CN107355332B - 一种可调频水流致振发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调频水流致振发电机，属发电技术领域。壳体端部装有端盖，壳体底壁内侧装有限位磁铁，壳体底壁外侧设有两个耳板，两个耳板经横梁连接；端盖上装有压电振子和激励簧片；压电振子端部装有顶块，顶块顶靠在激励簧片上，激励簧片自由端装有质量块和被激磁铁；调频器的两个立壁分别安装在两个耳板上且横向位置可调整，调频器滑槽内套有平衡簧片，平衡簧片一端安装在横梁上、另一端安装在装有激励磁铁钝体上，激励磁铁与被激磁铁间为吸引力、与限位磁铁间为排斥力；激励簧片与平衡簧片中介层位于同一平面内。优势特色：3自由度系统且各子系统固有频率易调，频带宽；压电振子不与流体接触、压电晶片仅受压应力，可靠性高。

Description

一种可调频水流致振发电机

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种可调频水流致振发电机，为河流监测系统提供 能量。

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，水利部曾计划实现对《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，针对防洪及造成泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速度监测技术等多方面。虽然目前 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，本发明提出一种可调频水流致振发电 机。本发明采用的实施方案是：壳体的侧壁端部经螺钉安装有端盖，壳体底壁的内侧安装有 限位磁铁，壳体底壁外侧为圆弧面且设有两个耳板，两个耳板经横梁连接；端盖的凸台上经螺钉及压板安装有压电振子和激励簧片，激励簧片两侧的压电振子的数量相等，激励簧片与 其相邻的压电振子的固定端之间、以及两个相邻压电振子的固定端之间压接有垫片；压电振 子由基板和压电晶片粘接而成，压电振子的自由端经螺钉安装有顶块，顶块位于基板一侧， 顶块的非固定端为圆弧形，顶块顶靠在激励簧片上，激励簧片的自由端经螺钉安装有质量块和被激磁铁；调频器的两个立壁经螺钉分别安装在两个耳板上且横向位置可调整，调频器的 滑槽内套有平衡簧片，平衡簧片的一端经螺钉和压块一安装在横梁上、另一端经螺钉和压块 二安装在中空的钝体上，钝体上经螺钉安装有激励磁铁，被激磁铁与激励磁铁的相互作用力 为吸引力、与限位磁铁的作用力为排斥力；激励簧片与平衡簧片的中介层位于同一平面内。

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一半；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＝h_m/H， β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板厚度和压电振子总厚度，E_m和E_p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。

非工作状态下，平衡簧片及激励簧片都不发生弯曲变形，激励簧片两侧对称安装的压电 振子的变形和受力状态分别相同。工作状态下，即有流体从右到左流过钝体时，钝体会受到 流体施加的上下交变的作用力，从而使钝体往复摆动，再经激励磁铁与被激磁铁之间的相互吸引力带动激励簧片往复摆动；激励簧片再经顶块迫使压电振子产生单向弯曲变形；当激励 簧片一侧的压电振子弯曲变形量及压电晶片所受的压应力逐渐增加时，另一侧压电振子的变 形量及压电晶片所受的压应力逐渐减小；压电晶片所受压应力的交替增加与减小过程中即将 机械能转变成电能；被激磁铁与某一个限位磁铁相接触时，压电晶片所受的压应力不大于其许用值。

本发明中，压电振子与顶块构成一个弹簧质量系统，激励簧片与被激磁铁及质量块构成 一个弹簧质量系统，激励磁铁与钝体及平衡簧片构成一个弹簧质量系统，故发电机总体为三 自由度系统。

优势与特色：①发电机为3自由度系统且易通过各子系统质量及刚度调节其固有频率， 频带宽、流体环境适应性强；②压电振子不与流体直接作用、工作中压电晶片仅承受分布均 匀且可控的压应力，可靠性高、发电量大；③利用钝体所受流体升力产生自激振动，低速时激励效果也较好。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4本发明一个较佳实施例中调频器的结构示意图。

具体实施方式

壳体a的侧壁端部经螺钉安装有端盖b，壳体底壁a1的外侧为圆弧面，壳体底壁a1的内侧 安装有限位磁铁x，壳体底壁a1外侧设有两个耳板a2，两个耳板a2经横梁a3连接；端盖b的凸 台b1上经螺钉及压板c安装有压电振子d和激励簧片e，激励簧片e两侧的压电振子d的数量相 等，激励簧片e与其相邻的压电振子d的固定端之间、以及两个相邻压电振子d的固定端之间压 接有垫片f；压电振子d由基板d1和压电晶片d2粘接而成，压电振子d的自由端经螺钉安装有顶 块g，顶块g位于基板d1一侧，顶块g的非固定端为圆弧形，顶块g顶靠在激励簧片e上，激励簧 片e的自由端经螺钉安装有质量块h和被激磁铁i；调频器j的两个立壁j1经螺钉分别安装在两个 耳板a2上且横向位置可调整，调频器j的滑槽j2内套有平衡簧片k，平衡簧片k的一端经螺钉和 压块一m安装在横梁a3上、另一端经螺钉和压块二n安装在中空的钝体p上，钝体p上经螺钉安装有激励磁铁q，被激磁铁i与激励磁铁q的相互作用力为吸引力、与限位磁铁x间的作用力为 排斥力；激励簧片e与平衡簧片k的中介层位于同一平面内。

本发明中，压电振子d安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且压电晶片d2承受压应力， 非工作时压电晶片d2上最大的压应力为其许用压应力的一半；顶块g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＝h_m/H， β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板d1厚度和压电振子d总厚度，E_m和E_p分别为基板d1和压电晶片 d2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d 的长度。

非工作状态下，平衡簧片k及激励簧片e都不发生弯曲变形，激励簧片e两侧对称安装的 压电振子d的变形和受力状态分别相同。工作状态下，即有流体从右到左流过钝体p时，钝体p 会受到流体施加的上下交变的作用力，从而使钝体p往复摆动，再经被激磁铁i与激励磁铁q之 间的相互吸引力带动激励簧片e往复摆动；激励簧片e再经顶块g迫使压电振子d产生单向弯曲 变形；当激励簧片e一侧的压电振子d弯曲变形量及压电晶片d2所受的压应力逐渐增加时，另 一侧压电振子d的变形量及压电晶片d2所受的压应力逐渐减小；压电晶片d2所受压应力的交替 增加与减小过程中即将机械能转变成电能；被激磁铁i与某一个限位磁铁x相接触时，压电晶 片d2所受的压应力不大于其许用压应力。

本发明中，压电振子d与顶块g构成一个弹簧质量系统、激励簧片e与被激磁铁i及质量块 h构成一个弹簧质量系统、激励磁铁q与钝体p及平衡簧片k构成一个弹簧质量系统，故发电机 总体为三自由度系统。

Claims (1)

1.一种可调频水流致振发电机，其特征在于：壳体的侧壁端部安装有端盖，壳体底壁内侧安装有限位磁铁，壳体底壁外侧为圆弧面且设有两个耳板，两个耳板经横梁连接；端盖的凸台上经螺钉及压板安装有压电振子和激励簧片，激励簧片两侧压电振子数量相等，激励簧片与其相邻的压电振子的固定端之间、以及两个相邻压电振子的固定端之间压接有垫片；压电振子由基板和压电晶片粘接而成，压电振子自由端经螺钉安装有顶块，顶块位于基板一侧，顶块的非固定端为圆弧形，顶块顶靠在激励簧片上，激励簧片自由端安装有质量块和被激磁铁；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一半；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＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板厚度和压电振子总厚度，E_m和E_p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；调频器的两个立壁分别安装在两个耳板上且横向位置可调整，调频器的滑槽内套有平衡簧片，平衡簧片的一端经螺钉和压块一安装在横梁上、另一端经螺钉和压块二安装在中空的钝体上，钝体上经螺钉安装有激励磁铁，被激磁铁与激励磁铁的相互作用力为吸引力、与限位磁铁的作用力为排斥力；激励簧片与平衡簧片的中介层位于同一平面内；工作状态下，激励簧片经顶块迫使压电振子产生单向弯曲变形；受激磁铁与某一个限位磁铁相接触时，压电晶片所受的压应力不大于其许用值。