CN107395057A - 一种逐级间接激励式水流发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种逐级间接激励式水流发电机，属发电领域。端盖装在壳体的筒壁端部，端盖上设有凸台和内耳板，凸台上设有限位板，凸台两侧装有换能器，内耳板上装有簧片；方导柱两端分别固定在两个内耳板上，方导柱上套有内弹簧和惯性块，内弹簧位于惯性块上下两侧；惯性块左右两侧分别装有顶块和被激磁铁，顶块位于两个换能器中间，换能器自由端与顶块相接触但无作用力；壳体的底壁内侧镶嵌有线圈、外侧设有上下耳板，上下耳板经两个圆导柱相互连接，钝体两端分别套在两个圆导柱上，钝体为中空结构，圆导柱上套有两个外弹簧，外弹簧两端分别压在钝体和上耳板或下耳板上；钝体的翼板上装有激励磁铁，激励磁铁与被激磁铁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，具体涉及一种逐级间接激励式水流发电机，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
本发明提出一种逐级间接激励式水流发电机，本发明采用的实施方案是：端盖经螺钉安 装在壳体的筒壁端部，端盖上设有一个凸台和两个内耳板，凸台位于端盖中心处，两个内耳 板对称配置在凸台上下两侧，凸台上设有限位板；凸台上下两侧经螺钉和压板装有换能器， 换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近凸台安装；内耳板上经螺钉安装有簧片，簧片位 于换能器自由端的上方或下方；方导柱的两端分别固定在两个内耳板上，方导柱上套有两个 内弹簧和一个惯性块，内弹簧位于惯性块上下两侧；惯性块左右两侧经螺钉分别安装有顶块 和被激磁铁，顶块位于两个换能器中间，换能器自由端与顶块相互接触但无作用力；壳体的 底壁内侧镶嵌有线圈、外侧设有上下耳板，上下耳板经两个圆导柱相互连接，钝体两端分别 套在两个圆导柱上，钝体为中空结构，圆导柱上套有两个外弹簧，外弹簧两端分别压在钝体 和上耳板或下耳板上；钝体的翼板上经螺钉安装有激励磁铁，激励磁铁与被激磁铁的异性磁 极相对安装。
非工作状态下，即流体不流动、钝体静止时，激励磁铁与被激磁铁的水平中介面相互重 叠，顶块上下两侧的换能器均不发生弯曲变形；工作时，即有流体流过钝体时，钝体受到流 体施加的上下交变作用力并带动激励磁铁一起沿圆导柱上下往复移动，激励磁铁经与被激磁 铁耦合作用使惯性块及顶块沿方导柱上下移动；惯性块及顶块向上运动时顶块使其上方的换 能器弯曲变形，惯性块及顶块向下运动时顶块使其下方的换能器弯曲变形；当钝体经激励磁 铁与被激磁铁耦合作用使惯性块及顶块复位时，换能器在其自身弹性力的作用下复位、变形 量逐渐减小，基板从固定端开始逐渐与限位板接触，以防止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，由于激励磁铁及被激磁铁相对线圈上下运动，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，钝体沿圆导柱上下移动的振幅由外弹簧确定，惯性块沿方导柱上下移动的振 幅由内弹簧确定；惯性块受静力作用使内弹簧压死时，惯性块及顶块通过换能器将簧片压靠 在内耳板上，此时压电膜上的最大压应力小于其许用值、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。
本发明中，钝体及激励磁铁与外弹簧构成一个弹簧质量系统，顶块、被激磁铁及惯性块 与内弹簧构成一个弹簧质量系统，换能器自身为一个弹簧质量系统，故总体为三自由度系统。
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发电机为三自由度系统，有效频带宽、流速适应性强。
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是本发明一个较佳实施例中端盖的结构示意图；
图4是图3的右视图。
具体实施方式
端盖a经螺钉安装在壳体b的筒壁b1端部，端盖a上设有一个凸台a1和两个内耳板a2，凸台 a1位于端盖a的中心处，两个内耳板a2对称配置在凸台a1的上下两侧，凸台a1上设有限位板a3； 凸台a1的上下两侧经螺钉和压板c安装有换能器d，换能器d由基板d1和压电膜d2粘接而成，基 板d1靠近凸台a1安装；内耳板a2上经螺钉安装有簧片f，簧片f位于换能器d自由端的上方或下 方；方导柱g的两端分别固定在两个内耳板a2上，方导柱g上套有两个内弹簧h和一个惯性块i， 内弹簧h位于惯性块i的上下两侧；惯性块i的左右两侧经螺钉分别安装有顶块j和被激磁铁k， 顶块j位于两个换能器d的中间，换能器d的自由端与顶块j相互接触但无作用力；壳体b的底壁 b2内侧镶嵌有线圈x、外侧设有上耳板b3和下耳板b4，上耳板b3和下耳板b4经两个圆导柱m相 互连接，钝体n的两端分别套在两个圆导柱m上，钝体n为中空结构，圆导柱m上套有两个外弹 簧p，外弹簧p两端分别压在钝体n上和上耳板b3或下耳板b4上；钝体n的翼板n1上经螺钉安装 有激励磁铁q，激励磁铁q与被激磁铁k的异性磁极相对安装。
非工作状态下，即流体不流动、钝体n静止时，激励磁铁q与被激磁铁k的水平中介面相 互重叠，顶块j上下两侧换能器d均不发生弯曲变形；工作时，即有流体流过钝体n时，钝体n 受到流体施加的上下交变的作用力并带动激励磁铁q一起沿圆导柱m上下往复移动，激励磁铁 q经与被激磁铁k耦合作用使惯性块i及顶块j沿方导柱g上下移动；惯性块i及顶块j向上运动时顶 块j使其上方的换能器d弯曲变形，惯性块i及顶块j向下运动时顶块j使其下方的换能器d弯曲变 形；当钝体n经激励磁铁q与被激磁铁k耦合作用使惯性块i及顶块j复位时，换能器d在其自身弹 性力的作用下复位、变形量逐渐减小，基板d1从固定端开始逐渐与限位板a3接触，以防止出 现使压电膜d2承受拉应力的反向变形；上述压电膜d2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，由于激励磁铁q及被激磁铁k 相对线圈x上下运动，线圈x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n沿圆导柱m上下移动的振幅由外弹簧p确定，惯性块i沿方导柱g上下移 动的振幅由内弹簧h确定；惯性块i受静力作用使内弹簧h压死时，惯性块i及顶块j通过换能器d将簧片f压靠在内耳板a2上，此时压电膜d2上的最大压应力小于其许用值、换能器d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d1的厚度，H为换能器d的 总厚度，Em和Ep分别为基板d1和压电膜d2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d的长度。
本发明中，钝体n及激励磁铁q与外弹簧p构成一个弹簧质量系统，顶块j、被激磁铁k及 惯性块i与内弹簧h构成一个弹簧质量系统，换能器d自身为一个弹簧质量系统，故总体为三自 由度系统。
Claims (1)
1.一种逐级间接激励式水流发电机，其特征在于：端盖经螺钉安装在壳体的筒壁端部，端盖上设有一个凸台和两个内耳板，凸台位于端盖中心处，两个内耳板对称配置在凸台上下两侧，凸台上设有限位板；凸台上下两侧经螺钉和压板装有换能器，换能器由基板和压电膜粘接而成，基板靠近凸台安装；内耳板上经螺钉安装有簧片，簧片位于换能器自由端的上方或下方；方导柱的两端分别固定在两个内耳板上，方导柱上套有两个内弹簧和一个惯性块，内弹簧位于惯性块上下两侧；惯性块左右两侧经螺钉分别安装有顶块和被激磁铁，顶块位于两个换能器中间，换能器自由端与顶块相互接触但无作用力；壳体的底壁内侧镶嵌有线圈、外侧设有上下耳板，上下耳板经两个圆导柱相互连接，钝体两端分别套在两个圆导柱上，钝体为中空结构，圆导柱上套有两个外弹簧，外弹簧两端分别压在钝体和上耳板或下耳板上；钝体的翼板上经螺钉安装有激励磁铁，激励磁铁与被激磁铁的异性磁极相对安装；惯性块受静力作用使内弹簧压死时，惯性块及顶块通过换能器将簧片压靠在内耳板上，此时换能器端部的弯曲变形量小于其许用值。
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