CN107359812A - 一种用于河流监测的间接激励式压电俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于河流监测的间接激励式压电俘能器，属压电发电领域。外筒内装有内壳，内壳的凸台上装有压电振子和激励簧片；压电振子的自由端装有被悬浮磁铁，激励簧片的自由端装有悬浮磁铁、调频质量块和受激磁铁；内壳的侧壁端部装有端盖，端盖和内壳的斜凸台上装有限位磁铁，限位磁铁与被悬浮磁铁的同性磁极相对安装；端盖上与内壳左侧的轴承中装有滚筒，滚筒上嵌有激励磁铁；滚筒右侧的滚盘上嵌有被驱磁铁，滚盘左端面及端盖底壁装有缓冲簧片；内壳右轴承中装有带叶片的轴套，轴套上嵌有驱动磁铁；压电振子安装前为平直结构、安装后因磁力作用变为弯曲结构。

Description

一种用于河流监测的间接激励式压电俘能器

技术领域

本发明属于压电发电技术领域，具体涉及一种用于河流监测的间接激励式压电俘能器，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》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，本发明提出一种用于河流监测的间接激励式压电俘能器。本发明采用的实施方案是：外筒内部经筋板安装有内壳，内壳的侧壁设有凸台；所述凸台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；压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，金属基板靠近激励簧片安装；压电振子的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁，激励簧片的自由端两侧经螺钉安装有悬浮磁铁、调频质量块和受激磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；内壳的侧壁端部经螺钉安装有端盖，端盖和内壳的底壁斜凸台上经螺钉安装有限位磁铁，限位磁铁与被悬浮磁铁的同性磁极相对安装；端盖的底壁右侧及内壳的底壁两侧上设有沉孔，沉孔中分别镶嵌有轴承；端盖上的轴承与内壳左侧的轴承的内圈中安装有滚筒，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激励簧片的中心对称布置，激励磁铁的磁极沿滚筒的径向布置，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；滚筒的右侧设有滚盘，滚盘的右端面上均布地镶嵌有被驱磁铁；滚盘的左侧端面及端盖的底壁经螺钉安装有缓冲簧片；内壳右侧的轴承内圈中安装有带叶片的轴套，轴套的左端面上均布地镶嵌有驱动磁铁，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、安装后由于磁力作用变为弯曲结构；激励簧片不发生弯曲变形时，激励簧片两侧压电振子的变形及受力状态分别相同；当利用外力使压电振子与限位磁铁相接触时，压电晶片上的最大压应力小于其许用压应力、压电振子端部的弯曲变形量不大于许用值其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为金属基板的厚度，H为压电振子的总厚度，E_m和E_p分别为金属基板和压电晶片的杨氏模量，k₃₁和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。

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，从而使受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；受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，受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；受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悬浮磁铁与被悬浮磁铁间的排斥力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，受激磁铁振动过程中先与缓冲簧片接触并使其产生弯曲变形，压电振子由于限位磁铁与被悬浮磁铁的作用不会发生相互接触。

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俘能器的结构示意图；

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内部经筋板a1安装有内壳a2，内壳a2的侧壁设有凸台a3；所述凸台a3经螺钉和压环b安装有压电振子c和激励簧片d，激励簧片d两侧的压电振子c数量相等且对称布置；压电振子c由金属基板c1和压电晶片c2粘接而成，金属基板c1靠近激励簧片d安装；压电振子c的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁g，激励簧片d的自由端两侧经螺钉安装有悬浮磁铁h、受激磁铁i和调频质量块j，悬浮磁铁h与被悬浮磁铁g的同性磁极相对安装；内壳a2的侧壁端部经螺钉安装有端盖k，端盖k和内壳a2的底壁斜凸台上经螺钉安装有限位磁铁w，限位磁铁w与被悬浮磁铁g的同性磁极相对安装；端盖k的底壁右侧及内壳a2的底壁两侧上设有沉孔，沉孔中分别镶嵌有轴承m；端盖k上的轴承m与内壳a2左侧的轴承m的内圈中安装有滚筒n，滚筒n的两个不同的轴截面上都均布地镶嵌有激励磁铁u，两个截面上的激励磁铁u相对激励簧片d的中心对称布置，激励磁铁u的磁极沿滚筒n的径向布置，激励磁铁u与受激磁铁i的异性磁极相对安装；滚筒n的右侧设有滚盘n1，滚盘n1的右端面上均布地镶嵌有被驱磁铁p；滚盘n1的左侧端面及端盖k的底壁经螺钉安装有缓冲簧片q；内壳a2右侧的轴承m内圈中安装有带叶片r的轴套s，轴套s的左端面上均布地镶嵌有驱动磁铁t，驱动磁铁t与被驱磁铁p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c安装前为平直结构、安装后由于磁力作用变为弯曲结构；激励簧片d不发生弯曲变形时，激励簧片d两侧压电振子c的变形及受力状态分别相同；当利用外力使压电振子c与限位磁铁w相接触时，压电晶片c2上的最大压应力小于其许用压应力、压电振子c端部的弯曲变形量不大于许用值其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m为金属基板c1的厚度，H为压电振子c的总厚度，E_m和E_p分别为金属基板c1和压电晶片c2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为压电振子c的长度。

工作时，即环境中有流体流过时，叶片r受流体力作用并带动轴套s及驱动磁铁t一起转动，再经驱动磁铁t与被驱磁铁p间的吸引力驱动滚筒n转动，从而使受激磁铁i与其两侧的激励磁铁u之间的距离及相互作用力交替地增加与减小；受激磁铁i左侧的激励磁铁u逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，右侧的激励磁铁u逐渐转远、磁耦合力逐渐减小；此后，随滚筒n继续转动，受激磁铁i左侧的激励磁铁u逐渐转远、磁耦合力逐渐减小，而右侧激励磁铁u逐渐转近、磁耦合力逐渐增加；受激磁铁i与其两侧激励磁铁u之间作用力的交替增加与减小的变化过程中，激励簧片d产生往复弯曲变形并经悬浮磁铁h与被悬浮磁铁g间的排斥力迫使压电振子c单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；激励簧片d的振幅较大时，受激磁铁i振动过程中先与缓冲簧片q接触并使其产生弯曲变形，压电振子c由于限位磁铁w与被悬浮磁铁g的作用不会发生相互接触。

Claims (1)

1.一种用于河流监测的间接激励式压电俘能器，其特征在于：外筒内部经筋板安装有内壳，内壳的侧壁上的凸台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；压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，金属基板靠近激励簧片安装；压电振子的自由端安装有被悬浮磁铁，激励簧片的自由端两侧安装有悬浮磁铁、调频质量块和受激磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；内壳的侧壁端部安装有端盖，端盖和内壳的底壁斜凸台上安装有限位磁铁，限位磁铁与被悬浮磁铁的同性磁极相对安装；端盖的底壁右侧及内壳的底壁两侧的沉孔中分别镶嵌有轴承；端盖上与内壳底壁左侧的轴承中安装有滚筒，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激励簧片的中心对称布置，激励磁铁的磁极沿滚筒的径向布置，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；滚筒的右侧设有滚盘，滚盘的右端面上均布地镶嵌有被驱磁铁；滚盘的左侧端面及端盖的底壁安装有缓冲簧片；内壳右侧的轴承内圈中安装有带叶片的轴套，轴套的左端面上均布地镶嵌有驱动磁铁，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；压电振子安装前为平直结构、安装后由于磁力作用变为弯曲结构；激励簧片不发生弯曲变形时，激励簧片两侧压电振子的变形及受力状态分别相同；当利用外力使压电振子与限位磁铁相接触时，压电晶片上的最大压应力小于其许用压应力。