CN107359822A - 一种位移放大式钝体扰流俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位移放大式钝体扰流俘能器，属发电领域。壳体侧壁内侧装有簧片、端部装有框架；框架立板左侧设有定位条、凸台和限位板，凸台上设有沉孔、限位板上设有横销孔；立板右侧设有上下横板，上下横板上都设有过流孔和竖销孔；横销两端固定于横销孔中，杠杆的销孔套在横销上；杠杆左臂端部设有顶块，杠杆右臂端部装有磁块；凸台上的沉孔中装有线圈，凸台两侧装有换能器，换能器由基板和压电膜粘接而成，基板与限位板及顶块接触但无相互作用力；钝体两端的销孔套在竖销上，竖销两端分别固定在上下横板上的竖销孔中；竖销上套有两个弹簧，弹簧两端分别压在钝体上和上横板或下横板上；钝体的翼板上装有磁条，磁条与磁块的异性磁极相对。

Description

一种位移放大式钝体扰流俘能器

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种位移放大式钝体扰流俘能器，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

本发明提出一种位移放大式钝体扰流俘能器，本发明采用的实施方案是：壳体的侧壁内 侧经螺钉安装有簧片、端部经螺钉安装有框架；框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 横销孔；立板右侧设有上横板和下横板，上横板和下横板上都各设有一个过流孔和两个竖销 孔；横销两端固定于横销孔中，杠杆的销孔套在横销上，杠杆置于两个限位板之间；杠杆左 臂比杠杆右臂长，杠杆左臂端部上下两侧设有顶块，杠杆右臂端部经螺钉安装有磁块；凸台 上的沉孔中安装有线圈，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，基板与限位板及顶块接触但无相互作用力，换能器不发生 弯曲变形；空心的钝体两端的销孔套在竖销上，竖销两端分别固定在上横板和下横板上的竖 销孔中；每个竖销上都套有两个弹簧，弹簧的两端分别压在钝体上和上横板或下横板上；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 上下两侧换能器均处于自然状态、不发生弯曲变形；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竖销上下往复移动，磁条经与磁块耦合 作用使杠杆绕横销转动；杠杆绕横销顺时针转动时顶块迫使杠杆上方的换能器弯曲变形、杠 杆绕横销逆时针转动时顶块迫使杠杆下方的换能器弯曲变形，换能器的变形量及压电膜上的 压应力随杠杆转角增加而增加；相反，杠杆在钝体带动下复位时，换能器在其自身弹性力的 作用下复位；换能器复位过程中，基板从固定端开始逐渐与限位板接触，换能器的变形量逐 渐降低，但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，磁条沿竖销上 下往复移动、磁块绕横销往复摆动，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，钝体受静力作用使弹簧被压死时，杠杆通过换能器将簧片压靠在壳体的侧壁 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＝h_m/H， β＝E_m/E_p，h_m为基板厚度，H为换能器总厚度，E_m和E_p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的侧壁a1的内侧经螺钉安装有簧片b、端部经螺钉安装有框架c；框架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上设有横销孔c6；立板c1右侧设有上横板c7和下横 板c7’，上横板c7和下横板c7’上都各设有一个过流孔c8和两个竖销孔c9；横销d的两端固定 于横销孔c6中，杠杆e的销孔e1套在横销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端部上下两侧设有顶块e4，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，基板i1与限位板c4及顶块e4接触但无 相互作用力，换能器i不发生弯曲变形；空心的钝体k两端的销孔套在竖销m上，竖销m两端分 别固定在上横板c7和下横板c7’上的竖销孔c9中；每个竖销m上都套有两个弹簧n，弹簧n的两 端分别压在钝体k上和上横板c7或下横板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均处于自然状态、不发生弯曲变形；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一起沿着竖销m上下往复移动，磁条p经 与磁块f耦合作用使杠杆e绕横销d转动；杠杆e绕横销d顺时针转动时顶块e4迫使杠杆e上方的换 能器i弯曲变形、杠杆e绕横销d逆时针转动时顶块e4迫使杠杆e下方的换能器i弯曲变形，换能 器i的变形量及压电膜i2上的压应力随杠杆e转角增加而增加；相反，杠杆e在钝体k带动下复位 时，换能器i在其自身弹性力的作用下复位；换能器i复位过程中，基板i1从固定端开始逐渐与 限位板c4接触，换能器i的变形量逐渐降低，但不会出现使压电膜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沿竖销m上下往复移动、磁块f绕横销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沿竖销m上下摆动的振幅由弹簧n确定；钝体k受静力作用使弹簧n被压 死时，杠杆e通过换能器i将簧片b压靠在壳体a的侧壁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＝h_m/H， β＝E_m/E_p，h_m为基板i1的厚度，H为换能器i的总厚度，E_m和E_p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的长度。

Claims (1)

1.一种位移放大式钝体扰流俘能器，其特征在于：壳体的侧壁内侧经螺钉安装有簧片、端部经螺钉安装有框架；框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、限位板上设有横销孔；立板右侧设有上横板和下横板，上横板和下横板上都各设有一个过流孔和两个竖销孔；横销两端固定于横销孔中，杠杆的销孔套在横销上，杠杆置于两个限位板之间；杠杆左臂比杠杆右臂长，杠杆左臂端部上下两侧设有顶块，杠杆右臂端部经螺钉安装有磁块；凸台上的沉孔中安装有线圈，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，基板与限位板及顶块接触但无相互作用力，换能器不发生弯曲变形；空心的钝体两端的销孔套在竖销上，竖销两端分别固定在上横板和下横板上的竖销孔中；每个竖销上都套有两个弹簧，弹簧的两端分别压在钝体上和上横板或下横板上；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；钝体受静力作用使弹簧被压死时，杠杆通过换能器将簧片压靠在壳体的侧壁上，此时换能器端部的弯曲变形量小于其许用值。