CN107482868B - 一种磁耦合逐级激励的水流发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁耦合逐级激励的水流发电机，属发电领域。端盖装在壳体筒壁端部，端盖上设有凸台和内耳板，凸台上设有限位板；凸台上下两侧装有换能器，换能器自由端装有被悬浮磁铁；安装在内耳板上的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；惯性块左右两侧分别装有悬浮磁铁和被激磁铁，悬浮磁铁位于两个被悬浮磁铁的中间，悬浮磁铁与被悬浮磁铁相互排斥并使换能器产生弯曲变形；壳体底壁内侧嵌有线圈、外侧设有上下耳板，上下耳板经两个圆导柱相连接，钝体两端套在两个圆导柱上，圆导柱上套有两个外弹簧，外弹簧两端压在钝体和上耳板或下耳板上；钝体翼板上装有激励磁铁，激励磁铁与被激磁铁异的性磁极相对安装。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种磁耦合逐级激励的水流发电机，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。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
本发明提出一种磁耦合逐级激励的水流发电机，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，换能器自由端经螺钉安装有被悬浮磁 铁；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；两个内耳板上安装 有方导柱，方导柱上套有两个内弹簧和一个惯性块，两个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悬浮磁铁和被激磁铁，悬浮磁铁位于两个被悬浮磁铁的中间，悬浮磁铁与被悬浮磁铁间的作用力为排斥力，悬浮磁铁与被悬浮磁铁间的排斥力使换能器产 生弯曲变形；壳体的底壁内侧镶嵌有线圈、外侧设有上耳板和下耳板，上耳板和下耳板经两 个圆导柱相连接，钝体两端分别套在两个圆导柱上，钝体为中空结构，每个圆导柱上还套有 两个外弹簧，外弹簧两端分别压在钝体上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重叠， 悬浮磁铁上下两侧换能器的变形及压电膜应力分布状态分别相同；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悬浮磁铁沿方导柱上下移动；惯性块及悬浮磁铁向 上运动时悬浮磁铁经与被悬浮磁铁耦合作用使悬浮磁铁上方换能器的弯曲变形量增加、下方 换能器的变形量减小，惯性块及悬浮磁铁向下运动时悬浮磁铁经与被悬浮磁铁耦合作用使悬 浮磁铁下方换能器的弯曲变形量增加、上方换能器的弯曲变形量减小；换能器变形量减小过程中，基板从固定端开始逐渐与限位板接触，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，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，惯性块及悬浮磁铁通过被悬浮磁铁及 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，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，悬浮磁铁、被激磁铁及惯 性块与内弹簧构成一个弹簧质量系统，换能器与被悬浮磁铁构成一个弹簧质量系统，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，换能器d的自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁e；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；两个内耳板a2上安装有方导柱g，方导柱 g上套有两个内弹簧h和一个惯性块i，两个内弹簧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悬浮磁铁j和被激磁铁k，悬浮磁铁j位于两个被悬浮磁铁e的中间，悬浮磁 铁j与被悬浮磁铁e之间的作用力为排斥力，悬浮磁铁j与被悬浮磁铁e之间的排斥力使换能器d 产生弯曲变形；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，每个圆导柱m上还套有两个外弹簧p，外弹簧p的两端分别压在钝体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，悬浮磁铁j上下两侧换能器d的变形及压电膜d2应力分布状态分别相同；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及悬浮磁铁j沿方导柱g上下移 动；惯性块i及悬浮磁铁j向上运动时悬浮磁铁j经与被悬浮磁铁e耦合作用使悬浮磁铁j上方换能 器d的弯曲变形量增加、下方换能器d的变形量减小，惯性块i及悬浮磁铁j向下运动时悬浮磁铁 j经与被悬浮磁铁e耦合作用使悬浮磁铁j下方换能器d的弯曲变形量增加、上方换能器d的弯曲 变形量减小；换能器d变形量减小过程中，基板d1从固定端开始逐渐与限位板a3接触，不会出 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及悬浮磁铁j通过被 悬浮磁铁e及换能器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，悬浮磁铁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与被悬浮磁铁e构成一个弹簧质量系 统，故总体为三自由度系统。
Claims (1)
1.一种磁耦合逐级激励的水流发电机，其特征在于：端盖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，换能器自由端装有被悬浮磁铁；内耳板上装有簧片，簧片位于换能器自由端的上方或下方；两个内耳板上装有方导柱，方导柱上套有两个内弹簧和一个惯性块，两个内弹簧位于惯性块上下两侧；惯性块左右两侧分别装有悬浮磁铁和被激磁铁，悬浮磁铁位于两个被悬浮磁铁的中间，悬浮磁铁与被悬浮磁铁间的作用力为排斥力，悬浮磁铁与被悬浮磁铁间的排斥力使换能器产生弯曲变形；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，一个外弹簧两端分别压在钝体和上耳板上，另一个外弹簧两端分别压在钝体和下耳板上；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；当流体流过钝体时，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悬浮磁铁沿方导柱上下移动；换能器变形量减小过程中，基板从固定端开始逐渐与限位板接触，不会出现使压电膜承受拉应力的反向变形；惯性块受静力作用使内弹簧压死时，惯性块及悬浮磁铁通过被悬浮磁铁及换能器将簧片压靠在内耳板上，换能器端部弯曲变形量小于其许用值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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