CN106849752A - 基于仿生鱼的流致振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于仿生鱼的流致振动能量采集装置，包括：基座、摆动梁、第一尾立柱、第二尾立柱和头立柱，其中：头立柱设置于基座前端，第一尾立柱和第二尾立柱对称设置于基座后端，第一尾立柱和第二尾立柱的顶端分别设有放大型换能器，摆动梁一端固定于头立柱顶端，摆动梁的自由端与两放大型换能器相对且位于两放大型换能器之间，摆动梁的自由端设有梁端永磁铁，摆动梁两侧对称设有翼翅，本发明结构新颖、简单，设计合理，利用磁力产生双稳态偏移，通过翼翅引导水动力，加深水流动与振动的转换，通过磁力将振动转换为周期性磁力作用到放大型换能器，具有更高的机电耦合系数，提高了能量密度，可靠性高，且容易绝缘密封，有利于电能的后续存储和使用。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种能量采集领域的技术，具体是一种基于仿生鱼的流致振动能量采集装置。
背景技术
能量采集设备可以从流体中采集能量。传统的风力发电和水力发电装置大多采用转动涡轮式装置，装置能量密度低、体积大，并不适用小型化工作。振动能量采集是一种采集流体能量的有效方式。
发明内容
本发明针对现有技术能量密度低，不容易绝缘密封，无被动控制引导水动力功能，不适用于水下能量采集等缺陷，提出一种基于仿生鱼的流致振动能量采集装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：基座、摆动梁、第一尾立柱、第二尾立柱和头立柱，其中：头立柱设置于基座前端，第一尾立柱和第二尾立柱对称设置于基座后端，第一尾立柱和第二尾立柱的顶端分别设有放大型换能器，摆动梁一端固定于头立柱顶端，摆动梁的自由端与两放大型换能器相对且位于两放大型换能器之间，摆动梁的自由端设有梁端永磁铁，摆动梁两侧对称设有翼翅。
所述的翼翅为弧形板，弧形板的凸面朝向基座后端。
所述的翼翅的张角α小于90度。
所述的翼翅刚度与摆动梁刚度之比大于2。
所述的放大型换能器包括：压电片、换能器永磁铁、第一凸型金属片和第二凸型金属片，其中：压电片固定于两凸型金属片之间，第一凸型金属片固定于尾立柱，换能器永磁铁设置于第二凸型金属片中部。
所述的第一凸型金属片和尾立柱之间设有绝缘板。
所述的放大型换能外部罩有用于隔水的密封罩。
所述的基座后端设有若干角度调节螺纹孔，第一尾立柱和第二尾立柱底端固定于角度调节螺纹孔。
技术效果
与现有技术相比，本发明利用磁力产生双稳态偏移，从而在水流中实现鱼摆动身体游动的逆过程，通过翼翅引导水动力，加深水流动与振动的转换，可以采集更多流动能量，通过磁力将振动转换为周期性磁力作用到放大型换能器，具有更高的机电耦合系数，提高了能量密度，可靠性高，且容易绝缘密封，有利于电能的后续存储和使用。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图；
图2为摆动梁立体结构示意图；
图3为图1中A处放大示意图；
图4为本发明平面示意图；
图5为仿生鱼摆动示意图；
图6为本发明工作原理示意图；
图中：1摆动梁、2梁端永磁铁、3头立柱、4基座、5第一尾立柱、6放大型换能器、7换能器永磁铁、8翼翅、9压电片、10第一凸型金属片、11绝缘板、12密封罩、13压紧板、14压紧螺杆、15角度调节螺纹孔、16第二尾立柱、17第二凸型金属片。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：矩形基座4、摆动梁1、第一尾立柱5、第二尾立柱16和头立柱3，其中：头立柱3设置于基座4前端，第一尾立柱5和第二尾立柱16对称设置于基座4后端，第一尾立柱5和第二尾立柱16的顶端分别设有放大型换能器6，摆动梁1一端固定于头立柱3顶端，摆动梁1的自由端与两放大型换能器6相对且位于两放大型换能器6之间，摆动梁1的自由端设有梁端永磁铁2，摆动梁1两侧对称设有两翼翅8。
所述的基座4后端设有若干角度调节螺纹孔15，角度调节螺纹孔15均匀分布于基座4后端表面。第一尾立柱5和第二尾立柱16对称设置于基座4后端上表面，通过角度调节螺纹孔15来固定，固定于不同的螺纹孔可以调节第一尾立柱5和第二尾立柱16之间的夹角。
如图2所示，所述的头立柱3固定于基座4前端中心处，头立柱3的顶端设置摆动梁1，摆动梁1自由端设有梁端永磁铁2，梁端永磁铁2与第一尾立柱5和第二尾立柱16相对，且梁端永磁铁2位于第一尾立柱5和第二尾立柱16之间。梁端永磁铁2呈方形，其夹在两片方形压紧板13之间，压紧板13之间通过压紧螺杆14固定，其中一压紧板13固定于摆动梁1自由端。
所述的摆动梁1中部两侧各设有一翼翅8，两翼翅8对称设置，翼翅8为弧形板，弧形板的凸面朝向基座4后端。翼翅8的张角α小于90度。翼翅8刚度与摆动梁1刚度之比大于2。
如图3所示，所述的第一尾立柱5和第二尾立柱16的顶端都设有放大型换能器6，两放大型换能器6对称设置，分布于梁端永磁铁2两侧。放大型换能器6包括：压电片9、换能器永磁铁7、第一凸型金属片10和第二凸型金属片17，其中：压电片9固定于两凸型金属片之间，第一凸型金属片10固定于尾立柱，换能器永磁铁7设置于第二凸型金属片17中部。第一凸型金属片10与尾立柱之间设有绝缘板11。整个放大型换能器6罩在密封罩12之中，密封罩12上设有出线孔，入水之前出线孔用热熔胶密封。
如图4所示，所述的放大型换能器6中的换能器永磁铁7的磁极和梁端永磁铁2的磁极相反，换能器永磁铁7和梁端永磁铁2之间产生磁吸力。
如图5所示，鱼通过摆动身体而游动，相对游动的鱼，水有流动且水流速度与鱼的速度相反，鱼通过摆动躯体产生了水流，鱼的摆动与水的流动存在联系。基于这一自然现象，可以设计实现鱼游动的逆过程。通过设置一初始偏移，避开水流动与物体摆动不易发生作用的区域，有效利用水的流动驱动物体摆动即振动。
如图6所示，整个能量采集装置工作时，对称设置的换能器永磁铁7使得梁端永磁铁2受到磁吸力，存在两个偏离基座4中心线的稳态点。摆动梁1固定端到自由端的方向与水流方向一致。当摆动梁1产生右侧偏移，水流的水动力作用于摆动梁1偏移的右侧，驱动摆动梁1向左侧运动；当摆动梁1产生左侧偏移，水流的水动力作用于摆动梁1偏移的左侧，驱动摆动梁1向右侧运动。两对称的翼翅8增加了与水流的接触面积，增加了水动力，从而加深了水流动和振动的转换，有利于采集更多的流动能量。放大型换能器6将摆动梁1的振动能量转化为电能。放大的磁力作用在压电片9上，由于压电效应产生电压，电能通过导线输出。
与现有技术相比，本装置结构新颖、简单，设计合理，利用磁力产生双稳态偏移，从而在水流中实现鱼摆动身体游动的逆过程，通过翼翅引导水动力，加深水流动与振动的转换，可以采集更多流动能量，通过磁力将振动转换为周期性磁力作用到放大型换能器，具有更高的机电耦合系数，提高了能量密度，可靠性高，且容易绝缘密封，有利于电能的后续存储和使用。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (7)
1.一种基于仿生鱼的流致振动能量采集装置，其特征在于，包括：基座、摆动梁、第一尾立柱、第二尾立柱和头立柱，其中：头立柱设置于基座前端，第一尾立柱和第二尾立柱对称设置于基座后端，第一尾立柱和第二尾立柱的顶端分别设有放大型换能器，摆动梁一端固定于头立柱顶端，摆动梁的自由端与两放大型换能器相对且位于两放大型换能器之间，摆动梁的自由端设有梁端永磁铁，摆动梁两侧对称设有翼翅；
所述的放大型换能器包括：压电片、换能器永磁铁、第一凸型金属片和第二凸型金属片，其中：压电片固定于两凸型金属片之间，第一凸型金属片固定于尾立柱，换能器永磁铁设置于第二凸型金属片中部。
2.根据权利要求1所述的基于仿生鱼的流致振动能量采集装置，其特征是，所述的翼翅为弧形板，弧形板的凸面朝向基座后端。
3.根据权利要求2所述的基于仿生鱼的流致振动能量采集装置，其特征是，所述的翼翅的张角α小于90度。
4.根据权利要求3所述的基于仿生鱼的流致振动能量采集装置，其特征是，所述的翼翅刚度与摆动梁刚度之比大于2。
5.根据权利要求1所述的基于仿生鱼的流致振动能量采集装置，其特征是，所述的第一凸型金属片和尾立柱之间设有绝缘板。
6.根据权利要求5所述的基于仿生鱼的流致振动能量采集装置，其特征是，所述的放大型换能外部罩有用于隔水的密封罩。
7.根据权利要求1所述的基于仿生鱼的流致振动能量采集装置，其特征是，所述的基座后端设有若干角度调节螺纹孔，第一尾立柱和第二尾立柱底端固定于角度调节螺纹孔。
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