CN109787512B - 一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，属于水流和空气流致振动俘能技术领域，本发明为了解决传统的平行串接布置方式在振子振动时会因相位变化而相互干扰、传统压电片振动幅度小、俘能效率低的问题。水平压电悬臂梁的一端通过水平夹具组与固支底座的顶端相连接，水平压电悬臂梁的另一端与水平扰流柱相连接，垂直压电悬臂梁的一端通过垂直夹具组与水平扰流柱相连接，垂直压电悬臂梁的另一端与垂直扰流柱相连接。本发明的一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器的压电俘能器振子呈垂直串接排布，振子间的运动状态互不干扰，有助于提高俘能效率，具有激励方式简单、俘能效率高、结构新颖、设计灵活、可系列化生产的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电俘能器，具体涉及一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，属于水流和空气流致振动俘能技术领域。
背景技术
流致振动俘能就是利用水流或空气流流过非流线型物体时，交替脱落的涡旋产生的涡激力激励俘能振子振动，从而产生电能的一项技术。
现有技术中的流致振动俘能多为压电片平行串接排布的双俘能器或十字架型俘能器，因排布形式有局限性，故导致俘能效率低下。压电片平行串接排布的双俘能器如文献“R.Song,X.Shan,F.Lv,J.Li,T.Xie.A Novel Piezoelectric Energy Harvester Usingthe Macro Fiber Composite Cantilever with a Bicylinder in Water[J].AppliedSciences.2015,5(4):1942-1954”中提出的俘能器结构虽然能实现较好的俘能效果，但两个串行且同方向振动的压电片在振动时会因相位变化而相互干扰，当两个压电片振动相位相反时，串接压电片之间的内力会降低压电片的振幅，无法达到最好的俘能效果。由于压电悬臂梁只能沿垂直于悬臂梁平面的方向弯曲，故本文提出的垂直串接式压电俘能器的前后压电振子的振动互不干扰，分别做上下和左右振动。
发明内容
本发明的目的是提供一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，以解决传统的平行串接布置方式在振子振动时会因相位变化而相互干扰、传统压电片振动幅度小、俘能效率低的问题。
一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器包括固支底座、水平压电悬臂梁、水平扰流柱、垂直压电悬臂梁和垂直扰流柱；
水平压电悬臂梁的一端通过水平夹具组与固支底座的顶端相连接，水平压电悬臂梁的另一端与水平扰流柱相连接，垂直压电悬臂梁的一端通过垂直夹具组与水平扰流柱相连接，垂直压电悬臂梁的另一端与垂直扰流柱相连接。
优选的：固支底座包括平板和立柱，立柱固定安装在平板上。
优选的：水平扰流柱包括第一水平瓣和第二水平瓣，第一水平瓣和第二水平瓣的内壁中心处均开有夹具卡槽和水平安装槽，且夹具卡槽和水平安装槽相对设置，第一水平瓣和第二水平瓣通过螺栓螺母相连接。
优选的：水平夹具组的一端设有水平卡块，水平夹具组的另一端设有水平夹板，水平卡块和水平夹板上分别开有通孔和水平沉头孔，水平卡块与立柱的顶端采用螺栓螺母连接，水平夹板通过螺栓螺母与水平压电悬臂梁相连接。
优选的：水平压电悬臂梁包括水平弹性基体和水平压电片，水平压电片贴附在水平弹性基体上，水平弹性基体的一端通过螺栓螺母与水平夹板相连接，水平弹性基体的另一端夹在水平安装槽内。
优选的：垂直扰流柱包括第一垂直瓣和第二垂直瓣，第一垂直瓣和第二垂直瓣的内壁中心处均开有垂直安装槽，第一垂直瓣和第二垂直瓣通过螺栓螺母相连接。
优选的：垂直夹具组的一端设有垂直卡块，垂直夹具组的另一端设有垂直夹板，垂直夹板上开有垂直沉头孔，垂直卡块装夹在夹具卡槽内，垂直夹板通过螺栓螺母与垂直压电悬臂梁相连接。
优选的：垂直压电悬臂梁包括垂直弹性基体和垂直压电片，垂直压电片贴附在垂直弹性基体上，垂直弹性基体的一端通过螺栓螺母与垂直夹板相连接，垂直弹性基体的另一端夹在垂直安装槽内。
本发明与现有产品相比具有以下效果：
1、利用垂直串接排布式压电俘能器实现振子的周期性振荡，具有激励方式简单、俘能效率高、结构新颖、设计灵活、可系列化生产的优点；
2、将压电振子垂直串接布置，避免了传统的平行串接布置方式在振子振动时会因相位变化而相互干扰的问题，具有能量利用率高的优点；
3、垂直串接排布式压电俘能器振子可在运动状态互不干扰的情况下，分别做水平和竖直方向振动。所述压电振子处的螺栓、螺母孔均为沉孔，最大程度上减少联接件的扰流作用；所述压电振子串接方向与水流或空气流方向一致，流体先经过串接俘能器，再经过固支底座，以防止固支底座扰流。本发明流体经过扰流柱产生交替涡旋，涡旋的脱落在扰流柱两侧产生周期性流激力，激励压电片产生周期性弯曲振动，不仅振子间的运动状态互不干扰，而且振子间相互耦合作用能增大压电片振动幅度，有助于提高俘能效率。
附图说明
图1是一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器的结构示意图；
图2是固支底座的结构示意图；
图3是水平扰流柱的安装示意图；
图4是图3的A处放大图；
图5是垂直扰流柱的安装示意图；
图6是图5的B处放大图；
图7是水平扰流柱的结构示意图；
图8是水平夹具组的结构示意图；
图9是垂直夹具组的结构示意图。
图中：1-固支底座、2-水平压电悬臂梁、3-水平扰流柱、4-垂直压电悬臂梁、5-垂直扰流柱、6-水平夹具组、7-垂直夹具组、8-平板、9-立柱、10-水平弹性基体、11-水平压电片、12-第一水平瓣、13-第二水平瓣、14-垂直弹性基体、15-垂直压电片、16-第一垂直瓣、17-第二垂直瓣、18-夹具卡槽、19-水平安装槽、20-垂直安装槽、21-水平卡块、22-水平夹板、23-通孔、24-水平沉头孔、25-垂直卡块、26-垂直夹板、27-垂直沉头孔。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
如图1至图9所示，本发明所述的一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器包括固支底座1、水平压电悬臂梁2、水平扰流柱3、垂直压电悬臂梁4和垂直扰流柱5；
水平压电悬臂梁2的一端通过水平夹具组6与固支底座1的顶端相连接，水平压电悬臂梁2的另一端与水平扰流柱3相连接，垂直压电悬臂梁4的一端通过垂直夹具组7与水平扰流柱3相连接，垂直压电悬臂梁4的另一端与垂直扰流柱5相连接。
进一步：固支底座1包括平板8和立柱9，立柱9固定安装在平板8上。
进一步：水平扰流柱3包括第一水平瓣12和第二水平瓣13，第一水平瓣12和第二水平瓣13的内壁中心处均开有夹具卡槽18和水平安装槽19，且夹具卡槽18和水平安装槽19相对设置，第一水平瓣12和第二水平瓣13通过螺栓螺母相连接。
进一步：水平夹具组6的一端设有水平卡块21，水平夹具组6的另一端设有水平夹板22，水平卡块21和水平夹板22上分别开有通孔23和水平沉头孔24，水平卡块21与立柱9的顶端采用螺栓螺母连接，水平夹板22通过螺栓螺母与水平压电悬臂梁2相连接。
进一步：水平压电悬臂梁2包括水平弹性基体10和水平压电片11，水平压电片11贴附在水平弹性基体10上，水平弹性基体10的一端通过螺栓螺母与水平夹板22相连接，水平弹性基体10的另一端夹在水平安装槽19内。
进一步：垂直扰流柱5包括第一垂直瓣16和第二垂直瓣17，第一垂直瓣16和第二垂直瓣17的内壁中心处均开有垂直安装槽20，第一垂直瓣16和第二垂直瓣17通过螺栓螺母相连接。
进一步：垂直夹具组7的一端设有垂直卡块25，垂直夹具组7的另一端设有垂直夹板26，垂直夹板26上开有垂直沉头孔27，垂直卡块25装夹在夹具卡槽18内，垂直夹板26通过螺栓螺母与垂直压电悬臂梁4相连接。
进一步：垂直压电悬臂梁4包括垂直弹性基体14和垂直压电片15，垂直压电片15贴附在垂直弹性基体14上，垂直弹性基体14的一端通过螺栓螺母与垂直夹板26相连接，垂直弹性基体14的另一端夹在垂直安装槽20内。
水平扰流柱3和垂直扰流柱5的截面形状不限，可以为圆形、矩形、三角、椭圆、半圆等非流线型；扰流柱组截面形状优先选用圆形。
水平压电悬臂梁2和水平扰流柱3构成水平压电振子，垂直压电悬臂梁4和垂直扰流柱5构成垂直压电振子，水平压电振子和垂直压电振子互相垂直，且水平压电振子和垂直压电振子的串接方向与水流或空气流方向一致。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (8)
1.一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，其特征在于：包括固支底座(1)、水平压电悬臂梁(2)、水平扰流柱(3)、垂直压电悬臂梁(4)和垂直扰流柱(5)；
所述水平压电悬臂梁(2)的一端通过水平夹具组(6)与固支底座(1)的顶端相连接，水平压电悬臂梁(2)的另一端与水平扰流柱(3)相连接，垂直压电悬臂梁(4)的一端通过垂直夹具组(7)与水平扰流柱(3)相连接，垂直压电悬臂梁(4)的另一端与垂直扰流柱(5)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，其特征在于：所述固支底座(1)包括平板(8)和立柱(9)，立柱(9)固定安装在平板(8)上。
3.根据权利要求2所述的一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，其特征在于：所述水平扰流柱(3)包括第一水平瓣(12)和第二水平瓣(13)，第一水平瓣(12)和第二水平瓣(13)的内壁中心处均开有夹具卡槽(18)和水平安装槽(19)，且夹具卡槽(18)和水平安装槽(19)相对设置，第一水平瓣(12)和第二水平瓣(13)通过螺栓螺母相连接。
4.根据权利要求3所述的一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，其特征在于：所述水平夹具组(6)的一端设有水平卡块(21)，水平夹具组(6)的另一端设有水平夹板(22)，水平卡块(21)和水平夹板(22)上分别开有通孔(23)和水平沉头孔(24)，水平卡块(21)与立柱(9)的顶端采用螺栓螺母连接，水平夹板(22)通过螺栓螺母与水平压电悬臂梁(2)相连接。
5.根据权利要求4所述的一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，其特征在于：所述水平压电悬臂梁(2)包括水平弹性基体(10)和水平压电片(11)，水平压电片(11)贴附在水平弹性基体(10)上，水平弹性基体(10)的一端通过螺栓螺母与水平夹板(22)相连接，水平弹性基体(10)的另一端夹在水平安装槽(19)内。
6.根据权利要求3所述的一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，其特征在于：所述垂直扰流柱(5)包括第一垂直瓣(16)和第二垂直瓣(17)，第一垂直瓣(16)和第二垂直瓣(17)的内壁中心处均开有垂直安装槽(20)，第一垂直瓣(16)和第二垂直瓣(17)通过螺栓螺母相连接。
7.根据权利要求6所述的一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，其特征在于：所述垂直夹具组(7)的一端设有垂直卡块(25)，垂直夹具组(7)的另一端设有垂直夹板(26)，垂直夹板(26)上开有垂直沉头孔(27)，垂直卡块(25)装夹在夹具卡槽(18)内，垂直夹板(26)通过螺栓螺母与垂直压电悬臂梁(4)相连接。
8.根据权利要求7所述的一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，其特征在于：所述垂直压电悬臂梁(4)包括垂直弹性基体(14)和垂直压电片(15)，垂直压电片(15)贴附在垂直弹性基体(14)上，垂直弹性基体(14)的一端通过螺栓螺母与垂直夹板(26)相连接，垂直弹性基体(14)的另一端夹在垂直安装槽(20)内。
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