CN107482952B - 一种流体压电俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体压电俘能器，属发电技术领域。设有凸台一和凸台二的端盖装在壳体上，凸台二上装有电路板，凸台一上装有压电振子和激励簧片；压电振子自由端装有被悬浮磁铁，激励簧片自由端安装有悬浮磁铁、受激磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；壳体的底壁上设有凸台，凸台上下侧及壳体的上下侧壁上装有限位簧片；壳体的外侧沉孔中嵌有轴承，轴承中装有激励盘，激励盘右端装有叶片，激励盘两同心圆周上嵌有激励磁铁，不同圆周上相邻激励磁铁间夹角为Q＝360/N，其中N为激励磁铁数量，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；压电振子安装前为平直结构、安装后由于悬浮磁铁与被悬浮磁铁的耦合作用变为弯曲结构。

Description

一种流体压电俘能器

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种流体压电俘能器，为河流监测系统提供能量供应。

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。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，针对防洪及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速度等监测技术等多方面。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

本发明提出一种流体压电俘能器，本发明采用的实施方案是：设有凸台一和凸台二的端盖经螺钉安装在壳体上，凸台二上经螺钉安装有电路板，凸台一上经螺钉和压块安装有压电振子和激励簧片，压电振子由基板和压电片粘结而成，基板靠近激励簧片安装，激励簧片两侧的压电振子数量相等且对称布置；压电振子自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁，激励簧片自由端经螺钉安装有悬浮磁铁、受激磁铁，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的同性磁极相对安装；壳体的底壁上设有凸台，凸台上下侧及壳体的上下侧壁上经螺钉安装有限位簧片；壳体的底壁的外侧沉孔中镶嵌有轴承，轴承中安装有激励盘，激励盘右端经螺钉安装有叶片，激励盘的两个同心圆周上分别均匀地镶嵌有激励磁铁，且不同圆周上相邻的激励磁铁之间的夹角为Q＝360/N，其中N为激励磁铁的总数量，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装，激励簧片的中介面距两同心圆圆周的距离相等。

本发明中，压电振子安装前为平直结构、安装后由于悬浮磁铁与被悬浮磁铁的耦合作用变为弯曲结构；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簧片相接触时，压电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为基板h2的厚度，H为压电振子h的总厚度，E_m和E_p分别为基板h2和压电片h1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h的长度。

受激磁铁不受激励磁铁作用时，激励簧片不产生弯曲变形，激励簧片两侧压电振子的变形和受力状态分别相同；工作时，即环境中有水流流过时，叶片受水流作用带动激励盘及激励磁铁一起转动，从而使激励磁铁与受激磁铁之间的相互作用力交替变化；当外圆周上的激励磁铁与受激磁铁逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，内圆周上的激励磁铁与受激磁铁逐渐转远、磁耦合力减小，激励簧片向外侧发生弯曲变形；当内圆周上的激励磁铁逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，外圆周上的激励磁铁与受激磁铁逐渐转远、磁耦合力减小，激励簧片向内侧发生弯曲变形；激励簧片产生往复弯曲变形使悬浮磁铁与被悬浮磁铁之间的距离不断改变，迫使压电振子单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；限位簧片的作用是防止压电振子变形过大，保证压电片上的最大压应力不超过其许用值。

优势与特色：①经激励簧片刚度调节系统固有频率，环境适应性强；②通过激励簧片间接激励，压电振子单向弯曲变形、压电片仅承受压应力且最大变形量可控，可靠性高；③压电振子不与流体直接作用，密闭性好。

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激励盘的结构示意图；

图4是图3的左视图。

具体实施方式

设有凸台一a1和凸台二a2的端盖a经螺钉安装在壳体b上，凸台二a2上经螺钉安装有电路板d，凸台一a1上经螺钉和压块e安装有压电振子h和激励簧片k，压电振子h由基板h2和压电片h1粘结而成，基板h2靠近激励簧片k安装，激励簧片k两侧的压电振子数量相等且对称布置；压电振子h自由端经螺钉安装有被悬浮磁铁g，激励簧片k自由端经螺钉安装有悬浮磁铁i、受激磁铁m，被悬浮磁铁g与悬浮磁铁i的同性磁极相对安装；壳体b的底壁上设有凸台b1，凸台b1上下侧及壳体b的上下侧壁上经螺钉安装有限位簧片f；壳体b的底壁的外侧沉孔中镶嵌有轴承s，轴承s中安装有激励盘c，激励盘c右端经螺钉安装有叶片t，激励盘c的两个同心圆周上分别均匀地镶嵌有激励磁铁n，且不同圆周上相邻的激励磁铁n之间的夹角为Q＝360/N，其中N为激励磁铁n的总数量，激励磁铁n与受激磁铁m的异性磁极相对安装，激励簧片k的中介面距两同心圆圆周的距离相等。

本发明中，压电振子h安装前为平直结构、安装后由于悬浮磁铁i与被悬浮磁铁g的耦合作用变为弯曲结构；激励簧片k不发生弯曲变形时，激励簧片k两侧压电振子h的变形及受力状态分别相同；当利用外力使压电振子h与限位簧片f相接触时，压电片h1上的最大压应力小于其许用压应力、压电振子h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为基板h2的厚度，H为压电振子h的总厚度，E_m和E_p分别为基板h2和压电片h1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h的长度。

受激磁铁m不受激励磁铁n作用时，激励簧片k不产生弯曲变形，激励簧片k两侧压电振子h的变形和受力状态分别相同；工作时，即环境中有水流流过时，叶片t受水流作用带动激励盘c及激励磁铁n一起转动，从而使激励磁铁n与受激磁铁m之间的相互作用力交替变化；当外圆周上的激励磁铁n与受激磁铁m逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，内圆周上的激励磁铁n与受激磁铁m逐渐转远、磁耦合力减小，激励簧片k向外侧发生弯曲变形；当内圆周上的激励磁铁n逐渐转近、磁耦合力逐渐增加时，外圆周上的激励磁铁n与受激磁铁m逐渐转远、磁耦合力减小，激励簧片k向内侧发生弯曲变形；激励簧片k产生往复弯曲变形使悬浮磁铁i与被悬浮磁铁g之间的距离不断改变，迫使压电振子h单向弯曲变形，从而将机械能转换成电能；限位簧片f的作用是防止压电振子h变形过大，保证压电片h1上的最大压应力不超过其许用值。

Claims (1)

1.一种流体压电俘能器，其特征在于：长方形的壳体的侧壁左侧设有端口、右侧设有底壁，设有两个凸台一和两个凸台二的端盖盖在壳体的端口上，两个凸台一和两个凸台二分别对称分布在端盖中心的上下两侧，凸台二位于两个凸台一之间，凸台二的端部安装有电路板，上方的凸台一的上表面上和下方的凸台一的下表面上都安装有压电振子和激励簧片，压电振子由基板与其一侧的压电片粘结而成，基板靠近激励簧片安装，激励簧片两侧的压电振子数量相等且对称布置；压电振子自由端安装有被悬浮磁铁，被悬浮磁铁安装在基板上，激励簧片自由端的两侧分别对称安装有两个悬浮磁铁和两个受激磁铁，受激磁铁位于激励簧片的自由端端部，悬浮磁铁位于受激磁铁与激励簧片的固定端之间，被悬浮磁铁与悬浮磁铁的相对安装且其同性磁极相对；壳体的底壁上设有凸台，凸台上下侧及壳体的上下侧壁上与被悬浮磁铁相对的位置安装有限位簧片；壳体的底壁的外侧沉孔中镶嵌有轴承，轴承中安装有激励盘，激励盘右端安装有叶片，激励盘的两个不同半径的同心圆周上分别均匀地镶嵌有数量相等的激励磁铁，且不同圆周上相邻的激励磁铁间的夹角为Q＝360/N，其中N为激励磁铁的总数量，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装，激励簧片的中截面距两同心圆圆周的距离相等；压电振子安装前为平直结构、安装后由于悬浮磁铁与被悬浮磁铁的耦合作用变为弯曲结构；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簧片相接触时，压电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为基板的厚度，H为压电振子的总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，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。

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