CN104901584B - 一种气流谐振发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气流谐振发电装置，包括环音振荡器和换能器；环音振荡器包括环形喷咀、谐振体和圆柱体；圆柱体和环形喷咀之间形成环形气道；谐振体为一空腔结构，其腔壁上端具有环形尖劈，气流通过环形气道后冲压环形尖劈处，环形尖劈产生音频扰动使空腔的内部空气进入谐振状态；换能器包括介电弹性体和导电极，在所述空腔内的空气进入谐振状态时，空气脉动形成的交变载荷驱动介电弹性体谐振，产生交变的形变，当介电弹性体收缩时，介电弹性体所做的机械功转换成电能，通过导电极导出。本发明解决了现有气流谐振压电发电机的压电振子抗高过载的问题，具有结构简单、能量密度高、体积小、成本低、重量轻、不会产生交变磁场的特点。

Description

一种气流谐振发电装置

技术领域

本发明属于物理电源领域，具体涉及一种气流谐振发电装置。

背景技术

气流谐振发电机也称为射流发电机，为物理电源的一种。它是一种将气动能转换为电能的装置，可飞行过程给飞行器电路供电。

雷军命在“引信气流谐振压电发电机”一文中介绍了一种气流谐振压电发电机，该发电机用压电振子替代气流谐振发电机中的磁电转换机构。通过实验室模拟吹风试验证明：该发电机输出功率较大，可满足低功耗引信的使用，且结构简单、体积小、成本低、重量轻，不会产生交变磁场。但是该机构目前还解决不了压电振子的抗高过载问题，应用前景受到一定限制。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种气流谐振发电装置，解决了现有气流谐振压电发电机的压电振子抗高过载的问题，具有结构简单、能量密度高、体积小、成本低、重量轻、不会产生交变磁场的特点。

一种气流谐振发电装置，包括环音振荡器和换能器；

环音振荡器包括环形喷咀、谐振体和圆柱体；圆柱体位于环形喷咀内，圆柱体的外壁和环形喷咀的内壁之间形成一个环形气道；谐振体位于环形喷咀的下方且为一空腔结构，其环形腔壁的上端具有环形尖劈，气流通过环形气道后冲压环形尖劈处，环形尖劈产生音频扰动使空腔的内部空气进入谐振状态；

换能器包括介电弹性体和导电极，介电弹性体安装于所述谐振体的空腔内，所述介电弹性体表面涂覆有导电极，在所述空腔内的空气进入谐振状态时，空气脉动形成的交变载荷驱动介电弹性体谐振，产生交变的形变，当介电弹性体收缩时，介电弹性体所做的机械功转换成电能，通过导电极导出。

本发明的技术效果体现在：

本发明采用飞行器飞行的过程中产生的高速气流驱动介电弹性体产生谐振，实现介电弹性体的机械能向电能的转换，可实现飞行过程给飞行器供电。由于避免使用压电振子这一类压电陶瓷材料，避免了高过载条件下的破碎。本发明结构简单、能量密度高、体积小、成本低、重量轻，不会产生交变磁场。本发明将介电弹性体用于飞行器发电将大大丰富物理电源产品品种，扩展物理电源系列，为飞行器的电源发展提供更多的选择。

附图说明

图1为本发明气流谐振发电装置的结构图；

图2为本发明气流谐振发电装置增设偏置电压电路和整流电路的结构框图；

图3为本发明偏置电压电路和整流电路的具体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明包括环音振荡器2-1和换能器2-2。

环音振荡器2-1包括环形喷咀2-1A、谐振体2-1B和圆柱体2-1C；圆柱体2-1C位于环形喷咀2-1A内，圆柱体2-1C的外壁和环形喷咀2-1A的内壁之间形成一个环形气道；谐振体2-1B位于环形喷咀2-1A的下方，谐振体2-1B为一空腔结构，其环形腔壁的上端具有环形尖劈，气流通过环形气道后冲压环形尖劈处，环形尖劈产生音频扰动使空腔的内部空气进入谐振状态。

换能器2-2包括介电弹性体2-2A和导电极2-2B，介电弹性体2-2A安装于所述谐振体2-1B的空腔内，所述介电弹性体2-2A表面涂覆有导电极2-2B，在所述空腔内的空气进入谐振状态时，空气脉动形成的交变载荷驱动介电弹性体2-1B谐振，产生交变的形变，当介电弹性体2-1B收缩时，介电弹性体2-1B所做的机械功转换成电能，通过导电极2-2B导出。所述介电弹性体的安装可采用本发明所述的上框架2-2C和下框架2-2D夹持并通过螺钉锁紧的方式实现，也可采用其它惯用的机械安装方式。

所述换能器安装在谐振体的空腔内，空气在谐振体的空腔内形成与空腔振动频率相同的声波振动的空气谐振频率f与空腔的深度L满足下式：

式中，C是声速，L是空腔的深度，k是与气流压力有关的常数，k与环形气道的气隙大小、谐振体的环形尖劈的角度及谐振体与环形喷咀间的距离有关，k一般由实验测得。

介电弹性体最低振型下的固有频率ω依据下式确定：式中，R为涂敷导电极的介电弹性体的区域的半径；D为介电弹性体的弯曲刚度；ρ为介电弹性体的密度；h为介电弹性体的厚度。介电弹性体最低振型下的固有频率ω与谐振体的空腔内的空气谐振频率f相同。如此采用，当谐振体的空腔的固有频率(空气振荡频率)与介电弹性体的固有频率相一致时，产生谐振现象。此时，介电弹性体振动的幅度达到最大值，即介电弹性体的变形量最大，激发的电量也最多。

请参照图2和3，还可在所述气流谐振发电装置基础上增设偏置电压电路，其向气流谐振发电装置提供初始激励电压。按照本发明的一种较佳实施方式，偏置电压电路包括依次串接的电池组U1、开关S和二极管V1，它们再与导电极2-2B串接成一回路。偏置电压装置1上接入二极管V1，目的是避免当介电弹性体2-2A变形减小或消失时，介电弹性体2-2A反向向电池组U1放电，而使气流谐振可变电容发电装置2上储存的电量下降或消失。

请参照图2和3，还可在所述气流谐振发电装置基础上增设与导电极形成回路的整流电路，将交流电转换为直流电。本发明整流电路3优选地采用由二极管V2、二极管V3、二极管V4和二极管V5构成的全波整流电路。采用二极管全波整流电路的目的是：当介电弹性体2-2A反向变形时，介电弹性体2-2A两极面激发电荷的正负极性互换，相当于在一个振动周期内，介电弹性体2-2A可向储能电容C1充电两次，提高了气流谐振可变电容发电装置2的电能输出。

请参照图2和3，整流电路3的输出端还连接输出电路，所述输出电路4包括负载以及与负载并联的储能电容C1。

按照本发明的较佳实施方式,电容以及二极管采用表面贴装元器件，采用环氧树脂整体灌封。如此采用，能提高整个发电装置的抗过载能力。

本发明使用时，整个装置放置在飞行器的头部，飞行器的头部开有气孔，当飞行器飞行时，高速气流通过导弹或飞行器头部进入由圆柱体2-1C和环形喷咀2-1A构成的环形气道内，冲压气流冲击谐振体2-1B的头部环形尖劈处，环形尖劈产生音频扰动使谐振体2-1B的空腔内部空气进入谐振状态，空气的脉动形成的交变载荷，再驱动换能器2-2上的介电弹性体2-2A谐振，产生交变的形变。当介电弹性体2-2A收缩时，介电弹性体2-2A所做的机械功就转换成介电弹性体上2-2A贮存的电能，由此实现介电弹性体2-2A的机械能向电能的转换。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种气流谐振发电装置，其特征在于，包括环音振荡器(2-1)和换能器(2-2)；

环音振荡器(2-1)包括环形喷咀(2-1A)、谐振体(2-1B)和圆柱体(2-1C)；圆柱体(2-1C)位于环形喷咀(2-1A)内，圆柱体(2-1C)的外壁和环形喷咀(2-1A)的内壁之间形成一个环形气道；谐振体(2-1B)位于环形喷咀(2-1A)的下方且为一空腔结构，其环形腔壁的上端具有环形尖劈，气流通过环形气道后冲压环形尖劈处，环形尖劈产生音频扰动使空腔的内部空气进入谐振状态；

换能器(2-2)包括介电弹性体(2-2A)和导电极(2-2B)，介电弹性体(2-2A)安装于所述谐振体(2-1B)的空腔内，所述介电弹性体(2-2A)表面涂覆有导电极(2-2B)，在所述空腔内的空气进入谐振状态时，空气脉动形成的交变载荷驱动介电弹性体(2-2A)谐振，产生交变的形变，当介电弹性体(2-2A)收缩时，介电弹性体(2-2A)所做的机械功转换成电能，通过导电极(2-2B)导出；

还包括与所述导电极形成回路的整流电路，所述整流电路为二极管全波整流电路，电容以及二极管采用表面贴装元器件，电容以及二极管采用环氧树脂整体灌封；

所述介电弹性体最低振型下的固有频率ω依据下式确定：式中，R为涂敷导电极的介电弹性体的区域的半径；D为介电弹性体的弯曲刚度；ρ为介电弹性体的密度；h为介电弹性体的厚度。

2.根据权利要求1所述的气流谐振发电装置，其特征在于，所述介电弹性体(2-2A)在最低振型下的固有频率ω与谐振体(2-1B)空腔内的空气谐振频率f相同，所述空腔谐振体(2-1B)的空腔深度L与空气谐振频率f满足：式中，C是声速，k是气流压力相关常数。

3.根据权利要求1所述的气流谐振发电装置，其特征在于，还包括与所述导电极形成回路的偏置电压电路，用于向所述导电极提供初始激励电压。

4.根据权利要求3所述的气流谐振发电装置，其特征在于，所述偏置电压电路包括依次串接的电池组(U1)、开关(S)和二极管(V1)。

5.根据权利要求1或2或3所述的气流谐振发电装置，其特征在于，还包括与所述整流电路的输出端连接的输出电路。