CN107359772A - 一种磁耦合逐级激励式流体俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁耦合逐级激励式流体俘能器，属发电领域。壳体的筒壁内侧装有簧片、端部装有支架；支架立板左侧设有定位条、凸台和限位板，凸台上设有沉孔、限位板上设有销孔；立板右侧设有上下耳板，上下耳板上设有过流孔和导向孔；销轴两端固定于销孔中，杠杆销孔套在销轴上；杠杆左臂端部装有悬浮磁铁，杠杆右臂端部装有磁块；凸台的沉孔中装有线圈，凸台上下两侧装有换能器，换能器自由端装有被悬浮磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对；钝体两端的导向孔套在导柱上，导柱两端分别固定在上下耳板的导向孔中；导柱上套有两个弹簧，弹簧两端分别压在钝体上和上耳板或下耳板上；钝体的翼板上装有磁条，磁条与磁块的异性磁极相对安装。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种磁耦合逐级激励式流体俘能器，为河流监测系 统供电。
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
本发明提出一种磁耦合逐级激励式流体俘能器，本发明采用的实施方案是：壳体的筒壁 内侧经螺钉安装有簧片、端部经螺钉安装有支架；支架的立板左侧对称地设有两个定位条、 两个凸台和两个限位板，凸台和限位板的上下表面分别共面，凸台上设有沉孔、限位板上设 有销孔；立板右侧设有上下耳板，上下耳板上都设有一个过流孔和两个导向孔；销轴两端固 定于销孔中，杠杆的销孔套在销轴上，杠杆置于两个限位板之间；杠杆左臂比杠杆右臂长， 杠杆左臂端部横梁上下两侧都经螺钉安装有悬浮磁铁，杠杆右臂端部经螺钉安装有磁块；凸 台上的沉孔中装有线圈，凸台上下两侧均经螺钉和压板安装有换能器，换能器由基板和压电 膜粘接而成，基板靠近凸台安装，换能器自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁，被悬浮磁铁与悬 浮磁铁的同性磁极相对安装；空心的钝体两端的导向孔套在导柱上，导柱两端分别固定在上 下耳板的导向孔中；每个导柱上都套有两个弹簧，弹簧两端分别压在钝体上和上耳板或下耳 板上；钝体的翼板上经螺钉安装有磁条，磁条与磁块的异性磁极相对安装，钝体静止时磁条 与磁块的水平中介面相互重叠。
非工作状态下，即流体不流动、钝体静止时，磁条与磁块的水平中介面相互重叠，杠杆 上下两侧换能器变形及压电膜应力分布状态分别相同；工作时，即有流体流过钝体时，钝体 受到流体施加的上下交变的作用力并带动磁条一起沿着导柱上下往复移动，磁条经与磁块耦 合作用使杠杆绕销轴转动；杠杆顺时针转动时悬浮磁铁经与被悬浮磁铁耦合作用使杠杆上方 的换能器弯曲变形量增加、下方换能器变形量减小，杠杆逆时针转动时悬浮磁铁经与被悬浮 磁铁耦合作用使杠杆下方换能器弯曲变形量增加、上方换能器弯曲变形量减小；换能器变形 量减小过程中，基板从固定端开始逐渐与限位板接触，不会出现使压电膜承受拉应力的反向 变形；上述压电膜上压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转换成了电能，此过程为压 电发电；在压电发电的同时，磁条沿导柱上下往复移动、磁块绕销轴往复摆动，线圈切割磁 力线并将机械能转换成电能，此过程为电磁发电。
本发明中，钝体沿导柱上下移动的振幅由弹簧确定；钝体受静力作用使弹簧被压死时， 杠杆通过悬浮磁铁、被悬浮磁铁及换能器将簧片压靠在壳体的筒壁上，此时压电膜上的最大 压应力小于其许用压应力、换能器端部的弯曲变形量小于其许用值
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为基板厚度，H为换能器总厚度，Em和Ep分别为基板和压电膜材料的杨氏模 量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器的长度。
优势与特色：①利用钝体所受流体升力产生自激振动，激振力及激励频率可通过钝体尺 度调节，流体适应性强、结构简单；②换能器变形量可控且工作中压电膜仅承受压应力，可 靠性高；③杠杆具有振幅放大功能，有利于提高发电能力。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明一个较佳实施例中框架的结构示意图；
图4是图3的左视图；
图5是图3的俯视图；
图6是杠杆的结构示意图。
具体实施方式
壳体a的筒壁a1的内侧经螺钉安装有簧片b、端部经螺钉安装有支架c；支架c的立板c1左 侧对称地设有两个定位条c2、两个凸台c3和两个限位板c4，凸台c3和限位板c4的上下表面分 别共面，凸台c3上设有沉孔c5、限位板c4上设有销孔c6；立板c1右侧设有上耳板c7和下耳板c7’， 上耳板c7和下耳板c7’上都设有一个过流孔c8和两个导向孔c9；销轴d的两端固定于销孔c6中， 杠杆e的销孔e1套在销轴d上，杠杆e置于两个限位板c4之间；杠杆左臂e2比杠杆右臂e3长，杠 杆左臂e2端部的横梁e4上下两侧都经螺钉安装有悬浮磁铁q，杠杆右臂e3端部经螺钉安装有磁 块f；凸台c3上的沉孔c5中安装有线圈g，凸台c3的上下两侧均经螺钉和压板h安装有换能器i， 换能器i由基板i1和压电膜i2粘接而成，基板i1靠近凸台c3安装，换能器i自由端经螺钉安装有 被悬浮磁铁r，被悬浮磁铁r与悬浮磁铁q的同性磁极相对安装；空心的钝体k两端的导向孔套 在导柱m上，导柱m两端分别固定在上耳板c7和下耳板c7’上的导向孔c9中；每个导柱m上都套 有两个弹簧n，弹簧n的两端分别压在钝体k上和上耳板c7或下耳板c7’上；钝体k的翼板k1上 经螺钉安装有磁条p，磁条p与磁块f的异性磁极相对安装，钝体k静止时磁条p与磁块f的水平 中介面相互重叠。
非工作状态下，即流体不流动、钝体k静止时，磁条p与磁块f的水平中介面相互重叠， 杠杆e上下两侧换能器i变形及压电膜i2应力分布状态分别相同；工作时，即有流体流过钝体k 时，钝体k受到流体施加的上下交变的作用力并带动磁条p一起沿着导柱m上下往复移动，磁 条p经与磁块f耦合作用使杠杆e绕销轴d转动；杠杆e顺时针转动时悬浮磁铁q经与被悬浮磁铁r 耦合作用使杠杆e上方的换能器i弯曲变形量增加、下方换能器i的变形量减小，杠杆e逆时针转 动时悬浮磁铁q经与被悬浮磁铁r耦合作用使杠杆e下方的换能器i弯曲变形量增加、上方的换能 器i弯曲变形量减小；换能器i变形量减小过程中，基板i1从固定端开始逐渐与限位板c4接触， 不会出现使压电膜i2承受拉应力的反向变形；上述压电膜i2上压应力的交替增加与减小过程中 即将机械能转换成了电能，此过程为压电发电；在压电发电的同时，磁条p沿导柱m上下往复 移动、磁块f绕销轴d往复摆动，线圈g切割磁力线并将机械能转换成电能，此过程为电磁发电。
本发明中，钝体k沿导柱m上下移动的振幅由弹簧n确定；钝体k受静力作用使弹簧n被压 死时，杠杆e通过悬浮磁铁q、被悬浮磁铁r及换能器i将簧片b压靠在壳体a的筒壁a1上，此时压 电膜i2上的最大压应力小于其许用压应力、换能器i端部的弯曲变形量小于其许用值 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为基板i1的厚度，H为换能器i的总厚度，Em和Ep分别为基板i1和压电膜i2材料 的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器i长度。
Claims (1)
1.一种磁耦合逐级激励式流体俘能器，其特征在于：壳体的筒壁内侧装有簧片、端部装有支架；支架的立板左侧对称地设有两个定位条、两个凸台和两个限位板，凸台和限位板的上下表面分别共面，凸台上设有沉孔、限位板上设有销孔；立板右侧设有上下耳板，上下耳板上都设有一个过流孔和两个导向孔；销轴两端固定于销孔中，杠杆的销孔套在销轴上，杠杆置于两个限位板之间；杠杆左臂比杠杆右臂长，杠杆左臂端部横梁上下两侧都装有悬浮磁铁，杠杆右臂端部装有磁块；凸台上的沉孔中装有线圈，凸台上下两侧均装有换能器，换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近凸台安装，换能器自由端装有被悬浮磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；空心的钝体两端的导向孔套在导柱上，导柱两端分别固定在上下耳板的导向孔中；每个导柱上都套有两个弹簧，弹簧两端分别压在钝体上和上耳板或下耳板上；钝体的翼板上装有磁条，磁条与磁块的异性磁极相对安装；钝体静止时磁条与磁块的水平中介面相互重叠，杠杆上下两侧换能器变形及压电膜应力分布状态分别相同；钝体受静力作用使弹簧被压死时，杠杆通过悬浮磁铁、被悬浮磁铁及换能器将簧片压靠在壳体的筒壁上，此时换能器端部弯曲变形量小于其许用值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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