CN104485849B - 一种用于远程抄表系统的管道流发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉一种用于远程抄表系统的管道流发电机，属发电技术领域。主体上设有流体腔和俘能腔，流体腔侧壁上设有进出口、装有下端盖；俘能腔侧壁设有轴向销孔、装有上端盖，上端盖装有电路板；主体隔板上设圆台，圆台上设轴向导槽、轴承孔和空腔，主轴经轴承装在下端盖和圆台上，主轴上装有磁环和叶轮，压电振子两端铆有销轴和磁块，磁块置于圆台导槽中，销轴置于俘能腔销孔中并经上端盖压紧；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
技术领域
本发明属于能量回收技术领域，具体涉及一种用于远程抄表系统的管道流发电机。
背景技术
天然气和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。人工抄表不仅效率低下、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远程自动抄表系统，如中国专利201310028760.9及200910083183.7所提出的自来水抄表系统、中国专利200810191713.5及200910143435.0所提出的煤气抄表系统，等等。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还未得到很好的解决：不论新建住宅还是老的住宅，都没有为自动抄表系统预铺设电缆，采用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；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
针对远程自动抄表系统供电难题，本发明提出一种用于远程抄表系统的管道流发电机。本发明采用的实施方案是：主体的隔板将主体分隔成流体腔和俘能腔，流体腔的侧壁上设有进口和出口，所述进出口的中心同轴，流体腔的侧壁端部经螺钉安装有下端盖，下端盖与流体腔的侧壁端面间设有密封垫，下端盖的中心处镶嵌有轴承；俘能腔的侧壁上均布地设有轴向销孔，俘能腔的侧壁端部经螺钉安装有上端盖，上端盖的沉孔凸台上经螺钉安装有电路板；主体的隔板上设有圆台，圆台置于俘能腔内，圆台的侧壁上均布地设有轴向导槽，圆台的中心处设有与流体腔连通的轴承孔和空腔，轴承孔中嵌有轴承，主轴通过两个轴承安装在下端盖和圆台上，主轴上置于圆台上的空腔内的一端装有带有内花键的磁环，主轴上通过平键安装有叶轮的轮毂，轮毂上的叶片置于流体腔内；两个在其圆弧凸起处粘接有压电片的金属片经铆钉铆接构成压电振子，压电振子经导线组与电路板连接，压电振子通过与其两端所铆接的销轴和磁块构成换能器；换能器上的磁块置于圆台侧壁上的轴向导槽中，换能器上的销轴置于俘能腔侧壁上的轴向销孔中并经上端盖压在主体的隔板上；换能器上销轴的长度大于磁块的轴向宽度，各换能器上磁块的磁极配置方向相同、且与安装在主轴上磁环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机械能量发电、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式中hp和hm分别为压电片和金属片的厚度，α＝hm/(hm+hp)，β＝Em/Ep，Ep和Em分别为压电片和金属片的杨氏模量，Tp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，利用压电振子将流体流动的动能转换成电能，用于自来水及煤气等抄表系统供电，无需铺设电缆或电池。总体方式是：通过流动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，故所述磁环转动过程中与换能器上磁块之间的吸引力交替地增加和减小、即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h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压电振子发电，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是图3的俯视图；
图5是本发明一个较佳实施例中压电换能器的结构示意图；
图6是图5的俯视图；
具体实施方式
主体1的隔板1i将主体1分隔成流体腔1c和俘能腔1d，流体腔1c的侧壁1j上设有进口1a和出口1b，流体腔1c的进口1a和出口1b的中心同轴，流体腔1c的侧壁1j的端部经螺钉安装有下端盖10，下端盖10与流体腔1c的侧壁1j的端面间设有密封垫12，下端盖10的中心处镶嵌有轴承9；俘能腔1d的侧壁1h上均布地设有轴向销孔1k，俘能腔1d的侧壁1h的端部经螺钉安装有上端盖2，上端盖2的沉孔凸台上经螺钉安装有电路板4；主体1的隔板1i上设有圆台1e，圆台1e置于俘能腔1d内，圆台1e的侧壁上均布地设有轴向导槽1f，圆台1e的中心处设有与流体腔1d连通的轴承孔1m和空腔1g，轴承孔1m中嵌有轴承9，主轴7通过两个轴承9安装在下端盖10和圆台1e上，主轴7上置于圆台1e上的空腔1g内的一端装有带有内花键的磁环6，主轴7上通过平键8安装有叶轮11的轮毂11a，轮毂11a上的叶片11b置于流体腔1c内；
两个在其圆弧凸起处粘接有压电片h2的金属片h1经铆钉h3铆接构成压电振子h，压电振子h经导线组L与电路板4连接，压电振子h通过与其两端所铆接的销轴3和磁块5构成换能器H；换能器H上的磁块5置于圆台1e的侧壁上的轴向导槽1f中，换能器H上的销轴3置于俘能腔1d的侧壁1h上的轴向销孔1k中并经上端盖2压在主体1的隔板1i上；换能器H上销轴3的长度大于磁块5的轴向宽度，各换能器H上磁块5的磁极配置方向相同、且均与安装在主轴7上的磁环6的异性磁极靠近安装，主轴7转动时磁块5始终承受来自于磁环6的吸引力。
为使压电振子h最大限度地利用机械能量发电、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，式中hp和hm分别为压电片h2和金属片h1的厚度，α＝hm/(hm+hp)，β＝Em/Ep，Ep和Em分别为压电片h2和金属片h1的杨氏模量，Tp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将流体流动的动能转换成电能，用于自来水及煤气等抄表系统供电，无需铺设电缆或电池。总体方式是：通过流动的流体驱动叶轮11带动主轴7及安装于主轴7上的磁环6转动，因磁环6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6转动过程中与换能器H上磁块5之间的吸引力交替地增加和减小、即压电振子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L输出给电路板4，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11、主轴7及磁环6等驱动部件都被封闭在流体腔1c一侧，不会泄露到俘能腔1d一侧，从而提高电路板4及压电振子h等发电与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，装机后非工作时压电振子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7转动时磁环6同时激励多个压电振子h发电，故发电与供电能力强、无机械冲击及噪音。
Claims (1)
1.一种用于远程抄表系统的管道流发电机，其特征在于：主体隔板将主体分隔成流体腔和俘能腔，流体腔侧壁上设有进口和出口，所述进出口的中心同轴，流体腔侧壁端部经螺钉安装有下端盖，下端盖与流体腔侧壁端面间设有密封垫，下端盖中心处镶有轴承；俘能腔侧壁上均布地设有轴向销孔，俘能腔侧壁端部经螺钉装有上端盖，上端盖的沉孔凸台上经螺钉装有电路板；主体隔板上设有圆台，圆台置于俘能腔内，圆台侧壁上均布地设有轴向导槽，圆台中心处设有与流体腔连通的轴承孔和空腔，轴承孔中镶有轴承，主轴通过轴承安装在下端盖和圆台上，主轴上置于圆台上的空腔内的一端装有带有内花键的磁环，主轴上通过平键装有叶轮轮毂，轮毂上的叶片置于流体腔内；两个在其圆弧凸起处粘接有压电片的金属片经铆钉铆接构成压电振子，压电振子经导线组与电路板连接，压电振子通过与其两端所铆接的销轴和磁块构成换能器；换能器上的磁块置于圆台侧壁上的轴向导槽中，换能器上的销轴置于俘能腔侧壁上的轴向销孔中并经上端盖压在主体隔板上；换能器上销轴的长度大于磁块的轴向宽度，各换能器上磁块的磁极配置方向相同、且与安装在主轴上磁环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；装机前金属片上圆弧凸起的最小半径应为式中hp和hm分别为压电片和金属片的厚度，α＝hm/(hm+hp)，β＝Em/Ep，Ep和Em分别为压电片和金属片的杨氏模量，Tp分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力。
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