种角度的安装，易于实现微型化和便携化，对环境中的低速和中高速流动能量都有较高的俘获效果，可用于新能源发电装置制作领域，在网络传感节点以及无人飞行器的供能方面都有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置的立体结构示意图，图2是本发明的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置的剖面结构示意图，图3是旋转轮与其中一套固定基座连接结构的立体结构示意图，图4是本发明的具体实施方式五的旋转轮的立体结构示意图，图5是本发明的固定基座的圆桶形罩壳的立体结构示意图，图6是本发明的固定基座的带颈法兰底座的立体结构示意图，图7是本发明固定基座的压电复合悬臂梁与带颈法兰底座连接的结构示意图，图8是压电复合悬臂梁的结构示意图，图9是旋转轮在流体的来流作用下进行旋转运动的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图8说明，本实施方式的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置包括旋转轮3、两套固定基座1、两个轮轴2、2N个受激磁体片4和2N个激振磁体片5；其中N为正整数，且N≥8；

旋转轮3包括支撑轴架3-1和N个轮板3-2；

每套固定基座1包括圆桶形罩壳1-4、带颈法兰底座1-3和N个压电复合悬臂梁1-1，圆桶形罩壳1-4的桶底的中部加工有通孔1-5；

每个压电复合悬臂梁1-1包括金属弹性板1-1-1和两个压电陶瓷片1-1-2，每个金属弹性板1-1-1的一端安装在带颈法兰底座1-3的颈部1-3-3的端面上，金属弹性板1-1-1的长度方向与带颈的法兰底座1-3的轴向垂直，N个金属弹性板1-1-1沿带颈法兰底座1-3的周向均布设置，每个金属弹性板1-1-1的另一端的相对的两侧面各粘接有压电陶瓷片1-1-2，压电陶瓷片1-1-2的片面与带颈法兰底座1-3的轴线垂直，远离带颈法兰底座1-3的底盘的每个压电陶瓷片1-1-2上固装有一个受激磁体片4；

每套固定基座1的圆桶形罩壳1-4的桶壁与带颈法兰底座1-3的底盘密封连接为一体，两套固定基座1平行设置，每个通孔1-5上转动安装有一个轮轴2，两个轮轴2正对布置，两个轮轴2与两个圆桶形罩壳1-4四者同轴设置，两个轮轴2之间固装有与二者连接的支撑轴架3-1，支撑轴架3-1上沿轮轴2的周向固装有N个轮板3-2，轮板3-2的长度方向与轮轴2的轴向平行，每个轮板3-2的与圆桶形罩壳1-4相邻的两端面各固装有一个激振磁体片5，激振磁体片5与受激磁体片4极性相同。

本实施方式的激振磁体片5工作时在空间位置上正对压电复合悬臂梁1-1上的受激磁体片4且极性相同，在工作运行时，旋转轮3在受到外部运动流体的作用力时会绕着中心轴线进行转动(如图9所示，双箭头表示流体来流方向，空心箭头表示旋转轮旋转方向)，此时，会带动激振磁体片5进行同步运动，进而激励压电复合悬臂梁1-1的受激磁体片4及金属弹性板1-1-1进行沿中心轴线的自由振动，实现振动能到电能的有效转换，激振磁体片5与受激磁体片4正对时，振动幅度最大。本实施方式的圆桶形罩壳1-4和带颈法兰底座1-3之间通过O形密封圈1-3-2密封连接。

本实施方式的压电陶瓷片1-1-2可以布满金属弹性板1-1-1的整个侧面粘贴。本实施方式的受激磁体片4可以为磁铁。

具体实施方式二：结合图7和图8说明，本实施方式的压电复合悬臂梁1-1的数量为八个。如此设置，满足振动能到电能的有效转换的需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图8说明，本实施方式的每个金属弹性板1-1-1为磷青铜弹性板。如此设置，磷青铜的弹性、耐磨性和抗疲劳性性能良好，便于使用。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图7和图8说明，本实施方式的每个轮板3-2为翼型板。如此设置，旋转轮采用翼型板作为流动动能的直接受动结构，这种结构方式只要满足来流方向与旋转轴的轴向不为0°，即可实现有效转动，即进行流场动能的俘获，因此使得本发明的安装方式显得更为灵活，更能适合于复杂的流动环境，本实施方式的翼型板截面为变截面形状。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图3和图4说明，本实施方式所述支撑轴架3-1包括连接轴3-1-1、两个套筒3-1-2和2N个支杆3-1-3，连接轴3-1-1的两端各固装有套筒3-1-2，每个套筒3-1-2插接在相对应的轮轴2上，且连接轴3-1-1、两个套筒3-1-2和两个轮轴2五者同轴设置，两个套筒3-1-2的外周侧面上各固装有N个支杆3-1-3，每个轮板3-2与两个套筒3-1-2上相正对布置的两个支杆3-1-3连接。如此设置，该结构为直接受动结构，结构简单，使用灵活，能适合于复杂的流动环境，完全实现振动能到电能的有效转换，能量转换提高了20％-40％。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图6-图8说明，本实施方式的每个固定基座1还包括一个压紧环1-2和多个螺钉6，每个带颈法兰底座1-3的颈部1-3-3的端面上沿带颈法兰底座1-3的周向均布加工有N个定位槽1-3-1，每个金属弹性板1-1-1的一端布置在相对应的定位槽1-3-1内，压紧环1-2布置在带颈法兰底座1-3的颈部1-3-3的端面上并压紧N个金属弹性板1-1-1，压紧环1-2通过多个螺钉6与带颈法兰底座1-3的颈部1-3-3连接一体。如此设置，压电复合悬臂梁的金属弹性板固定牢靠稳定，有利于动能到电能的稳定有效转换。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图2和图5说明，本实施方式所述装置还包括两个滚动轴承7，通孔1-5与圆桶形罩壳1-4的桶壁之间的桶底上加工有环形凸台1-6，环形凸台1-6的延伸方向与圆桶形罩壳1-4的桶壁延伸方向相同；每套固定基座1的环形凸台1-6的内侧面与带颈法兰底座1-3的颈部1-3-3的内侧面之间装夹有一个滚动轴承7，滚动轴承7套装在轮轴2上。如此设置，轮轴2可相对固定基座1自由转动，旋转轮3能相对固定基座1自由转动，进而激励压电复合悬臂梁1-1的受激磁体片4进行振动产生电能，实现实现振动能到电能的有效转换。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。

具体实施方式八：结合图2说明，本实施方式所述装置还包括多个螺栓8，每套固定基座1的圆桶形罩壳1-4的桶壁与带颈法兰底座1-3的底盘通过多个螺栓8连接为一体。如此设置，连接方便可靠。其它与具体实施方式七相同。

工作原理

本发明的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置在制造的时候，压电悬臂梁为三层复合结构，中间层为弹性金属层作为基体(材料为磷青铜)，上下层为压电陶瓷。用粘合剂将压电陶瓷层粘贴在弹性金属层上，粘合剂可由环氧树脂材料和低分子聚酰胺树脂材料按照体积2：1的比例混合而成。在黏贴压电陶瓷片时，要注意粘合剂的涂抹要均匀。在粘贴压电陶瓷片时，采用串联连接的压电双晶片，铜板上下表面的压电陶瓷片极化方向相反，若是并联连接，则铜板上下表面的压电陶瓷片极化方向相同。本发明的压电复合悬臂梁一端通过压紧环固定在带颈法兰底座的定位槽中，且围绕旋转轮的连接轴、轮轴及带颈法兰底座的周向均匀分布。在安装时，要注意压电复合悬臂梁自由端受激磁体片相对于旋转轴的空间位置要与翼型板端部的位置相同，同时两者的距离不能太大，以便更大效率低将旋转轮的转动能转换为压电悬臂梁的自由振动能。

Claims (8)

1.旋转轮非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：它包括旋转轮(3)、两套固定基座(1)、两个轮轴(2)、2N个受激磁体片(4)和2N个激振磁体片(5)；其中N为正整数，且N≥8；

旋转轮(3)包括支撑轴架(3-1)和N个轮板(3-2)；

每套固定基座(1)包括圆桶形罩壳(1-4)、带颈法兰底座(1-3)和N个压电复合悬臂梁(1-1)，圆桶形罩壳(1-4)的桶底的中部加工有通孔(1-5)；

每个压电复合悬臂梁(1-1)包括金属弹性板(1-1-1)和两个压电陶瓷片(1-1-2)，每个金属弹性板(1-1-1)的一端安装在带颈法兰底座(1-3)的颈部(1-3-3)的端面上，金属弹性板(1-1-1)的长度方向与带颈的法兰底座(1-3)的轴向垂直，N个金属弹性板(1-1-1)沿带颈法兰底座(1-3)的周向均布设置，每个金属弹性板(1-1-1)的另一端的相对的两侧面各粘接有压电陶瓷片(1-1-2)，压电陶瓷片(1-1-2)的片面与带颈法兰底座(1-3)的轴线垂直，远离带颈法兰底座(1-3)的底盘的每个压电陶瓷片(1-1-2)上固装有一个受激磁体片(4)；

每套固定基座(1)的圆桶形罩壳(1-4)的桶壁与带颈法兰底座(1-3)的底盘密封连接为一体，两套固定基座(1)平行设置，每个通孔(1-5)上转动安装有一个轮轴(2)，两个轮轴(2)正对布置，两个轮轴(2)与两个圆桶形罩壳(1-4)四者同轴设置，两个轮轴(2)之间固装有与二者连接的支撑轴架(3-1)，支撑轴架(3-1)上沿轮轴(2)的周向固装有N个轮板(3-2)，轮板(3-2)的长度方向与轮轴(2)的轴向平行，每个轮板(3-2)的与圆桶形罩壳(1-4)相邻的两端面各固装有一个激振磁体片(5)，激振磁体片(5)与受激磁体片(4)极性相同。

2.根据权利要求1所述的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：压电复合悬臂梁(1-1)的数量为八个。

3.根据权利要求1或2所述的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：每个金属弹性板(1-1-1)为磷青铜弹性板。

4.根据权利要求3所述的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：每个轮板(3-2)为翼型板。

5.根据权利要求1、2或4所述的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：所述支撑轴架(3-1)包括连接轴(3-1-1)、两个套筒(3-1-2)和2N个支杆(3-1-3)，连接轴(3-1-1)的两端各固装有套筒(3-1-2)，每个套筒(3-1-2)插接在相对应的轮轴(2)上，且连接轴(3-1-1)、两个套筒(3-1-2)和两个轮轴(2)五者同轴设置，两个套筒(3-1-2)的外周侧面上各固装有N个支杆(3-1-3)，每个轮板(3-2)与两个套筒(3-1-2)上相正对布置的两个支杆(3-1-3)连接。

6.根据权利要求5所述的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：每个固定基座(1)还包括一个压紧环(1-2)和多个螺钉(6)，每个带颈法兰底座(1-3)的颈部(1-3-3)的端面上沿带颈法兰底座(1-3)的周向均布加工有N个定位槽(1-3-1)，每个金属弹性板(1-1-1)的一端布置在相对应的定位槽(1-3-1)内，压紧环(1-2)布置在带颈法兰底座(1-3)的颈部(1-3-3)的端面上并压紧N个金属弹性板(1-1-1)，压紧环(1-2)通过多个螺钉(6)与带颈法兰底座(1-3)的颈部(1-3-3)连接一体。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：所述装置还包括两个滚动轴承(7)，通孔(1-5)与圆桶形罩壳(1-4)的桶壁之间的桶底上加工有环形凸台(1-6)，环形凸台(1-6)的延伸方向与圆桶形罩壳(1-4)的桶壁延伸方向相同；每套固定基座(1)的环形凸台(1-6)的内侧面与带颈法兰底座(1-3)的颈部(1-3-3)的内侧面之间装夹有一个滚动轴承(7)，滚动轴承(7)套装在轮轴(2)上。

8.根据权利要求7所述的旋转轮非接触激振式流体动能转换装置，其特征在于：所述装置还包括多个螺栓(8)，每套固定基座(1)的圆桶形罩壳(1-4)的桶壁与带颈法兰底座(1-3)的底盘通过多个螺栓(8)连接为一体。