CN107317519A - 一种间接激励式压电流能捕获器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种间接激励式压电流能捕获器，属压电发电领域。外筒内装有内壳，内壳侧壁端部装有端盖，端盖与内壳底壁上装有缓冲簧片；端盖的止口环上装有压电振子和激励簧片；压电振子自由端安装有顶块，顶块顶靠在激励簧片上，激励簧片自由端装有被激磁铁和调频质量块；端盖的左半轴上装有滚筒，滚筒的两个轴截面上都装有激励磁铁；端盖的右半轴上装有带叶片的轴套；轴套左端面上装有驱动磁铁，滚筒右端面上装有被驱磁铁；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构。优势特色：压电振子不与流体作用、压电晶片承可控的压应力，可靠性高；激励簧片同时激励多个压电振子，发电能力强；系统固有频率及激励频率可调整，流速适应能力强。

Description

一种间接激励式压电流能捕获器
技术领域
本发明属于压电发电技术领域，具体涉及一种间接激励式压电流能捕获器，为河流监测系统提供实时的能量供应。
背景技术
我国境内遍布的河流达数千条之多。近年来，由于工业废污水处理力度不够、水土流失及农药和化肥使用不当等原因，大部分河流都存在一定程度的污染问题，近1/4的河流或河段因污染而不能满足基本的灌溉需求。此外，由于目前很多地区中小河流防洪设施不完善、甚至没有任何防洪设施，汛期来临之际可能导致溃堤或漫堤等危险，直接威胁了沿岸群众的生命和财产安全。因此，河流监测已受到国家相关部门的高度重视，十二五期间水利部就曾计划实现对《中小河流治理和中小水库除险加固专项规划》中确定的五千余条河流的监测全覆盖；同时，国内专家学者也相继提出了相应的监测方法和手段，包括针对河水污染的水质监测技术，针对防洪及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速度等监测技术等多方面。虽然所提出的某些监测方法在技术层面已较成熟，但尚未得到大面积的推广应用，其主要原因之一是监测系统供电问题未得到很好的解决。
发明内容
针对现有河流监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种间接激励式压电流能捕获器。本发明采用的实施方案是：外筒内部经筋板安装有内壳，内壳的侧壁端部经螺钉安装有端盖，端盖与内壳的侧壁端部之间压接有密封垫，端盖与内壳的底壁上都经螺钉安装有缓冲簧片，端盖上经螺钉安装有电路板；端盖的止口环上经螺钉和压环安装有压电振子和激励簧片，激励簧片两侧的压电振子数量相等且对称布置；压电振子由基板和压电晶片粘接而成，基板靠近激励簧片安装；压电振子的自由端经螺钉安装有顶块，顶块的非固定端为弧形，顶块安装在基板的一侧，顶块顶靠在激励簧片上，激励簧片的自由端经螺钉安装有被激磁铁和调频质量块；端盖上设有左半轴和右半轴，左半轴上经两个轴承和压板安装有滚筒，压板经螺钉安装在左半轴的端部，滚筒的两个不同的轴截面上都均布地镶嵌有激励磁铁，两个截面上的激励磁铁相对被激磁铁的中心对称布置，激励磁铁的磁极沿滚筒的径向布置，激励磁铁与被激磁铁的异性磁极相对安装；右半轴上经轴承和T型压板安装有带叶片的轴套，T型压板经螺钉安装在右半轴的端部；轴套的左端面上经螺钉均布地安装有驱动磁铁，滚筒的右端面上经螺钉均布地安装有被驱磁铁，驱动磁铁与被驱磁铁几何中心的回转半径相同且异性磁极相对安装。
本发明中，压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且压电晶片承受压应力，非工作时压电晶片上最大的压应力为其许用压应力的50％，此时顶块的高度为其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板的厚度和压电振子的总厚度，Em和Ep分别为基板和压电晶片的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。
非工作时，即被激磁铁不受激励磁铁作用时，激励簧片不产生弯曲变形，激励簧片两侧压电振子的变形和受力状态分别相同；工作时，即环境中有流体流过时，叶片受流体力作用并带动轴套及驱动磁铁一起转动，再经驱动磁铁与被驱磁铁间的吸引力驱动滚筒转动，从而使被激磁铁与其两侧的激励磁铁之间的距离及相互作用力交替地增加与减小：被激磁铁左侧的激励磁铁逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，右侧的激励磁铁逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随滚筒继续转动，被激磁铁左侧的激励磁铁逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而右侧激励磁铁逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；被激磁铁与其两侧激励磁铁之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，激励簧片产生往复弯曲变形并经顶块迫使压电振子单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；激励簧片的振幅较大时，被激磁铁振动过程中先与限位簧片接触并使其产生弯曲变形；限位簧片受被激磁铁作用并顶靠在端盖或内壳的底壁上时，压电晶片上的最大压应力不超过其许用值。
优势与特色：①压电振子不与流体直接作用、工作中压电晶片仅承受可控的压应力，可靠性高；②激励簧片同时激励多个压电振子，发电能力强；③易通过激励簧片刚度调节系统响应频率、通过激励磁铁数量调节激励频率，流速适应能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中压电流能捕获器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的I部视图。
具体实施方式
外筒a的内部经筋板a1安装有内壳a2，内壳a2的侧壁端部经螺钉安装有端盖b，端盖b与内壳a2的侧壁端部之间压接有密封垫c，端盖b与内壳a2的底壁上都经螺钉安装有缓冲簧片d，端盖b上经螺钉安装有电路板e；端盖b的止口环b1上经螺钉和压环f安装有压电振子g和激励簧片h，激励簧片h两侧的压电振子g的数量相等且对称布置；压电振子g由基板g1和压电晶片g2粘接而成，基板g1靠近激励簧片h安装；压电振子g的自由端经螺钉安装有顶块i，顶块i的非固定端为弧形，顶块i安装在基板g1的一侧，顶块i顶靠在激励簧片h上，激励簧片h的自由端经螺钉安装有被激磁铁j和调频质量块k；端盖b上设有左半轴b2和右半轴b3，左半轴b2上经两个轴承m和压板n安装有滚筒p，压板n经螺钉安装在左半轴b2的端部，滚筒p的两个不同的轴截面上都均布地镶嵌有激励磁铁q，两个截面上的激励磁铁q相对被激磁铁j的中心对称布置，激励磁铁q的磁极沿滚筒p的径向布置，激励磁铁q与被激磁铁j的异性磁极相对安装；右半轴b3上经轴承m和T型压板r安装有带叶片s的轴套t，T型压板r经螺钉安装在右半轴b3的端部；轴套t的左端面上经螺钉均布地安装有驱动磁铁u，滚筒p的右端面上经螺钉均布地安装有被驱磁铁v，驱动磁铁u与被驱磁铁v几何中心的回转半径相同且异性磁极相对安装。
本发明中，压电振子g安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且压电晶片g2承受压应力，非工作时压电晶片g2上最大的压应力为其许用压应力的50％，此时顶块的高度为其中：B＝1-α+αβ，A＝a4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板g1的厚度和压电振子g的总厚度，Em和Ep分别为基板g1和压电晶片g2的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子g的长度。
非工作时，即被激磁铁j不受激励磁铁q作用时，激励簧片h不产生弯曲变形，激励簧片h两侧压电振子g的变形和受力状态分别相同；工作时，即环境中有流体流过时，叶片s受流体力作用并带动轴套t及驱动磁铁u一起转动，再经驱动磁铁u与被驱磁铁v间的吸引力驱动滚筒p转动，从而使被激磁铁j与其两侧的激励磁铁q之间的距离及相互作用力交替地增加与减小：被激磁铁j左侧的激励磁铁q逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，右侧的激励磁铁q逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随滚筒p继续转动，被激磁铁j左侧的激励磁铁q逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而右侧激励磁铁q逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；被激磁铁j与其两侧激励磁铁q之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，激励簧片h产生往复弯曲变形并经顶块i迫使压电振子g单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；激励簧片h的振幅较大时，被激磁铁j振动过程中先与限位簧片d接触并使其产生弯曲变形；限位簧片d受被激磁铁j作用并顶靠在端盖b或内壳a2的底壁上时，压电晶片g2上的最大压应力不超过其许用值。

Claims (1)

1.一种间接激励式压电流能捕获器，其特征在于：外筒内部经筋板安装有内壳，内壳的侧壁端部安装有端盖，端盖与内壳的侧壁端部之间压接有密封垫，端盖与内壳的底壁上都安装有缓冲簧片，端盖上安装有电路板；端盖的止口环上经螺钉和压环安装有压电振子和激励簧片，激励簧片两侧的压电振子数量相等且对称布置；压电振子由基板和压电晶片粘接而成，基板靠近激励簧片安装；压电振子自由端安装有顶块，顶块的非固定端为弧形，顶块安装在基板的一侧，顶块顶靠在激励簧片上，激励簧片自由端安装有被激磁铁和调频质量块；端盖上设有左半轴和右半轴，左半轴上经两个轴承和压板安装有滚筒，压板安装在左半轴的端部，滚筒的两个不同的轴截面上都均布地镶嵌有激励磁铁，两个截面上的激励磁铁相对被激磁铁的中心对称布置，激励磁铁的磁极沿滚筒的径向布置，激励磁铁与被激磁铁的异性磁极相对安装；右半轴上经轴承和T型压板安装有带叶片的轴套，T型压板安装在右半轴的端部；轴套的左端面上均布地安装有驱动磁铁，滚筒的右端面上均布地安装有被驱磁铁，驱动磁铁与被驱磁铁几何中心的回转半径相同且异性磁极相对安装。
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