CN107359811B - 一种间接激励式流体压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种间接激励式流体压电俘能器，属压电发电领域。外筒的内部连接有壳体，壳体上装有端盖；壳体的凸环上装有压电振子，压电振子之间压接有垫块，垫块两侧的压电振子的数量相等且对称布置；压电振子的自由端安装有受激磁铁；端盖上与左半轴上装有限位簧片；端盖上设有左右两个半轴，左半轴两端安装在端盖和壳体的底壁上，左半轴的三个截面上都均布地安装有激励磁铁一和激励磁铁二，激励磁铁一与受激磁铁的异性磁极相对安装，激励磁铁二与受激磁铁的异性磁极相对安装；右半轴上经轴承安装在壳体的底壁上，右半轴带有凸环和叶片；凸环的左端面上嵌有驱动磁铁，左半轴的右端面上装有被驱磁铁，驱动磁铁与被驱磁铁的异性磁极相对安装。
Description
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流体压电俘能器，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等使用不当等原因，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、水位以及河道水流流速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比较成熟，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流体压电俘能器，本发明采用的实施方案是：外筒的内部经筋板连接有壳体，壳体的侧壁端部经螺钉安装有端盖；壳体的凸环上经螺钉和压环安装有一对压电振子，每对压电振子之间压接有垫块，垫块两侧的压电振子的数量相等且对称布置；压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，压电振子的金属基板靠近安装；压电振子的自由端经螺钉安装有受激磁铁；壳体上设有左半轴和右半轴，左半轴经两个轴承分别安装在端盖和壳体的底壁上；端盖上经螺钉安装有限位簧片，左半轴上经螺钉安装有限位簧片；左半轴的三个截面上都均布地镶嵌安装有激励磁铁一和激励磁铁二，激励磁铁一相对垫块对称布置，激励磁铁二的中介面与垫块中介面在同一水平面，激励磁铁一和激励磁铁二的磁极沿转轴的径向布置，激励磁铁一与受激磁铁的异性磁极相对安装，激励磁铁二与受激磁铁的异性磁极相对安装，受激磁铁同性磁极相对布置；右半轴上经轴承安装在壳体的底壁上，右半轴带有凸环和叶片，凸环的左端面上均布镶嵌安装有驱动磁铁，左半轴的右端面上均布镶嵌安装有被驱磁铁，驱动磁铁与被驱磁铁的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非工作时压电晶片上所承受的最大压应力为其许用压应力的50％，此时压电振子的变形量为
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分别为金属基板厚度和压电振子的总厚度，Em和Ep分别为金属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。
受激磁铁不受激励磁铁一或激励磁铁二作用时，垫块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凸环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左半轴转动，从而使受激磁铁与激励磁铁一和激励磁铁二之间的距离及相互作用力交替地增加与减小：受激磁铁与激励磁铁一逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，与激励磁铁二逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随左半轴继续转动，受激磁铁与激励磁铁一逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而与激励磁铁二逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；受激磁铁与激励磁铁一和激励磁铁二之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，迫使压电振子单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；当受激磁铁与激励磁铁二相对时，压电振子的弯曲变形量最小；当受激磁铁与激励磁铁一相对时，压电振子的弯曲变形量最大，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可控的压应力，可靠性高；②激励磁铁同时激励多个压电振子，发电能力强。
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。
具体实施方式
外筒b3的内部经筋板b4连接有壳体b，壳体b的侧壁端部经螺钉安装有端盖a；壳体b的凸环b1上经螺钉和压环c安装有一对压电振子d，每对压电振子d之间压接有垫块q，垫块q两侧的压电振子d的数量相等且对称布置；压电振子d由金属基板d1和压电晶片d2粘接而成，压电振子d的金属基板d1靠近安装；压电振子d的自由端经螺钉安装有受激磁铁e；壳体b上设有左半轴f和右半轴k，左半轴f经两个轴承g分别安装在端盖a和壳体b的底壁b2上；端盖a上经螺钉安装有限位簧片n，左半轴f上经螺钉安装有限位簧片n’；左半轴f的三个截面上都均布地镶嵌安装有激励磁铁一h和激励磁铁二h’，激励磁铁一h相对垫块q对称布置，激励磁铁二h’的中介面与垫块q中介面在同一水平面，激励磁铁一h和激励磁铁二h’的磁极沿转轴i的径向布置，激励磁铁一h与受激磁铁e的异性磁极相对安装，激励磁铁二h’与受激磁铁e的异性磁极相对安装，受激磁铁e同性磁极相对布置；右半轴k上经轴承g安装在壳体b的底壁b2上，右半轴k带有凸环k1和叶片k2，凸环k1的左端面上均布镶嵌安装有驱动磁铁j，左半轴f的右端面上均布镶嵌安装有被驱磁铁i，驱动磁铁j与被驱磁铁i的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d安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且非工作时压电晶片d2上所承受的最大压应力为其许用压应力的50％，此时压电振子d的变形量为
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分别为金属基板d1厚度和压电振子d的总厚度，Em和Ep分别为金属基板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。
受激磁铁e不受激励磁铁一h或激励磁铁二h’作用时，垫块q两侧压电振子d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k2受流体力作用并带动凸环k1及驱动磁铁j一起转动，再经驱动磁铁j与被驱磁铁i间的吸引力驱动左半轴f转动，从而使受激磁铁e与激励磁铁一h和激励磁铁二h’之间的距离及相互作用力交替地增加与减小：受激磁铁e与激励磁铁一h逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，与激励磁铁二h’逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随左半轴f继续转动，受激磁铁e与激励磁铁一h逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而与激励磁铁二h’逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；受激磁铁e与激励磁铁一h和激励磁铁二h’之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，迫使压电振子d单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；当受激磁铁e与激励磁铁二h’相对时，压电振子d的弯曲变形量最小；当受激磁铁e与激励磁铁一h相对时，压电振子d的弯曲变形量最大，压电晶片d2上的最大压应力不超过其许用值。
Claims (1)
1.一种间接激励式流体压电俘能器，其特征在于：外筒的内部连接有壳体，壳体上装有端盖；壳体的凸环上装有压电振子，压电振子之间压接有垫块，垫块两侧的压电振子的数量相等且对称布置；压电振子的自由端安装有受激磁铁；端盖上与左半轴上装有限位簧片；端盖上设有左右两个半轴，左半轴两端安装在端盖和壳体的底壁上，左半轴的三个截面上都均布地安装有激励磁铁一和激励磁铁二，激励磁铁一与受激磁铁的异性磁极相对安装，激励磁铁二与受激磁铁的异性磁极相对安装；右半轴上经轴承安装在壳体的底壁上，右半轴带有凸环和叶片；凸环的左端面上嵌有驱动磁铁，左半轴的右端面上装有被驱磁铁，驱动磁铁与被驱磁铁的异性磁极相对安装；当受激磁铁与激励磁铁二相对时，压电振子的弯曲变形量最小；当受激磁铁与激励磁铁一相对时，压电振子的弯曲变形量最大，压电片上的最大压应力不超过其许用值。
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