CN104485845A - 一种压电式管道水流发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电式管道水流发电机，属于发电技术领域。主体上设有流体腔和俘能腔，流体腔侧壁上设有进出口，流体腔侧壁端部装有下盖；俘能腔侧壁端部装有上盖，俘能腔侧壁内侧的两台阶上分别装有电路板和端部装有磁块的换能器，换能器由两个弯曲型压电振子构成；主体隔板上设圆台，圆台上设导向槽、轴承孔和空腔，磁块置于圆台导向槽中；主轴经轴承装在下盖和圆台上，主轴上装有磁环和叶轮，磁块与磁环异性磁极靠近安装。特色与优势：通过非接触磁力耦合激励预弯型压电振子伸缩变形发电，运动部件密封在流体腔内、无泄漏、电路系统运转可靠性高，压电片仅承受压应力、机械可靠性高，磁环同时激励多个压电振子、发电能力强、无噪音。

Description

一种压电式管道水流发电机

技术领域

本发明属于能量回收技术领域，具体涉及一种压电式管道水流发电机，用于自来水抄表系统供电。

背景技术

自来水等是城市居民家中不可或缺的日常消费品，其消耗量的记录与统计目前还主要由人工来完成。目前的人工抄表作业不仅效率低下、人力物力浪费严重，更主要的是抄表员往往会因住户家中无人徒劳往返多次，严重地影响了数据统计的准确性及实时性。因此，近年来人们开发出了多种形式的自来水抄表系统，如中国专利201310028760.9及200910083183.7等。虽然上述抄表系统在数据处理及传输等方面的技术已日趋成熟，但目前尚无实际推广应用的报道，原因之一是其供电问题尚未得到很好的解决：新建及老式住宅都没有为自动抄表系统预铺设电缆，而铺设临时明线的方法因存在一定的安全隐患而难以被用户接纳，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信息的采集处理及发送。因此，为使自动远程抄表系统得以实际应用，必须首先解决其供电问题。

发明内容

针对自来水抄表系统等供电难题，本发明提出一种压电式管道水流发电机。本发明采用的实施方案是：主体的隔板将主体分隔成俘能腔和流体腔；流体腔侧壁上设有进口和出口，进口和出口的中心同轴；流体腔侧壁的端部经螺钉安装有下盖，下盖与流体腔侧壁的端面间设有密封垫，下盖的中心处镶有轴承；俘能腔外壁内侧设有凸台一和凸台二，主体隔板的中心处设有圆台，圆台置于俘能腔内，圆台外侧壁上均布地设有导向槽，圆台中心处设有相互连通的空腔和轴承孔，空腔与俘能腔不连通、轴承孔与流体腔连通，轴承孔中嵌有轴承；俘能腔外壁的端部经螺钉安装有上盖，俘能腔外壁内侧的凸台一的端面经螺钉安装有电路板，俘能腔外壁内侧的凸台二的端面上经螺钉及压环固定有换能器，换能器由两个弯曲型压电振子构成，每个压电振子都由基板和压电片粘接而成，换能器经导线组与电路板连接，同一换能器中两个压电片经导线相连；换能器的自由端经螺钉安装有磁块，磁块置于圆台上的导向槽中，各换能器上磁块的磁极配置方向相同；主轴通过两个轴承安装在下盖和圆台上，叶轮的轮毂经平键安装在主轴上，叶轮的叶片置于流体腔内，置于圆台空腔内的主轴轴端套有带内花键的磁环，磁环与磁块的异性磁极靠近安装，主轴转动时磁块始终承受来自于磁环的吸引力。

为使压电振子最大限度地利用流体动能发电、并避免压电片因拉应力过大而损坏，装机前金属片上圆弧凸起的最小半径应为 $R=\frac{h_m+h_p}{2}\{2\mathrm{\α}+\frac{1}{1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中h_p和h_m分别为压电片和金属片的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\frac{\mathrm{\α\β}}{(1+k_{31}^2)},$ β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。

在本发明中，利用压电振子将管道内水的流动能转换成电能，可用于自来水抄表系统等供电，无需铺设电缆或电池。总体方式是：通过水的流体驱动叶轮带动主轴及安装于主轴上的磁环转动，因磁环内孔中均匀地设有花键槽使其壁厚不等、即圆周方向各点的磁场强度不同，故所述磁环转动时与换能器自由端磁块之间的吸引力交替地增加和减小，从而使压电振子所受拉力及压电片所受的压应力交替地增加和减小，压电片所受压应力交替变化的过程中即将机械能转换成电能；压电振子生成的电能经导线组输出给电路板，经转换处理后用于自动抄表系统驱动。

本发明的特色是：通过非接触磁力耦合的方法激励压电振子产生伸缩变形发电，其优势在于：①叶轮、主轴及磁环等驱动部件都被封闭在流体腔一侧，不会泄露到俘能腔一侧，从而提高电路板及压电振子等发电与处理部件的运转可靠性；②压电振子为预弯曲结构，装机前的自然状态下压电片不受外力作用，装机后非工作时压电振子始终受拉力作用、压电片始终承受压应力，从而提高了压电振子的机械可靠性；③主轴转动时磁环同时激励多个换能器发电，故发电与供电能力强、无机械冲击及噪音。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构原理简图；

图2是图1的A-A视图；

图3是本发明一个较佳实施例中壳体的结构示意图；

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；

具体实施方式

主体1的隔板1h将主体1分隔成俘能腔c1和流体腔c2；流体腔c2的侧壁1i上设有进口1a和出口1b，流体腔c2的进口1a和出口1b的中心同轴；流体腔c2的侧壁1i的端部经螺钉安装有下盖9，下盖9与流体腔c2的侧壁1i的端面间设有密封垫8，下盖9的中心处镶嵌有轴承11；俘能腔c1的外壁1e的内侧设有凸台一1d和凸台二1c，主体1的隔板1h的中心处设有圆台1f，圆台1f置于俘能腔c1内，圆台1f的外侧壁上均布地设有导向槽1g，圆台1f中心处设有相互连通的空腔c3和轴承孔c4，空腔c3与俘能腔c1不连通、轴承孔c4与流体腔c2连通，轴承孔c4中嵌有轴承11；俘能腔c1的外壁1e的端部经螺钉安装有上盖4，俘能腔c1的外壁1e的内侧的凸台一1d的端面经螺钉安装有电路板3，俘能腔c1的外壁1e的内侧的凸台二1c的端面上通过螺钉及压环2安装有换能器H，换能器H由两个弯曲型压电振子h构成，每个压电振子h都由基板h1和压电片h2粘接而成，换能器H经导线组L1与电路板3连接，同一换能器H中两个压电片h2经导线L2相连；换能器H的自由端经螺钉安装有磁块5，磁块5置于圆台1f上的导向槽1g中，各换能器H上磁块5的磁极配置方向相同；主轴6通过两个轴承11安装在下盖9和圆台1f上，叶轮10的轮毂10a通过平键12安装在主轴6上，叶轮10的叶片10b置于流体腔c2内；置于圆台1f上的空腔c3内的主轴6的一端套有带有内花键的磁环7，磁环7与磁块5的异性磁极靠近安装，主轴6转动时磁块5始终承受来自于磁环7的吸引力。

为使压电振子h最大限度地利用流体动能发电、并避免压电片h2因拉应力过大而损坏，装机前金属片h1上圆弧凸起的最小半径应为 $R=(h_m+h_p)\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中h_p和h_m分别为压电片h2和金属片h1的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\frac{\mathrm{\α\β}}{(1+k_{31}^2)},$ β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片h2和金属片h1的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。

在本发明中，利用压电振子h将管道内水的流动能转换成电能，可用于自来水抄表系统等设备的供电，无需铺设电缆或电池。总体方式是：通过水的流动驱动叶轮10带动主轴6及安装于主轴6上的磁环7转动，因磁环7内孔中均匀地设有花键槽使其壁厚不等，即圆周方向各点的磁场强度不同，故所述磁环7转动时与换能器H自由端磁块5之间的吸引力交替地增加和减小，从而使压电振子h所受拉力及压电片h2所受的压应力交替地增加和减小，压电片h2所受压应力交替变化的过程中即将机械能转换成电能；压电振子h生成的电能经导线组L1输出给电路板3，经转换处理后用于自动抄表系统驱动。

本发明中通过非接触磁力耦合的方法激励压电振子h产生伸缩变形发电，具有以下优势：叶轮10、主轴6及磁环7等驱动部件都被封闭在流体腔c2一侧，不会泄露到俘能腔c1一侧，从而提高电路板3及压电振子h等发电与能量转换处理部件的运转可靠性；压电振子h为预弯曲结构，装机前的自然状态下压电片h2不受外力作用，装机后压电振子h始终受拉力作用、压电片h2始终承受压应力，从而提高了压电振子的机械可靠性；主轴6转动时磁环7同时激励多个换能器H发电，故发电与供电能力强、无机械冲击及噪音。

Claims (1)

1.一种压电式管道水流发电机，其特征在于：主体隔板将主体分隔成俘能腔和流体腔；流体腔侧壁上设有进口和出口，进口和出口的中心同轴；流体腔侧壁的端部经螺钉装有下盖，下盖与流体腔侧壁的端面间设有密封垫，下盖中心处嵌有轴承；俘能腔外壁内侧设有凸台一和凸台二，主体隔板中心处设有圆台，圆台置于俘能腔内，圆台外侧壁上均布地设有导向槽，圆台中心处设有相互连通的空腔和轴承孔，空腔与俘能腔不连通、轴承孔与流体腔连通，轴承孔中嵌有轴承；俘能腔外壁端部经螺钉安装有上盖，俘能腔外壁内侧的凸台一的端面经螺钉安装有电路板，俘能腔外壁内侧的凸台二的端面上经螺钉及压环固定有换能器，换能器由两个弯曲型压电振子构成，压电振子由基板和压电片粘接而成，换能器经导线组与电路板连接，同一换能器中两个压电片经导线相连；换能器自由端经螺钉安装有磁块，磁块置于圆台上的导向槽中，各换能器上磁块的磁极配置方向相同；主轴通过两个轴承安装在下盖和圆台上，叶轮轮毂经平键安装在主轴上，叶轮叶片置于流体腔内，置于圆台空腔内的主轴轴端套有带内花键的磁环，磁环与磁块的异性磁极靠近安装，主轴转动时磁块始终承受来自于磁环的吸引力；为使压电振子最大限度地利用流体动能发电、并避免压电片因拉应力过大而损坏，装机前金属片上圆弧凸起的最小半径应为 $R=(h_m+h_p)\{\mathrm{\α}+\frac{1}{2[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]}[{\mathrm{\α}}^2(1-\mathrm{\β})-1-\mathrm{\η}\frac{E_p}{T_p}\left]\right\},$ 式中h_p和h_m分别为压电片h2和金属片h1的厚度，α＝h_m/(h_m+h_p)， $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\frac{\mathrm{\α\β}}{(1+k_{31}^2)},$ β＝E_m/E_p，E_p和E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。