CN106998124B - 一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种机械‑气腔‑电子联合广义共振式气动发电装置，含有气腔壳体、气腔壳体含有沿着气体流动方向设置在流场中的、气动谐振频率为FQ的气腔，局部固定在气腔壳体上的、位于气流必经之路的、并含有电感L及电阻R的印刷电路线圈的、机械谐振频率为FP的PCB印制电路板，与PCB的印刷电路线圈两端7和8并联的谐振电容C3，设在气腔内的、平行于PCB印制电路板2及垂直于其印刷电路线圈运动方向的、由永久磁铁和极靴构成的磁场，从印刷电路线圈两端和输出交流电流、电压，利用机械‑气腔‑联合广义共振并从机械广义共振部件上提取振动能量的方法有效地提高了获取风能并转换为电能的效率，进一步利用所述RLC3电子广义共振加速升压储能技术实现了对所获电能储存的快速、升压和高效，满足对工作于有风环境的无线无源电子装置供电的需求。
Description
技术领域
本发明属于物理电源领域，具体涉及一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置。
背景技术
流动的气体，即风，因为具有质量m和速度V，因而具有动能EK＝m·V2/2，即风能。
将风能转化为电能的经典技术是用风力驱动可绕轴旋转的桨叶，由转轴直接或经过增速齿轮箱带动旋转式发电机的“风力发电机”。由于传动系统复杂、旋转桨叶易损、旋转式发电机轴承故障多发等原因，存在一种采用全新理念设计新型“风力发电机”的需要。本发明最初是出于解决交通装备走行部故障诊断的无线传感器供电装置提出的。也适用于其它利用风力发电、甚至大型风力发电系统。
流动的气体摩擦弹性的机械，将引起机械按照其特定模态的固有频率发生机械振动。例如架空的电线在风的摩擦下，发生振动而产生嗡嗡的振动声。
流动的气体流过非气体的腔体，将因为流向、速度、密度、弹性改变而发生按照腔体固有频率的气腔振动；例如安装在鸽子背部的鸽哨在鸽子飞翔时在相对于鸽哨的气流的吹拂下产生汪汪的哨声。
从流动气体的动能中获取能量，得到一些科技人员的重视，并提出了一些技术方案。
已经存在的若干气动发电装置的设计，其出发点是，利用气腔中气体广义共振的动能，激励设在气腔中的、敏感气体因气腔共振之脉动压力而振动并产生电能的换能器，从该换能器的电极上获得电能。例如发明专利“一种气流谐振发电装置”(CN 104901584 A),其结构并没有机械共振组件，其环形劈尖的作用是引起气流“音频扰动使空腔的内部空气进入谐振状态”，其换能器采用“介电弹性体”，是在“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弹性体谐振，产生交变的变形，”将“所做的机械功转换为电能”。该专利文件还介绍了他人论文所述“引信气流谐振发电机”采用的“压电振子(原文：以压电薄膜代替其磁电发电机)”作为换能器。
上述的已有技术中的能量传输/获取特征在于：流动气体动能-激励空腔谐振-空腔脉动气压激励换能器-换能器实现机电转换。其首要的振动是空腔谐振，输出电能由换能器从空腔谐振获取。
这种由换能器从空腔谐振获取电能的方法存在明显的缺陷。公知，空腔广义共振的动能是EK＝m·V2/2。而空腔气体的质量m十分微小，空气密度为1.293g/L，折合为比重是1.293·10-3g/cm3。可知，即使设计采用很大空间的空腔，所能得到的空腔气体的质量m仍然十分微小，因此，依靠这种空腔广义共振的动能仍然是非常小的。即使采用理论上100％效率的换能器，也只能获得很小的电能。
为了提高广义共振的动能，采用不同比重的材料、提高质量m是一个重要途径。例如，钢铁密度7.86g/cm3，为空气的6.079·103倍；印刷电路板(PCB)的比重是1.1g/cm3，为空气的851倍。假定空腔的容积为1·5·10＝50cm3，在空腔中的PCB印刷电路板的体积为0.1·5·10＝5cm3，则PCB印刷电路板的质量为空腔气体质量的85.1倍。如果空腔气体的广义共振改由PCB印刷电路板的振动激励，则空腔空气广义共振的初速度必定等于PCB印刷电路板的振动速度，根据EK＝m·V2/2，则PCB印刷电路板振动的能量最大为空腔气体振动能量的85倍。因此，直接从位于空腔、激励空腔广义共振的PCB印刷电路板获取能量，远远大于用机电转换器获取能量小的空腔广义共振气体获取能量。
为了要高效利用风能引起机械振动产生的能量，在设计中，有意识地将机械-气腔振动系统，设计成为一种广义共振系统，为了提高广义共振的动能，采用不同比重的材料、提高质量m，提高机械广义共振和气腔广义共振所含有的从流动气体的动能中获取的能量，并以损耗最小、振幅最大、等于其固有频率的广义共振方式利用起来。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服用机电转换器获取能量小的空腔广义共振气体获取能量的现有技术存在的上述缺陷，提供一种获取能量大的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置，其特征在于：由气腔壳体4、气腔1、PCB印刷电路板2、谐振电容3、永久磁铁5和极靴6构成，所述气腔1位于气腔壳体4内，气腔1沿着气体流动方向设置在流场中，其气动广义共振频率为FQ；所述PCB印刷电路板2边缘局部固定在气腔壳体4上，位于气流必经之路，并含有电感量为L及电阻为R的印刷电路线圈，PCB印刷电路板2的机械广义共振频率为FP；所述PCB印刷电路板2上的PCB印刷电路线圈具有两个输出接线端7和8；所述谐振电容C3的两端分别与PCB印刷电路线圈的两个输出接线端7和8连接；所述永久磁铁5、极靴6构成磁场设在气腔1内，该磁场的磁力线平行于PCB印刷电路板2及垂直于其印刷电路线圈运动方向；从印刷电路线圈的两个输出接线端7和8输出交流电流、电压；谐振电容C3、印刷电路线圈的电感L及电阻R构成串联广义共振储能系统，串联广义共振储能系统的LC电子广义共振频率为FD，气腔气动广义共振频率FQ、PCB印刷电路板机械广义共振频率FP和LC电子广义共振频率FD相互差别不大于5％，如附图1。
通过气腔壳体4令气流流过PCB印刷电路板所在的气腔，激励边缘局部固定于气腔外壳的PCB印刷电路板发生频率为FP的广义共振，并与固有频率为FQ的气腔共振以增强并维持PCB印刷电路板广义共振，广义共振的PCB印刷电路板内含的印刷电路线圈切割设在气腔内的、垂直于印刷电路线圈运动方向的磁场之磁力线，产生频率等于FP的电磁感应电流II和电磁感应电压UI，印刷电路线圈的两端并联的谐振电容C3与印刷电路线圈的电感L及电阻R构成的广义共振频率为FD的串联广义共振储能系统，对感应电压UI进行广义共振升压为谐振电压UX，谐振电压UX输出至整流储能的负载电路。
具体为：将构成气腔1和安装PCB印刷电路板2的气腔壳体4固定安装在交通运载装备的外部，气腔壳体4的前方进气口朝向行驶方向，气腔壳体垂直于行驶方向的后方侧面开有出气口，空气从进气口进入气腔经过PCB印刷电路板的非固定部分，驱动PCB印刷电路板变形以增大流动空间，并从出气口喷出。在PCB印刷电路板未变形时，气腔的压力上升，PCB印刷电路板被腔压驱动弯曲变形，气体的动能转化为PCB印刷电路板变形后的弹性势能，而腔内的空气趁机从PCB印刷电路板向出气口增大的气隙冲出，腔内气压相应降低，PCB印刷电路板反弹回到原位；如此周而复始地重复，使PCB在气腔内发生反复的弯曲振动；相应地调节、改变气腔，使上述气动过程中的PCB印刷电路板弯曲振动的频率FP等于气腔固有频率FQ，迫使PCB印刷电路板发生最强的、频率为FP的共振振动。
在气腔的PCB印刷电路板的外侧设置由永久磁铁5和极靴6构建的相对于PCB印刷电路板周边(图示为两个长边即，敏感边)的对称磁场，该磁场的磁力线平行于PCB印刷电路板平面而又垂直于PCB印刷电路板中的印刷电路线圈(图示为对应两个长边之长线即，敏感线)，迫使在磁场中振动的PCB印刷电路板之印刷电路线圈相应地切割磁力线，按照法拉第电磁感应定律，从印刷电路线圈的两个输出接线端7和8输出电磁感应电压UI和电磁感应电流II。如附图2所示。图2中，XY表示线圈电流向右，XZ表示线圈电流向右；LZ表示PCB印刷电路板向里振动。
印刷电路线圈输出的电磁感应电压UI频率，等于PCB印刷电路板的振动频率FP。经典的能量收集技术，是将印刷电路线圈的两个输出接线端7、8输出的交流电压UI(电磁感应电压)，用桥式整流器整流为直流对超级电容器C2充电得到UO(输出电压)的，后续的负载(例如R2＝1k欧姆)则从C2取用电能，如附图3。其缺点是，由于印刷电路线圈感应的电磁感应电压UI(例如UI＝1V)电源中至少含有该线圈的电感L(例如L＝10mH)在电压频率FP(例如FP＝500Hz)下的感抗XL＝2π·FP·L，它是限制线圈的最大输出电流的因素之一，例如，I＝(UI-UQ)/XL＝(1-0.1)/(2π·500·0.01)＝28.6mA，式中，UQ＝0.1V是桥式整流器的电压降，即使以该最大输出电流对超级电容C2＝1F充电到最大电压UOM＝0.9V,也因为VOM＝Q/C2＝I·TM/C2而需要时间TM＝VOM·C2/I＝0.9·1/0.0286＝31.4s，而实际的充电电流因C2充电电压的升高而降低，则该经典电路的输出电压UO既不可能达到理想的UI电压，而且达到接近UI峰值的时间将大大延长，图3-2的仿真测试表明，达到最大输出电压的时间长达150s，这将严重延迟后续电路投入正常工作的时间；特别是，该输出电压U0永远只能小于UI，而在达到低于UI的最大UO电压后，因为PCB印刷电路线圈仅有最高输出电压而输出电流则大幅度减小，发电装置获取电能的效率降低。更何况PCB印刷电路线圈感应的电压源UI还含有电阻，它是限制线圈的最大输出电流的因素之二，将造成更加不利的影响。
为了最大限度地减小启动延迟时间和充分提高发电装置获取电能的效率，在内部电感量为L、电阻为R的PCB印刷电路线圈的两个输出端上并联谐振电容C3时，使L与C3的广义共振频率FD等于PCB印刷电路板在工作环境下的机械广义共振频率FP；谐振电容C3的电容值的计算方法为：测定PCB印刷电路线圈在工作环境下的电感量L，测定PCB印刷电路板在工作时的广义共振频率FP，按照LC广义共振固有频率公式F＝1/(2·π·(LC)0.5)，计算C3＝1/((2·π·FP)2L)，例如L＝10mH，FP＝500Hz，则谐振电容C3＝10.1321uF，近似为10uF，如附图4-1。图4-2的仿真计算表明其广义共振频率FD等于500Hz，与设定的PCB印刷电路板广义共振频率FP相等；图4-3的仿真测试表明：输出电压UO达到输入电压UI的时间从前述经典整流储能方法的150s减小到60秒，特别是，发电装置的输出电压UO能够高于输入电压UI，测试相同时间(200s)在固定负载(R2＝1k)上得到的平均功率较之经典技术提高了(3.24mW/0.302mW＝10.73>)10倍以上。
计算谐振电容C3的电容值时，为了将PCB印刷电路线圈的下限输出电压UIm升压到期望的上限储能电压U0M，使用“电子广义共振加速升压方法”进行计算。
本电子广义共振加速升压储能技术的基本原理如下:
假定PCB印刷电路板印刷电路线圈含有电感为L＝100mH、电阻为R＝3.14159Ω，所发出的电压频率为FP＝50Hz，无负载也未加谐振电容C时的开路电压为UI＝1VP。为要使RLC广义共振于FD＝50Hz，则谐振电容C3计算公式为：C3＝1/L/(2πFP)2＝10.132uF。见附图4-4，其仿真波形如附图4-5。
对于本发明的“一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置”而言，所期望的是：要求PCB印刷电路板印刷电路线圈具有尽量低的内电阻R，因为它是限制输出功率的不利因素之一；要求PCB印刷电路线圈具有合理的电感量L，但该电感量之不足可以在外部串联一个附加的电感弥补而作为所需L的一部分，目的是使电感L与配置的谐振电容C3的广义共振频率FD＝FP等于PCB印刷电路板的气动广义共振频率PF时，还具有期望的广义共振升压系数B，以便将微小的下限电压UIm在经过电子广义共振加速升压整流后的储能电压提升到上限电压UOM。升压比B的计算公式为：
B＝(UOM-UQ)/UI，式中，UQ为桥式整流器的压降。
为了将PCB印刷电路线圈的下限输出电压UIm升压到期望的上限储能电压U0M，具体的设计步骤为：
1)，根据PCB印刷电路线圈的下限输出电压UIm和期望的上限储能电压U0M，计算升压比B：B＝(UOM+UQ)/UIm，式中，UQ为桥式整流器的压降；
2)，根据印刷电路线圈的内电阻R、PCB印刷电路板的广义共振频率FP、升压比B，计算期望的印刷电路线圈电感L：
L＝B·R/(2π·FP),如果印刷电路线圈的实际电感L1小于L，则在外部补充串联一个补充电感L0＝L-L1；如果印刷电路线圈的实际电感L2大于L，则在外部补充串联一个补充电阻R0＝R·L2/L；
3)，根据印刷电路线圈的内电阻R、PCB的广义共振频率FP、升压比B，计算谐振电容C3：
C3＝1/(2π·FP·B·R)。
例如，由于必须满足XL＝B·R，XC3＝B·R。于是由XL＝2π·FP·L，XC3＝1/(2π·FP·C3)有：
L＝B·R/(2π·FP)，
C＝1/(2π·FP·B·R)。
例如上例中，R＝3.1415Ω，L＝100mH，FD＝FP＝50Hz，则广义共振升压系数B为：
B＝XL/R＝2π·FD·L/R＝2π·50·0.01/3.14159＝10，(即20log B＝20dB)。
则当UI＝1V，UQ＝0.2V(所用肖特基二极管的理论全导通电压UQM＝0.2V，微导通电压UQm＝0.1V；桥式整流器导通需经过2个二极管，故其微导通电压约为UQ＝0.2V)，则UX＝B·UI＝10V，储能电容器的电压UOM＝UX-UQ＝B·UI-UQ＝10-0.2＝9.8V。
在附图4-5仿真的67.86ms瞬间，由于RLC广义共振，谐振电容C3的电压达到UX＝1.19V，它略大于储能电容其C2的电压UO0.993V加上整流压降0.265V，波形限幅，幅度几乎不再上升；这是因为之前总电流II向C3的IC电流截止，出现总电流II转为整流充电电流IZ，于是出现瞬时的整流功率PZ，导致电容C2的储能电压UO上升。可见到能源电流II转向IZ的时机晚于II电流的峰值时机，这是因为需要对谐振电容C3升压到高于储能电压+整流压降，才能使整流器整流导通。上述过程表明电子广义共振加速升压储能技术充分利用了LC广义共振电路的两个极端状态：用广义共振的无负载开路状态提升谐振电容C3的电压，使之能够大于能源UI的开路电压，并在升高到大于储能电容C2的已储电压UO及整流器的导通电压时，能使整流器导通，送出整流电流IZ对储能电容器C2充电；而在谐振电容C3的电压升高到大于储能电容C2的已储电压UO并使整流器导通时，转换为使谐振电容C3瞬间对储能电容C2短路的状态，流经电感器L的、瞬时不不能突变的电流II从只流向C3(IC)而变为主要流向C2(IZ)(因为C2>>C3)，体现为流向C3的电流IC突然下降，而流向C2的电流IZ突然上升，并发生储能功率突然出现并上升的现象。
基于上述原理的广义共振升压整流储能的，取得了良好的效果。对比于附图4-6、附图4-7和附图4-8，统计如下：
上述数据体现了电子广义共振加速升压整流储能的升压效果、充电快速性和整流充电效率提高。
为了提高PCB印刷电路板印刷电路线圈的圈数以提高发电效率，PCB印刷电路板可以是多层的、每层都有印刷电路线圈的、通过金属化孔将各层印刷电路线圈按照各层感应电压同相叠加的原则依次串联的组合PCB印刷电路板。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
所采用的一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置，利用机械-气腔-联合广义共振并从机械广义共振部件上提取振动能量的方法有效地提高了获取风能并转换为电能的效率，进一步利用电子广义共振加速升压储能技术实现了对所获电能储存的快速、升压和高效，满足对工作于有风环境的无线无源电子装置供电的需求。
附图说明
图1为一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置的主视图(a)和左视图(b)；
图2为PCB印刷电路线圈及其在磁场中振动产生感应电压和感应电流的示意图；
图3-1为PCB印刷电路线圈电压经典整流输出仿真电路图；
图3-2为经典输出的最大电压和功率仿真测试图；
图4-1为PCB印刷电路线圈电压经“电子广义共振加速升压方法”整流输出仿真电路图；
图4-2为PCB印刷电路线圈电感L与谐振电容C3的广义共振频率FD＝500Hz的测试图；
图4-3为“电子广义共振加速升压方法”输出的电压和功测试图；
图4-4为电子广义共振加速升压储能技术的原理电路图；
图4-5为电子广义共振加速升压储能技术的原理波形图；
图4-6为电子广义共振加速升压整流储能的升压效果图；
图4-7为经典整流储能的输出电压和整流效率测试图；
图4-8为广义共振升压整流储能的输出电压和整流效率测试图；
图5为以航插方式安装到电子装置外壳插座的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置示意图；
图6-1为固定在电子装置外壳的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置示意图；
图6-2为固定在电子装置外壳的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置投影图；
图7为机械谐振PCB两端固定的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置；
图8为适应360度风向的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置示意图；
图9为以风动阀门提高气流利用率的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置之一示意图；
图10为以风动阀门提高气流利用率的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置之二示意图。
具体实施方式：
下面，结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1，以航插方式安装到电子装置外壳插座的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置
含有沿着气体流动方向设置在流场中的、气动广义共振频率为FQ的气腔1，局部固定在气腔壳体4上的、位于气流必经之路的、并含有电感量为L的印刷电路线圈的、机械广义共振频率为FP的PCB印刷电路板2，与PCB印刷电路线圈的两个输出接线7和8并联的谐振电容C3，设在气腔内的、平行于PCB印刷电路板2及垂直于其印刷电路线圈运动方向的、由永久磁铁5和极靴6构成的磁场，从印刷电路线圈的两个输出接线7和8输出交流电流、电压；通过理论计算或/和实验修正实现气腔气动广义共振频率FQ、PCB机械广义共振频率FP和LC电子广义共振频率FD相互差别不大于5％。
具体结构见附图5。气腔壳体4具体为对航空插头壳体改造而成：在气腔壳体4对准PCB平面的方向开有2个椭圆进气口JQK，在气腔壳体4的顶部开有一个圆形的出气口CQK，在出气口端的气腔内部，镶嵌带有2个永久磁铁5的环形极靴6，具体方向为使磁铁与极靴磁之间的磁力线平行于PCB印刷电路板2；PCB印刷电路板2插入并焊接于航空插头HCT的中间开缝的焊接脚中，PCB印刷电路线圈的两个输出接线端7和8通过航空插头HCT的焊接脚引出，当航空插头HCT插到航空插座HCZ后，进而将PCB印刷电路线圈的两个输出接线端7和8引到航空插座HCZ所安装的电子装置内，向电子装置内的储能/负载电路供电，并在其内焊接谐振电容C3。将电子装置上安装的本气动发电装置的进气口之一对准运载装备运行方向，则在运载装备正向行驶或反向行驶时都能正常发电。
实施例2：固定在电子装置外壳的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置
含有沿着气体流动方向设置在流场中的、气动广义共振频率为FQ的气腔1，局部固定在气腔壳体4上的、位于气流必经之路的、并含有电感量为L的印刷电路线圈的、机械广义共振频率为FP的PCB印刷电路板2，与PCB印刷电路线圈的两个输出接线端7和8并联的谐振电容C3，设在气腔内的、平行于PCB印刷电路板2及垂直于其印刷电路线圈运动方向的、由永久磁铁5和极靴6构成的磁场，从印刷电路线圈的两个输出接线端7和8输出交流电流、电压；通过理论计算或/和实验修正实现气腔气动广义共振频率FQ、PCB印刷电路板机械广义共振频率FP和LC电子广义共振频率FD相互差别不大于5％。
具体结构见附图6。
气腔壳体4的外廓为立方体，内部为圆柱形气腔1。在气腔壳体4对准PCB平面的方向开有2个椭圆进气口JQK，在气腔壳体4的顶部开有一个圆形的出气口CQK，如附图6-1；在出气口CQK端的气腔内部，镶嵌带有2个永久磁铁5的环形极靴6，具体方向为使磁铁与极靴磁之间的磁力线平行于PCB印刷电路板2，如附图6-2；PCB印刷电路板2由底座(即图中的PCB夹板JB)通过紧固螺钉夹持，并穿过底座伸入到电子装置中，印刷电路线圈的两个输出接线端7和8在所安装的电子装置内向电子装置内的储能/负载电路供电，并在其内焊接谐振电容C3。将电子装置上安装的本气动发电装置的进气口之一对准运载装备运行方向，则在运载装备正向行驶或反向行驶时都能正常发电。
实施例3，机械广义共振PCB印刷电路板两端固定的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置
为了克服实施例1和实施例2的机械广义共振PCB印刷电路板2因为单端固定而在强风条件下振幅太大碰撞气腔壳体和PCB固定的部位疲劳断裂的弊端，本实施例提出“机械广义共振PCB两端固定的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置”技术方案，如图7所示。
含有沿着气体流动方向设置在流场中的、气动广义共振频率为FQ的气腔1，局部固定在气腔壳体4上的、位于气流必经之路的、并含有电感量为L内电阻为R的印刷电路线圈的、机械广义共振频率为FP的PCB印刷电路板2，与PCB印刷电路线圈的两个输出接线端7和8并联的谐振电容C3，设在气腔内的、平行于PCB印刷电路板2及垂直于其印刷电路线圈运动方向的、由永久磁铁5和环形极靴6构成的磁场，从印刷电路线圈的两个输出接线端7和8输出交流电流、电压；通过理论计算或/和实验修正实现气腔气动广义共振频率FQ、PCB机械广义共振频率FP和LC电子广义共振频率FD相互差别不大于5％。
具体结构为：由相同的两个带有磁铁5、环形极靴6的矩形气腔壳体4，与PCB印刷电路板组合而成。气腔壳体4的X、Y方向之一开有进/出气孔，方向之二的腔内侧设有压紧PCB印刷电路板两端的台阶，将PCB印刷电路板安放在一个气腔壳体的台阶上，将另一个气腔壳体的台阶对准PCB印刷电路板，用组合螺钉LD将两个气腔壳体连接，则实现将PCB印刷电路板设置于气腔中心线，并使从进气口流入的风沿着PCB印刷电路板的两个最大表面流向出气口。在进气口设有集风锥角，空气进入气腔后流速加快并产生涡流，激励两端固定的PCB印刷电路板的未固定边及中部按照两端固定简支梁的固有频率FP发生广义共振，而通过调整气腔空间，使气腔的广义共振频率FQ接近FP，于是，PCB印刷电路板发生强烈共振，其印刷电路线圈切割磁场的磁力线，从印刷电路线圈的两个输出接线端7和8输出感应电流和感应电压。
由于PCB印刷电路板两端固定，不仅增强PCB印刷电路板强度和可靠性，而且提高了横向振动的刚度和共振频率，并有望将共振频率提高到超声频，减小本发电装置的啸叫噪声。
实施例4，适应360度风向的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置
实施例1～3的气动发电装置的四个共同的缺点之一是需要将进气口对准来风方向，偏差允许范围为±45°，缺点之二是空气中的粉尘进入磁场空间将污染甚至堵塞气腔，缺点之三是风中夹杂的雨水、雪花在运载装备停止运行时可能在气腔中结冰而堵塞气腔，缺点之四是平面式PCB印刷电路线圈的运动范围没有充分地利用全部的、最强的磁场。
本实施例提出的“适应360度风向的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置”，如附图8所示。
含有沿着气体流动方向设置在流场中的、气动广义共振频率为FQ的气腔1，局部固定在气腔壳体4上的、位于气流必经之路的、并含有电感量为L的印刷电路线圈的、机械广义共振频率为FP的PCB印刷电路板2，与PCB印刷电路线圈的两个输出接线端7和8并联的谐振电容C3，设在气腔内的、平行于PCB印刷电路板2及垂直于其印刷电路线圈运动方向的、由永久磁铁5和极靴6构成的磁场，从印刷电路线圈的两个输出接线端7和8输出交流电流、电压；通过理论计算或/和实验修正实现气腔气动广义共振频率FQ、PCB印刷电路板机械广义共振频率FP和LC电子广义共振频率FD相互差别不大于5％。
具体结构为：对PCB印刷电路板2的基础圆形部分，采用由气腔壳体4的台阶与底座对其进行周边固定，以PCB印刷电路板密封磁场，有效地防止了对磁场的粉尘污染；
PCB印刷电路板2采在基础圆形平板PCB印刷电路板上用多个带有印刷电路线圈的PCB印刷电路板圆环叠加串联成圆筒状PCB印刷电路板印刷电路线圈组构成，并将圆筒状PCB印刷电路线圈组深入到由磁铁5和极靴6构成的环形磁场中，以圆筒状PCB印刷电路板印刷电路线圈组充分地利用了磁场，提高了发电效率；
气腔1位于PCB印刷电路板的一面，结构简单畅通，便于清理污染或堵塞物；圆筒状PCB印刷电路板印刷电路线圈所在的密封气腔也设计为广义共振频率等于气腔1的广义共振频率FQ并等于PCB组件的广义共振频率FP，以增强共振。
气腔壳体4和底座DZ具有4个方向的进/出气口，具有全方向来风均可以发电的灵活性。
实施例5，以风动阀门提高气流利用率的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置之一
前述的实施例1、实施例2的缺点是因为考虑到适应正反向行驶都能发电，而将一部分从迎风的进(出)气口进入气腔的空气从背风的出(进)气端分流流出，没有全部用于激励PCB机械广义共振。以致在低速行驶时、风速很低的条件下，或利用自然风发电的条件下，不能得到最高的发电效率，甚至低速风不能激励PCB印刷电路板2发生机械广义共振而使发电装置失效。
本实施例提出的“以风动阀门提高气流利用率的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置”，含有沿着气体流动方向设置在流场中的、气动广义共振频率为FQ的气腔1，局部固定在气腔壳体4上的、位于气流必经之路的、并含有电感量为L的印刷电路线圈的、机械广义共振频率为FP的PCB印刷电路板2，与PCB印刷电路线圈的两个输出接线端7和8并联的谐振电容C3，设在气腔内的、平行于PCB印刷电路板2及垂直于其印刷电路线圈运动方向的、由永久磁铁5和环形极靴6构成的磁场，从印刷电路线圈的两个输出接线端7和8输出交流电流、电压；通过理论计算或/和实验修正实现气腔气动广义共振频率FQ、PCB印刷电路板机械广义共振频率FP和LC电子广义共振频率FD相互差别不大于5％。
具体结构的其特征在于：在进(出)气口的气腔内侧，均设置由风压作用而能向内翻倒、但不能向外翻倒、无风状态为关闭进气口的阀门，例如附图9所示为对实施例2的改进。当有风从外部吹向某进(出)气口J(C)QK时，风压将该进(出)气口J(C)QK的阀门F1向里推倒，气流进入气腔；而当进入气腔的空气试图从背风的出(进)气口J(C)QK吹出时，风力将该出(进)气口J(C)QK的阀门F2推倒、关闭该出(进)气口，阻止气腔内的空气从该出(进)气口流出而只能从期望的顶部出气口流出。具体的阀门可以是一块在图示进气口四周之一与气腔壳体4连接(用胶胶接、用螺钉压接)的橡皮。
实施例6，以风动阀门提高气流利用率的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置之二
附图10所示的则是以风动阀门提高气流利用率的机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置之二，含有沿着气体流动方向设置在流场中的、气动广义共振频率为FQ的气腔1，局部固定在气腔壳体4上的、位于气流必经之路的、并含有电感量为L的印刷电路线圈的、机械广义共振频率为FP的PCB印刷电路板2，与PCB印刷电路线圈的两个输出接线端7和8并联的谐振电容C3，设在气腔内的、平行于PCB印刷电路板2及垂直于其印刷电路线圈运动方向的、由永久磁铁5和极靴6构成的磁场，从印刷电路线圈的两个输出接线端7和8输出交流电流、电压；通过理论计算或/和实验修正实现气腔气动广义共振频率FQ、PCB印刷电路板机械广义共振频率FP和LC电子广义共振频率FD相互差别不大于5％。
具体结构的其特征在于：由两个相同的部件用螺钉、螺母组合而成“机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置”，每个部件在PCB印刷电路板2的固定端加装风动阀门F3。当从图示左边进风时，上方部件的风动阀门被风推动打开，下方部件的风动阀门被气腔内的风压推动而关闭，进入气腔的气流只能从下方右下方的出气口流出，最大限度地利用了进入本发电装置的气体动能。
Claims (6)
1.一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置，其特征在于：由气腔壳体(4)、气腔(1)，PCB印制电路板(2)、谐振电容C3、永久磁铁(5)、极靴(6)构成，所述气腔(1)位于气腔壳体(4)内，气腔(1)沿着气体流动方向设置在流场中，其气动广义共振频率为FQ；所述PCB印制电路板(2)边缘局部固定在气腔壳体(4)上，位于气流必经之路，并含有电感量为L及电阻为R的印刷电路线圈，PCB印制电路板(2)的机械广义共振频率为FP；所述PCB印制电路板(2)上的印刷电路线圈具有两个输出接线端(7和8)；所述谐振电容C3的两端分别与印刷电路线圈的两个输出接线端(7和8)连接；所述永久磁铁(5)、极靴(6)构成磁场设在气腔(1)内，该磁场的磁力线平行于PCB印制电路板(2)及垂直于其印刷电路线圈运动方向；从印刷电路线圈的两个输出接线端(7和8)输出交流电流、电压；谐振电容C3、印刷电路线圈的电感L及电阻R构成串联广义共振储能系统，串联广义共振储能系统的LC电子广义共振频率为FD，气腔气动广义共振频率FQ、PCB印制电路板的机械广义共振频率FP和LC电子广义共振频率FD相互差别不大于5％。
2.根据权利要求1所述的一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置，其特征在于：通过气腔壳体(4)令气流流过PCB印制电路板(2)所在的气腔，激励边缘局部固定于气腔壳体(4)的PCB印制电路板(2)发生频率为FP的广义共振，并与固有频率为FQ的气腔(1)共振以增强并维持PCB印制电路板(2)广义共振，广义共振的PCB印制电路板(2)内含的印刷电路线圈切割设在气腔内的、垂直于印刷电路线圈运动方向的磁场之磁力线，产生频率等于FP的电磁感应电流II和感应电压UI，串联广义共振储能系统将感应电压UI进行广义共振升压为谐振电压UX，输出至整流、储能的负载电路。
3.根据权利要求1所述的一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置，其特征还在于：将构成气腔(1)和安装PCB印制电路板(2)的气腔壳体(4)固定安装在交通运载装备的外部，气腔壳体(4)的前方进气口朝向行驶方向，气腔壳体(4)的垂直于行驶方向的后方侧面开有出气口，空气从进气口进入气腔经过PCB印制电路板(2)的非固定部分，驱动PCB印制电路板(2)变形以增大流动空间，并从出气口喷出；在PCB印制电路板(2)未变形时，气腔的压力上升，PCB印制电路板(2)被腔压驱动弯曲变形，气体的动能转化为PCB印制电路板(2)变形后的弹性势能，而腔内的空气趁机从PCB印制电路板(2)向出气口增大的气隙冲出，腔内气压相应降低，PCB印制电路板(2)反弹回到原位；如此周而复始地重复，使PCB印制电路板(2)在气腔内发生反复的弯曲振动；为迫使PCB印制电路板(2)发生最强的、频率为FP的共振振动，相应地调节、改变气腔，使上述气动过程中的PCB印制电路板(2)弯曲振动频率FP等于气腔固有频率FQ。
4.根据权利要求1所述的一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置，其特征还在于：在气腔的PCB印制电路板(2)的外侧设置由永久磁铁(5)和极靴(6)构建的对称磁场，该磁场的磁力线平行于PCB印制电路板(2)平面而又垂直于PCB印制电路板(2)中的印刷电路线圈，迫使在磁场中振动的PCB印制电路板(2)的印刷电路线圈相应地切割磁力线，从印刷电路线圈两个输出接线端(7和8)输出电磁感应电压UI和感应电流II。
5.根据权利要求1所述的一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置，其特征在于，为了最大限度地减小启动延迟时间和充分提高发电装置获取电能的效率，在电感量为L的印刷电路线圈的两个输出接线端上并联谐振电容C3时，使印刷电路线圈的电感L与谐振电容C3的广义共振频率等于PCB印制电路板(2)在工作环境下的广义共振频率FP；谐振电容C3的电容值的计算方法为：测定PCB印制电路板(2)的印刷电路线圈在工作环境下的电感量L，测定PCB印制电路板(2)在工作时的广义共振频率FP，按照LC广义共振固有频率公式F＝1/(2·π·(LC)0.5)，计算C3＝1/((2·π·FP)2L)。
6.根据权利要求5所述的一种机械-气腔-电子联合广义共振式气动发电装置，其特征在于，计算谐振电容C3的电容值时，为了将PCB印制电路板(2)的印刷电路线圈的下限输出电压UIm升压到期望的上限储能电压U0M，使用“电子广义共振加速升压方法”进行计算，具体步骤为：
1)，根据PCB印制电路板(2)的印刷电路线圈的下限输出电压UIm和期望的上限储能电压U0M，计算升压比B：B＝(UOM+UQ)/UIm，式中，UQ为桥式整流器的压降；
2)，根据印刷电路线圈的内电阻R、PCB印制电路板(2)的广义共振频率FP、升压比B，计算期望的印刷电路线圈电感L：
L＝B·R/(2π·FP)，如果印刷电路线圈的实际电感L1小于印刷电路线圈电感L，则在外部补充串联一个补充电感L0＝L-L1；如果印刷电路线圈的实际电感L2大于印刷电路线圈电感L，则在印刷电路线圈外部补充串联一个补充电阻R0＝R·L2/L；
3)，根据印刷电路线圈的内电阻R、PCB印制电路板(2)的广义共振频率FP、升压比B，计算谐振电容C3：C3＝1/(2π·FP·B·R)。
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