CN107465301A - 一种外激共振发电方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电机技术领域，本发明提出一种外激共振发电方法及装置，将振动源与振动体连接，通过振动体形状的选择并设定振动源的频率，使得振动体和振动源在振动体的一阶固有频率下一起产生共振，并将振动体共振时产生的机械能转化成电能。
Description
技术领域
本发明涉及发电机技术领域。
背景技术
在自然界中，振动无处不在，大部分情况下振动对物体是有害的，比如机械设备在使用中产生的振动会使设备产生机械疲劳，降低设备的使用寿命等。振动还有可能引起共振，每个物体由于形状不同都有自己的N阶固有频率，物体的固有频率仅和物体的形状和材质有关，一阶固有频率的振幅最大，振动力也最大，依次减小，当外界给予的振动频率和物体的固有频率一致时，将产生共振。共振时因振幅的叠加，使得振动幅度大幅度增加，产生巨大的能量，从而对物体造成破坏。比如人群在桥上行走时不可齐步走，人群齐步走的步幅频率和桥梁固有频率一致时将引起桥梁共振，巨大的振动力有可能使桥梁垮塌。
但也有例外的情况，振动甚至于共振对物体是有利的，比如在电学中通过震荡电路把电信号放大是共振的一种应用。在声学中，声音通过一个腔体产生回波后声音被放大，是通过声波震荡把声音放大，也是把音波能量放大，这些输入小于输出的现象在物理学中称为特斯拉效应。共振的利用还有，比如一个金属物体在铸造、焊接、机加工过程中因金属内部原子排列发生变化导致金属内部产生应力，这个应力会缓慢释放，在应力释放过程中，物体会产生微小的形变，从而影响物体加工精度，因此人们会使用振动的方式来消除金属物体的应力，比如敲击金属物体，通过敲击使得金属物体产生振动，由于敲击不能达到共振，因此产生的振动幅度非常有限，振动能量也极小，因此通过敲击让金属件消除应力的周期非常长。为了加速释放应力，这时人们就会给物体一个激励的振动源，这个振动源的振动频率和被加工物体的振动频率一致，即使振动源的功率非常小，只要振动频率和金属件的一阶固有频率一致，也可以使被加工件产生共振，达到加速释放被加工件的应力的目的，这是人类对共振在机械学上的一种应用。如果设计和控制得当，可以提高振动体在共振时的振动幅度，并充分利用共振产生的动能。
振动源可以是一种自我振动的物体，比如由电动机带动偏心轮转动，振动源也可以是变化的风速，比如风吹在桥梁或建筑物上，当风速变化时，桥梁受到的载荷也发生了变化，这个交变载荷引起桥梁或建筑物的振动，对桥梁和建筑物产生破坏，因此在设计时都会考虑桥梁和建筑物的固有频率。振动中有二个重要参数，振动频率和振动幅度，振动频率和幅度决定振动能量的大小。
物体在振动时产生的机械能，是否可有效利用？答案是肯定的，为此人们设计出了各种类型的振动发电机，比如中国专利201510558137.3，201510557514.1，201510557387.5，201510557359.3，201510557421.9，201510558140.5201510411132.5，201510173146.0，201520133886.7，201510063127.2，201510007268.2，201420162769.0，20140244028.X，201320597401.0等专利都是通过振动使得带有磁体的振子位移，在磁体外部再设置线圈，从而切割磁力线发电，而且这些利用振动方式进行发电的专利，振动源都不可控，如振动源是地铁或火车等，都没有利用物体的共振特性让振动体和振动源在一、二阶频率下一起共振，由于振动体不能在一阶或二阶频率下产生共振，因而发电功率小，而且当火车或地铁行驶时对固定在铁轨下的发电装置而言是间隙性的，因此发电也是间隙性发电，也难以大型化和商业化。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，达到持续性、大功率、低成本发电的目的，本发明提供了一种外激共振发电方法及装置，通过对板状振动体的形状设计和振动源频率的设定，使得振动体和振动源在振动体的一阶固有频率下一起产生共振，并将振动体共振时产生的机械能转化成电能的共振发电装置。
本发明的具体技术方案是：
一种外激共振发电方法，将振动源与振动体连接，通过设定振动源的频率，使得振动体和振动源在振动体的一阶或二阶固有频率下一起产生共振，并将振动体共振时产生的机械能转化成电能的共振发电方法。
此外，本发明还提出了一种外激共振发电装置，包括基座、固定体、振动源、振动体、连杆机构、转动盘；所述基座和固定体刚性固定，振动体的一端和固定体刚性固定，振动源由电动机和偏心块组成，振动源和振动体刚性固定，振动体的另一端和连杆机构的一端连接，连杆机构的另一端和转动盘连接，连杆机构的另一端行程等于振动体的振幅；所述转动盘通过振动体与振动源共振时输出功率。
进一步的，所述转动盘沿圆心方向开设有键槽，连杆机构的另一端可在槽中滑动。
进一步的，所述偏心块是偏心轮。
进一步的，所述振动体的振幅是转动盘的力臂。
进一步的，所述转动盘连接转动发电机轴转动发电。
进一步的，所述转动盘设有齿轮，转动发电机的轴连接有小齿轮，该齿轮与小齿轮啮合使得转动发电机轴转动发电。
附图说明
图1是本发明共振发电装置的正面结构示意图。
图2是本发明共振发电装置的侧面结构示意图。
图3是本发明直流共振发电装置结构示意图。
图4是本发明交流共振发电装置结构示意图。
图5是本发明共振发电装置的偏心轮形状结构示意图。
图6是本发明采用压电陶瓷的共振发电装置。
图7是本发明双曲柄连杆机构的结构示意图。
图8是本发明采用电磁铁推动振动体的结构示意图。
图9是本发明另一采用电磁铁推动振动体的结构示意图。
图10是图9中差转机构的结构示意图。
图11是当发电机置于振动体1/2处位置时，振动力分析图。
图12是图9中采用差速机构的共振装置结构示意图。
图中：
1、基座；2、振动体；21、振动体的一端；22、振动体的另一端；3、固定体；4、电动机；5、偏心块；6、连杆机构；61、连杆机构的一端；62、连杆机构的另一端；7、转动盘；8、键槽；10、接触器；12、蓄电池；15、启动开关；18、压电陶瓷基座；19、固定压电陶瓷。
具体实施方式
本发明的一种外激共振发电方法，通过给振动源的电机通电引起电机转动后带动偏心块和电机一起转动，由于偏心块的作用使得振动源产生振动，从而引起振动体和振动源一起振动，当振动源的振动频率和振动体的一阶或二阶固有频率一致时，振动体将产生共振，振动体振动时左右运动，通过连杆机构带动转动盘转动，并通过齿轮带动发电机转动发电。可以通过电脑模拟计算并设计振动体的形状，使得振动体的一阶固有频率设定在需要的范围内，通过振动源位置的设置获得需要的振幅。为了降低振动发电机在共振时的机械噪音，可将该装置安置于一密闭的箱体中，并进行降噪处理。
实施例1
本发明的一种外激共振发电装置，如图1和图2所示，包括基座1、固定体3、振动源、振动体2、连杆机构6、转动盘7；所述基座1和固定体3刚性固定，振动体的一端21和固定体3刚性固定，振动源由电动机4和偏心块5组成，振动源和振动体2刚性固定，振动体的另一端22和连杆机构的一端61连接，连杆机构的另一端62和转动盘7连接，转动盘7沿圆心方向开设有键槽8，连杆机构的另一端62可在该键槽8中滑动，连杆机构的另一端62行程等于振动体2的振幅；所述转动盘7通过振动体2与振动源共振输出功率。
，该共振发电装置再配以启动开关15，蓄电池12，接触器10，且振动源采用直流电机，发电机采用直流发电机，就可组成如图3所示的共振直流发电装置。当启动开关15接通后，振动源开始振动，通过振动体共振后带动发电机发电，发电机发出电力后触发接触器10闭合，此时发电机开始给振动源供电。
如振动源采用交流电机，发电机采用交流发电机，则在图3中的直流共振发电装置中再增加逆变器11后将变为图4的交流共振发电装置。
在下述8个实施例中，偏心块5为一偏心轮，如图5所示，偏心轮质量0.1公斤，偏心轮半径0.1米，振动体长、宽、厚度的尺寸分别为下表1所列，振动体一端通过固定体和基座刚性固定，振动源分别固定在振动体一端点21位置附近和距离该端点位置振动体长度的1/4处、1/2处(中点)和3/4处，振动源和振动体的厚度方向刚性固定，当振动源振动并达到振动体的一阶固有频率后，振动体将和振动源一起产生共振，该振动通过连杆机构将振动机械能转化成转动机械能，通过连杆机构和齿轮(或直接)带动发电机转动发电。在振动体另一端点22位置给予一个和振动力方向同向的“约束力”，如双向弹簧，弹簧刚度0.5牛/mm，即弹簧每变形1mm等于施加0.5牛的力，该力*转动盘的转动半径即为发电机的扭矩。
上述偏心轮在转动时振动源产生的激振力F＝mω2r，ω角速度；n转速，r半径；
F＝(2πn/60)2*m*r＝(2π*60f/60)*m*r＝4mr(πf)2；
振动源中电机的功率p＝F×v÷η＝4mr(πf)2*(2πrf)/*η＝8mr2(πf)3/*η，m是偏心轮质量，r是偏心轮半径，η是电机效率，当η取0.8时，上式简化为10mr2(πf)3
通过上述公式分别用电脑模拟计算出该振动源对应上述不同实施例在共振时振动源电机所需功率分别计算于下表1，振动源中电机的功率仅和偏心轮质量、偏心轮半径和振动体的频率有关，和振动源所处位置无关。
| 实施例 | 振动体尺寸(米) | 共振体共振频率f(赫兹) | 振动源电机功率P(瓦) |
| 1 | 1*0.1*0.005 | 4.18 | 23 |
| 2 | 1*0.1*0.01 | 8.31 | 178 |
| 3 | 1*0.2*0.005 | 4.22 | 23 |
| 4 | 1*0.2*0.01 | 8.36 | 181 |
| 5 | 2*0.1*0.005 | 1.03 | 0.34 |
| 6 | 2*0.1*0.01 | 2.06 | 2.71 |
| 7 | 2*0.2*0.005 | 1.04 | 0.34 |
| 8 | 2*0.2*0.01 | 2.07 | 2.73 |
通过对上述8个实施例进行电脑模拟计算和分析，振动源位置分别在振动体一端点21位置附近、距该端点位置1/4处、1/2处和3/4处，并在振动体的一阶固有频率下共振时，振动体另一端点22位置的振幅分别达到如下表2所示。
在图1和图2的装置中，如忽略齿轮组合(把转动盘7的半径当做发电机的半径)，则振动体的振幅就是发电机的旋转半径，振动体的振动频率就是发电机的每秒转速，振动体的振幅*弹性体的刚度为振动力，振动力*振幅为发电机的扭矩，发电机功率为扭矩*转速/9.55，则对应的发电机功率将分别达到如下表3所示。
通过对表3的分析，振动源位于3/4处，最大功率为实施例1的353瓦。从上述实施例得出结论，振动体的形状和振动源位置对该发电装置功率的影响很大。表3还可以分析得出结论，振动体形状不同及振动源位置不同，发电量差异极大。虽然通过上述实施例对不同振动体形状和振动源不同安装位置对该发电装置发电量的影响进行了说明，但仍不能完全一一举例进行说明，如振动源被固定在振动体一端点21位置附件时，虽然振幅较小，但如果将连杆机构、齿轮、转动发电机换成压电陶瓷，将压电陶瓷平行固定在振动体的左右二侧，则同样可以获得发电效果(如图6)。在图6中压电陶瓷基座18是用以固定压电陶瓷19的。
实施例2
在与前述实施例相同条件下，如果把振动源设置在22位置，振幅可达最大值，振动源在振动体22位置时的振幅如下表4所示。
| 振动源在22位置时 | |
| 振动体尺寸(m) | 22位置振幅(mm) |
| 1*0.1*0.005 | 253.6 |
| 1*0.1*0.01 | 127 |
在下述新的实施例中，振动体的振动频率就是发电机的每秒转速，振动体的振幅*弹性体的刚度为振动力，振动力*振幅为发电机的扭矩，发电机功率为扭矩*转速/9.55，振动源和发电机都在22位置时(不考虑振动源位置对振动体形状的影响)，对应的振动力、扭矩和发电机功率也分别计算列于下表5，比振动源在3/4位置时功率提高了一倍以上。
如果把发电机位置设置在二分之一处，振幅相应减小，但振动力则增加，如果把振动体的振动看做一个近似的等边三角形，振动体长度为L，B为振动源在22位置处的振幅，则x位置的振幅b＝X*B/L，由于杠杆的作用，b位置的振动力提高一倍。
如当发电机置于振动体1/2处位置时，如图11所示，x＝(1/2)*L，b既振幅减小50％，但振动力增加50％，则功率不变。既在不考虑振动源位置对振动体频率影响的前提下，振动源越靠近22位置，功率越大，而发电机位置和功率无关。
但事实上，振动源和振动体刚性固定后，相当于改变了振动体的形状，将会对振动体的固有频率产生影响，振动源振动方式不同，对频率的改变也将有差异。
下表6振动体长度1米，宽度0.1米，厚度分别为5毫米和10毫米，振动源为带偏心块的电机，电机型号YS-W5614，质量3公斤，偏心块质量0.256公斤，偏心距0.023米，在振动源分别位于振动体的1/4位置，1/2位置，3/4位置和22位置时振动体的一阶固有频率变化列于下表6。
| 振动体1*0.1*0.005(m) | 振动体1*0.1*0.01(m) | |
| 位置 | 频率HZ | 频率HZ |
| 四分之一 | 4.18 | 8.31 |
| 二分之一 | 3.45 | 8.01 |
| 四分之三 | 2.65 | 7.12 |
| 22 | 2.09 | 6.2 |
从表6看，随着振动源位置向22位置方向靠近，振动体的实际固有频率呈现下降的趋势，既在其它条件不变的前提下，实际功率会随着频率的下降而降低。
如果振动源在22位置，弹簧刚度设定为0.5牛/毫米，振动体的振动频率就是发电机的每秒转速，振动体的振幅*弹性体的刚度为振动力，振动力*振幅为发电机的扭矩，发电机功率为扭矩*转速/9.55。振动源在22位置，发电机在不同位置时的实际功率计算如下表7和表8。
表7
表8
要使本专利中的振动体共振有多种方法，如也可以采用双曲柄连杆机构(图7)，在图7中，4为带减速箱的电机，电机轴和曲柄17的一端171连接，曲柄17的另一端172和连杆16的一端162铰接，连杆16的另一端161和振动体2的端点22铰接；由16和17组成主动连杆机构，6和8组成被动连杆机构。当电机4转动后将通过曲柄连杆机构16和17带动振动体2运动，从而通过连杆机构6和8带动发电机9运转发电。在此双曲柄连杆机构中，连杆机构铰接位置61到振动体21位置的长度以振动体总长度的1/10到8/10之间位置，较好的为1/5到3/4之间位置。
同样动力源也可以采用电磁铁或液压或气压缸体推动振动体2运动(图8)。在图8中，21是推/拉型的双向电磁铁或缸体，20是电磁铁或缸体中的推杆，推杆的一端201和振动体2铰接，电磁铁或缸体的另一端211和固定体1铰接，201和211分别可在连接位置旋转一定角度。当给电磁铁或缸体输入一定频率的正、反向脉冲电流或流体后，电磁铁或缸体中的导杆20将做往复运动，从而带动振动体2运动，再通过曲柄连杆机构6和8带动发电机9运转发电。
如果振动源是带偏心轮的电机，由于振动过程中振动体的振幅是逐渐增加的，因此图7和图8机构中发电机旋转半径在电机转动初始阶段就无法和振动体的振幅匹配，因此图7、图8中的曲柄8也可以由带齿轮齿条的差转机构代替组成图9结构，在图9结构中，差转机构(图10)中的30相当于图7、图8中的曲柄8，40是推杆，相当于图7、图8中的6，和振动体2铰接，齿条30和推杆40铰接，50是直线轴承，起稳定作用。31是差转机构的底板，在31的上表面有二个相互反向运动的单相齿轮51和52作为主动齿轮，并分别和齿条30啮合，31下面对应51和52位置设置被动齿轮53和54，被动齿轮53和54和齿轮55啮合，齿轮55的中心轴56和发电机转子固定。当推杆40推动齿条30往复运动后，单相齿轮51和52分别驱动各自的被动齿轮53和54转动，带动齿轮55转动，从而推杆转子轴56带动发电机运转发电。差转机构的底板31也可绕56转动，此时推杆40和齿条30可固定连接。
如图12是采用差速机构的共振装置，右端是固定端，左端是振动源(振动源电机的效率60％)，中间是差速装置。在振动源电机功耗31.5瓦时，测得发电机端最大功率226瓦。
Claims (14)
1.一种外激共振发电方法，将振动源与振动体连接，通过设定振动源的频率，使得振动体和振动源在振动体的一阶或二阶固有频率下一起产生共振，并将振动体共振时产生的机械能转化成电能的共振发电方法。
2.一种外激共振发电装置，其特征在于，包括基座、固定体、振动源、振动体、连杆机构、转动盘；所述基座和固定体刚性固定，振动体的一端和固定体刚性固定，振动源由电动机和偏心块组成，振动源和振动体刚性固定，振动体的另一端和连杆机构的一端连接，连杆机构的另一端和转动盘连接，连杆机构的另一端行程等于振动体的振幅；所述转动盘通过振动体与振动源共振时输出功率。
3.根据权利要求2所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，所述振动体由长方形或至少由三条边组成的多边型的金属板或复合材料板。
4.根据权利要求2所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，所述转动盘沿圆心方向开设有键槽，连杆机构的另一端可在槽中滑动。
5.根据权利要求2所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，所述偏心块是偏心轮。
6.根据权利要求2所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，所述振动体的振幅是转动盘的力臂。
7.根据权利要求2所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，所述转动盘连接转动发电机轴转动发电。
8.根据权利要求2所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，所述转动盘设有齿轮，转动发电机的轴连接有小齿轮，该齿轮与小齿轮啮合使得转动发电机轴转动发电。
9.一种外激共振发电装置，其特征在于，包括基座、固定体、振动体、振动源、发电机组成；振动体或由电机通过曲柄连杆机构组成；或由电磁铁和推杆组成；或由缸体和推杆组成；所述基座和固定体刚性固定，振动体的一端和固定体刚性固定，振动体的另一端和振动源刚性固定，所述振动体通过曲柄连杆机构与振动源共振时输出功率。
10.根据权利要求9所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，振动体一端和固定体固定，振动体的另一端和振动源固定，发电机固定在振动体从固定体开始总长度的1/10到8/10之间位置。
11.根据权利要求10所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，发电机固定在振动体从固定体开始总长度的1/5到3/4之间位置。
12.一种外激共振发电装置，其特征在于，包括基座、固定体、振动体、带偏心轮的振动源、差转机构、推杆、发电机组成，差转机构由一个底板、齿条、二个单相齿轮、3个被动齿轮和相应的轴组成；所述基座和固定体刚性固定，振动体的一端和固定体刚性固定，振动体的另一端和振动源刚性固定，所述振动体通过曲柄连杆机构与振动源共振时输出功率。
13.根据权利要求12所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，振动体一端和固定体固定，振动体的另一端和振动源固定，发电机固定在振动体从固定体开始总长度的1/10到8/10之间位置。
14.根据权利要求13所述的一种外激共振发电装置，其特征在于，发电机固定在振动体从固定体开始总长度的1/10到8/10之间位置。
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| CN108494168A (zh) * | 2018-03-24 | 2018-09-04 | 姚佳锋 | 一种具有电能输出功能的智能穿戴设备 |
| CN110311590A (zh) * | 2019-07-19 | 2019-10-08 | 武汉理工大学 | 一种基于涡激振动原理的可控压电发电装置 |
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2017
- 2017-02-23 CN CN201710100649.4A patent/CN107465301A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20171212 |
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