CN106452181B - 一种基于多圆柱尾流激振的风致振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风致振动能量采集器，特别是一种基于多圆柱尾流激振的风致振动能量采集器，适用于传感器等需从外界环境获取能量的低功耗电子设备；该装置由外部框架柱、中心圆柱、压电换能器、联系弹簧、框架杆组成；本发明利用环境中的风载作用于外部框架柱，气流在外部框架柱表面分离，在外部框架柱尾部产生交替脱落的旋涡，中心圆柱在框架柱尾流作用下产生振动，圆柱的振动带动弧形金属片的形变，粘贴于弧形金属片上的压电元件发生形变并极化，对外输出电压；本发明采用的外部框架柱包围内部中心圆柱构成的风能采集器，结构简单、紧凑、易于封装，可实现不同风速和不同风向的风能采集，能大幅提高能源的利用率和装置的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种风致振动能量采集器，特别是一种基于多圆柱尾流激振的风致振动能量采集器，适用于传感器等需从外界环境获取能量的低功耗电子设备。
背景技术
随着微机电系统的发展，用于无线传感网络的传感节点逐渐受到人们的重视，在交通、医疗、信息、环境、航空航天等军民领域有着广泛的应用需求，成为国内外研究的热点。由于无线传感网络的节点数目庞大，分布区域广，工作环境恶劣，工作周期长，而传统化学电池存在体积大、寿命短、功率密度低等问题，已成为制约微系统发展的技术瓶颈。将外界的环境能转换为电能的新型能量采集装置是解决对微型器件持续供电问题的有效方案。
根据能量采集结构的不同，风能收集器可以分为转动式和振动式两类。转动式的风能收集器是通过扇叶获取风能，然后通过转轴连接电磁发电机，或者是由凸轴系统转化为振动能量后由振动能量收集器转化为电能。典型的转动式风能收集器是大型的风力发电机，主要由风扇、电磁发电机和转动机构等组成。风扇系统收集风能发生旋转，通过转动机构带动电磁发电机转动发电。传统的转动式风能收集器存在结构复杂、能量损耗高、微结构加工难度大等问题。振动式的微型风能收集器是通过涡激共振、驰振、颤振等典型的风致振动机理，将风能转化为振动能量，再由振动能量收集器转为电能。
涡激振动是一种普遍的风致振动现象。在一定的雷诺系数范围内，当流体流经钝体时，会在钝体尾流中产生交替脱落的旋涡，同时在钝体表面产生周期性的压力变化。当涡脱频率与钝体的振动频率接近时，会发生涡激共振现象。涡激振动对风速稳定性要求高，风速偏大或偏小都不能达到理想的效果，而自然界的风是随着时间不断变化的，因此基于涡激振动的风能采集器对多变的环境适应性较差。
颤振现象是一种自激的发散振动，具有大振幅和大变形的特征。在一定临界风速以上，并且作用在结构上流体的压力与结构的振动方向一致时，结构就会从流体中吸取能量，增加结构的振幅。此外结构的非线性会将振幅限制在有限的范围内，因而基于颤振机理的风能采集器对起振风速和结构的刚度要求较高。
因此，为了使得装置具有振幅大、功率密度高、满足各方来流的优点，有必要开发新的装置满足上述要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有基于风致振动原理能量采集器的不足，提供一种满足大振幅、高功率、多方来流条件的基于多圆柱尾流激振的风致振动能量采集器。本装置能显著提高结构振动的振幅和输出频率，更重要的是满足多方来流的优点，使得结构能主动采集不同方向的来流，提高能量利用率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于多圆柱尾流激振的风致振动能量采集器，包括外部框架柱、中心圆柱、压电换能器、联系弹簧、框架杆；所述外部框架柱不少于三根，所述框架杆分别将外部框架柱的上端及下端两两固定连接，形成立方体外部框架结构；所述中心圆柱位于立方体外部框架结构的几何中心，中心圆柱与外部框架柱平行设置，中心圆柱略短于外部框架柱；所述联系弹簧一端通过连接件连接于中心圆柱端部，另一端通过连接件连接于外部框架柱端部；所述压电换能器一端固接于中心圆柱上，另一端固接于外部框架柱上。
所述压电换能器的结构包括两根细杆、弧形金属片和压电元件，其中一根细杆与外部框架柱等长，另一根细杆与中心圆柱等长，两根细杆的外侧设有碰珠销，所述外部框架柱和中心圆柱的外表面预留与所述细杆等尺寸的贯通槽，贯通槽上开孔与细杆上的碰珠销配合用于固定细杆；所述弧形金属片两端分别与两根细杆固接，弧形金属片在对角线的四个方向上至少安装一片；所述压电元件通过导电胶分别粘贴于弧形金属片的内外表面，所述压电元件沿弧形金属片径向极化。
该风致振动式能量采集装置的工作原理是：装置所在环境的风载作用于外部框架柱，气流在外部框架柱表面分离，在外部框架柱尾部产生交替脱落的旋涡，中心圆柱在外部框架柱尾流作用下产生振动，中心圆柱的振动带动弧形金属片的形变，粘贴于弧形金属片上的压电元件发生形变并极化，对外输出电压。联系弹簧一方面抵消了中心圆柱的重量，另一方面限制了中心圆柱的振幅，防止中心圆柱与外部框架柱的碰撞破坏和弧形金属片产生塑性形变甚至大变形破坏。
本发明与现有技术提供的风致振动能量采集器相比具有以下优点：
1、本发明采用的外部框架柱包围内部中心圆柱构成的风能采集器，结构简单、紧凑，易于实现，结构整体呈立方体状，便于封装。
2、本发明采用的外部框架柱包围内部中心圆柱构成的风能采集器，实现了结构全风向的风能采集，大幅提高了能源的利用率和装置的输出功率。
3、本发明利用中心圆柱在外部框架柱的尾流作用下产生尾流激振收集风能。根据来流风速和风向的不同，可以产生不同类型的尾流激振，如尾流致涡激共振、尾流驰振和尾流颤振，可以适应不同的风速大小和不同的来流风向，因而可以大大提高能源收集效率。
4、本发明采用联系弹簧作为支撑部件，一方面抵消了中心圆柱的重量，另一方面限制了中心圆柱的振幅，防止中心圆柱与外部框架柱的碰撞破坏和弧形金属片产生塑性形变甚至大变形破坏。
5、本发明采用碰珠销的固定方式解决压电换能器与中心圆柱和外部框架柱的连接问题，一方面使压电换能器具有可替换性，避免压电换能器出现故障后需对装置整体更换的弊端，最大程度地保证了装置的可拆解性。另一方面将细杆完全嵌入中心圆柱能将压电换能器结构本身对中心圆柱外部风场的影响降到最低，保证结构能产生理想的风致振动情况。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明装置立面示意图。
图3为本发明装置俯视示意图。
图4为本发明细杆结构示意图。
图5为本发明装置横截面A-A示意图。
图6为本发明细杆横截面B-B示意图。
图7为本发明中心圆柱端部带孔连接件详图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：
参考图1、图2和图5，为了解决现有风致振动式压电发电机结构复杂、输出电压低、功率密度低、来流方向单一的问题，本发明提供的一种基于多圆柱尾流激振的风致振动能量采集器，包括外部框架柱1、中心圆柱2、压电换能器3、联系弹簧4、框架杆5；所述外部框架柱1不少于三根，所述框架杆5分别将外部框架柱1的上端及下端两两固定连接，形成立方体外部框架结构；所述中心圆柱2位于立方体外部框架结构的几何中心，中心圆柱2与外部框架柱1平行设置，中心圆柱2略短于外部框架柱1；所述联系弹簧4一端通过连接件9连接于中心圆柱2端部，另一端通过连接件9连接于外部框架柱1端部；所述压电换能器3一端固接于中心圆柱2上，另一端固接于外部框架柱1上。
参考图3，在本实施例中外部框架柱1设置有4个，中心圆柱2设置有1个，压电换能器3有四个，设置在中心圆柱2和外部框架柱1之间，4个外部框架柱1上下表面位于同一表面，中心圆柱2位于外部框架柱1形成的封闭空间的几何中心，中心圆柱2上下表面距离外部框架柱1上下表面所在的两平面等距。
如图2所示，联系弹簧4设置有8个，分别位于上下表面的4个对角线上，联系弹簧4通过勾住嵌于中心圆柱2端部和外部框架柱1表面的连接件9将中心圆柱2和外部框架柱1连接为一整体。联系弹簧4一方面抵消了中心圆柱2的重量，另一方面限制了中心圆柱1的振幅，防止中心圆柱2与外部框架柱1的碰撞破坏和压电换能器3产生塑性形变甚至大变形破坏。
如图4和图6所示，所述压电换能器3的结构包括两根细杆6、弧形金属片和压电元件，其中一根细杆6与外部框架柱1等长，另一根细杆6与中心圆柱2等长，两根细杆6的外侧设有碰珠销8，所述外部框架柱1和中心圆柱2的外表面预留与所述细杆6等尺寸的贯通槽7，贯通槽7上开孔与细杆6上的碰珠销8配合用于固定细杆6；所述弧形金属片两端分别与两根细杆6固接，弧形金属片在对角线的四个方向上至少安装一片；所述压电元件通过导电胶分别粘贴于弧形金属片的内外表面，所述压电元件沿弧形金属片径向极化。两压电元件的极化方向可相同，其电极形成并联结构；两压电元件的极化方向也可以相反，其电极形成串联结构。
如图7所示，所述中心圆柱2为一空心壳体结构，所述外部框架柱1为实心圆柱，保证结构具有足够的刚度和强度抵抗风载并且外部框架不会产生明显振动而只允许中心圆柱产生大幅振动。
实施例二：
与上述实施例不同之处在于，处于中心圆柱2和外部框架柱1之间的固接压电换能器3的数量有所变化；压电换能器3沿四个对角线方向不一定局限于1个，也可以是2个或者3个。其特点是风载作用于外部框架柱1，在尾流中形成卡门涡街，涡街作用于中心圆柱2，导致中心圆柱2发生尾流激振，带动压电换能器3形变并输出电压。同时中心圆柱2与外部框架柱1之间的连接件随着压电换能器3数量的改变而改变。
实施例三：
与上述实施例不同之处在于，与压电换能器3固接的细杆6截面形状可以为圆形，也可以为矩形或者梯形。相应的中心圆柱2和外部框架柱1上对应部分预留与细杆6尺寸一致的贯通槽7用于固定细杆6。其特点是固接有压电换能器3的细杆6能在尽量不改变中心圆柱2外表面形状的前提下与中心圆柱2和外部框架柱1良好结合，尽可能将压电换能器3对中心圆柱2外部风场的影响降到最低。
Claims (2)
1.一种基于多圆柱尾流激振的风致振动能量采集器，其特征在于，包括外部框架柱（1）、中心圆柱（2）、压电换能器（3）、联系弹簧（4）、框架杆（5）；所述外部框架柱（1）不少于三根，所述框架杆（5）分别将外部框架柱（1）的上端及下端两两固定连接，形成立方体外部框架结构；所述中心圆柱（2）位于立方体外部框架结构的几何中心，中心圆柱（2）与外部框架柱（1）平行设置，中心圆柱（2）略短于外部框架柱（1）；所述联系弹簧（4）一端通过连接件（9）连接于中心圆柱（2）端部，另一端通过连接件（9）连接于外部框架柱（1）端部；所述压电换能器（3）一端固接于中心圆柱（2）上，另一端固接于外部框架柱（1）上。
2.根据权利要求1所述的基于多圆柱尾流激振的风致振动能量采集器，其特征在于，所述压电换能器（3）的结构包括两根细杆（6）、弧形金属片和压电元件，其中一根细杆（6）与外部框架柱（1）等长，另一根细杆（6）与中心圆柱（2）等长，两根细杆（6）的外侧设有碰珠销（8），所述外部框架柱（1）和中心圆柱（2）的外表面预留与所述细杆（6）等尺寸的贯通槽（7），贯通槽（7）上开孔与细杆（6）上的碰珠销（8）配合用于固定细杆（6）；所述弧形金属片两端分别与两根细杆（6）固接，弧形金属片在对角线的四个方向上至少安装一片；所述压电元件通过导电胶分别粘贴于弧形金属片的内外表面，所述压电元件沿弧形金属片径向极化。
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