CN109951106B - 一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器 - Google Patents

Abstract

一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，属于水流和空气流致振动俘能技术领域，本发明为了解决现有流致振动俘能中的俘能器大多为固定式，虽然也能实现较好的俘能效果，但无法应用于非定向流，应用受限的问题。技术要点：包括多个压电振子、阵列夹具机构、导向翼机构、齿轮传动机构和外壳；齿轮传动机构安装于外壳内部，齿轮传动组包括多个主动齿轮轴和一个从动齿轮轴，导向翼机构穿过外壳与主动齿轮轴连接，从动齿轮轴的上端穿出外壳与阵列夹具机构连接，多个压电振子安装于阵列夹具机构上，导向翼机构的导向翼位于阵列夹具机构与外壳之间。本发明应用于非定向流，振子间的运动状态能互相耦合，有助于提高俘能效率。

Description

一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器

技术领域

本发明涉及一种压电俘能器，具体涉及一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，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，交替脱落的涡旋会产生涡激力，来激励俘能器振子振动，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应用于定向流的俘能器，且俘能器大多为固定式，虽然也能实现较好的俘能效果，但无法应用于非定向流，应用有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，以解决现有流致振动俘能中的俘能器大多为固定式，虽然也能实现较好的俘能效果，但无法应用于非定向流，应用受限的问题。

技术方案如下：

一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器包括多个压电振子、阵列夹具机构、导向翼机构、齿轮传动机构和外壳；所述齿轮传动机构安装于外壳内部，齿轮传动组包括多个主动齿轮轴和一个从动齿轮轴，导向翼机构穿过外壳与主动齿轮轴连接，从动齿轮轴的上端穿出外壳与阵列夹具机构连接，多个压电振子安装于阵列夹具机构上，导向翼机构的导向翼位于阵列夹具机构与外壳之间。

进一步地：压电振子由扰流柱和压电悬臂梁上下连接组成；所述压电悬臂梁是由压电材料贴附在弹性基体上形成的。

进一步地：压电材料和弹性基体宽度相同，弹性基体的长度大于压电材料的长度，弹性基体的下端裸露，用于夹板夹持。

进一步地：所述扰流柱为非流线型结构。

进一步地：所述扰流柱的截面形状可采用圆形、矩形、三角形、椭圆形或半圆形等形状。

进一步地：所述阵列夹具机构包括夹板、托板和转动托盘；所述转动托盘底部设有突出的内螺纹孔，用于与从动齿轮轴连接；所述转动托盘上开有长孔，托板两端通过螺栓安装在第二长孔上的任意位置，用于调节压电振子的纵向间距；所述托板中间开有第一长孔，第一长孔的长度方向与第二长孔的长度方向相互垂直，夹板的底板通过螺栓安装在第一长孔上的任意位置，用于调节压电振子的横向间距；所述夹板包括两个背对背设置的L形结构体，压电悬臂梁的下端插在两个背对背设置的L形结构体之间，并采用螺栓固定。

进一步地：所述导向翼机构包括多个导向翼，每个导向翼的下端均一体加工有导向翼轴，导向翼轴上加工有外螺纹，导向翼轴与主动齿轮轴的连接螺纹连接。

进一步地：所述齿轮传动机构包括多个主动齿轮轴、多个惰轮轴、从动齿轮轴；主动齿轮轴上攻有内螺纹，用于与导向翼轴上的外螺纹连接，主动齿轮轴的主动齿轮与从动齿轮轴之间通过惰轮轴建立传动关系，主动齿轮轴、惰轮轴和从动齿轮轴通过轴承组件与外壳建立连接。

进一步地：所述外壳包括底座和盖装在其上的齿轮保护盖。

本发明所达到的效果为：

经研究表明应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器不仅能有效应用于非定向流，而且振子间的运动状态能互相耦合，有助于提高俘能效率。

本发明应用于非定向流中，非定向流体流经导向翼，带动导向翼偏转，使导向翼的对称面与流体流向平行。由于翼的导向作用，带动齿轮组传动，进而带动阵列夹具组发生等角度偏转，使振子振动方向与来流方向保持垂直，发电最优的同时，保护压电悬臂梁不受损伤。压电振子采用阵列方式排布，针对不同流速，在振子运动状态互不干涉的情况下，振子的横纵间距均可调节。夹具及齿轮组等均设置在压电振子下方，避免对压电振子产生扰流。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涉，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。

本发明能很好地应用于非定向流，实现振子的周期性振荡，具有激励方式简单、运行稳定、俘能效率高、结构新颖、设计灵活、可系列化生产的优点。

本发明打破了传统的固定式压电俘能器只能应用于定向流的局限性，多流向俘能的同时也大大延长了压电悬臂梁的寿命，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是本发明所述的应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器的立体结构示意图(其以圆柱振子为例，图中箭头表示全部振子的振动方向)；

图2是本发明所述俘能器的压电振子夹持立体示意图；

图3是本发明所述俘能器的夹板5立体示意图；

图4是本发明所述俘能器的托板6俯视示意图；

图5是本发明所述俘能器的转动托盘7仰视示意图；

图6是本发明所述俘能器的阵列夹具组俯视示意图；

图7是本发明所述俘能器的导向翼组、齿轮传动组立体示意图；

图8是本发明所述俘能器的主动齿轮轴38立体示意图；

图9是本发明所述俘能器的惰轮轴39立体示意图；

图10是本发明所述俘能器的从动齿轮轴40立体示意图；

图11是本发明所述俘能器的导向翼组立体示意图；

图12是本发明所述俘能器的保护盖20立体示意图；

图13是本发明所述俘能器的底座21立体示意图。

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13所示，本发明所述的一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，其阵列形式为3*3，具体包括九个压电振子A、阵列夹具机构B、导向翼机构C、齿轮传动机构D和外壳E；所述齿轮传动机构D安装于外壳E内部，齿轮传动组D包括三个主动齿轮轴38和一个从动齿轮轴40，导向翼机构C穿过外壳与主动齿轮轴38连接，从动齿轮轴40的上端穿出外壳E与阵列夹具机构B连接，九个压电振子A安装于阵列夹具机构B上，导向翼机构C的导向翼位于阵列夹具机构B与外壳E之间。

所述压电振子由压电悬臂梁1和扰流柱2组成；所述压电悬臂梁1是由压电材料3贴附在弹性基体4上形成，二者宽度相同，弹性基体长度比压电材料略长，用于夹板5夹持；所述阵列夹具组是由夹板5、托板6、转动托盘7、螺栓组8组成；所述夹板5为L形，两边均开有第一通孔9，采用螺栓组8连接，一端夹持压电悬臂梁1，一端固定于托板6上；所述螺栓组8由螺栓10、垫片11、螺母12组成；所述托板6中间开有第一长孔13，两侧开有第二通孔14，夹板5利用螺栓连接可固定安装在第一长孔13上的任意位置，用于调节压电振子的横向间距；所述转动托盘7上开有第二长孔15，托板6可通过螺栓连接固定安装在第二长孔15上的任意位置，用于调节压电振子的纵向间距；所述转动托7盘底部设有突出的内螺纹孔16，用于与从动齿轮轴40连接；所述导向翼组由导向翼17、导向翼轴18组成，导向翼与导向翼轴加工为一体；所述外壳组由齿轮保护盖20、底座21组成；所述保护盖20顶端开有第三通孔22、第四通孔23，便于轴类穿过，下部设有第五通孔24，用于与底座上的第六通孔28进行螺栓连接；所述底座22设有主动齿轮轴轴承座25、惰轮齿轮轴轴承座26、从动齿轮轴轴承座27、第六通孔28，轴承座内圈分别开有第一挡圈槽29、第二挡圈槽30、第三挡圈槽31，与孔用第一挡圈32、第二挡圈33、第三挡圈34配合使用，用于固定底座轴承组件的外圈；所述齿轮传动组由三个主动齿轮轴38、三个惰轮轴39、从动齿轮轴40组成；主动齿轮轴38一端攻有内螺纹41，用于与导向翼轴外螺纹19连接，中间段设有主动齿轮42，与轴加工为一体，末端开有第四挡圈槽43，与第一轴用挡圈44配套使用，用于固定第四轴承45内圈；惰轮轴39一端设有惰轮46，与轴加工为一体，末端开有第五挡圈槽47，与第二轴用挡圈48配套使用，用于固定第五轴承49内圈；从动齿轮轴40一端攻有外螺纹50，用于与转动托盘底部的内螺纹孔16连接，中部设有从动齿轮51，与轴加工为一体，末端开有第六挡圈槽52，与第三轴用挡圈53配套使用，用于固定第六轴承54内圈；所述轴承均采用双向固定，内圈采用轴肩、轴用挡圈固定，外圈采用凸肩、孔用挡圈固定。

在非定向流中，非定向流体流经导向翼，带动导向翼偏转，使导向翼的对称面与流体流向平行。由于翼的导向作用，带动齿轮组传动，进而带动阵列夹具组发生等角度偏转，使振子振动方向与来流方向保持垂直，发电最优的同时，保护压电悬臂梁不受损伤。压电振子采用阵列方式排布，针对不同流速，在振子运动状态互不干涉的情况下，振子的横纵间距均可调节。夹具及齿轮组等均设置在压电振子下方，避免对压电振子产生扰流。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，仅以3*3矩形阵列为例，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，其特征在于：包括多个压电振子(A)、阵列夹具机构(B)、导向翼机构(C)、齿轮传动机构(D)和外壳(E)；所述齿轮传动机构(D)安装于外壳(E)内部，齿轮传动组D包括多个主动齿轮轴(38)和一个从动齿轮轴(40)，导向翼机构(C)穿过外壳与主动齿轮轴(38)连接，从动齿轮轴(40)的上端穿出外壳(E)与阵列夹具机构(B)连接，多个压电振子(A)安装于阵列夹具机构(B)上，导向翼机构(C)的导向翼位于阵列夹具机构(B)与外壳(E)之间；

所述阵列夹具机构(B)包括夹板(5)、托板(6)和转动托盘(7)；所述转动托盘(7)底部设有突出的内螺纹孔16，用于与从动齿轮轴(40)连接；所述转动托盘(7)上开有第二长孔(15)，托板(6)两端通过螺栓安装在第二长孔(15)上的任意位置，用于调节压电振子的纵向间距；所述托板(6)中间开有第一长孔(13)，第一长孔(13)的长度方向与第二长孔(15)的长度方向相互垂直，夹板(5)的底板通过螺栓安装在第一长孔(13)上的任意位置，用于调节压电振子的横向间距；所述夹板(5)包括两个背对背设置的L形结构体，压电悬臂梁1的下端插在两个背对背设置的L形结构体之间，并采用螺栓固定。

2.根据权利要求1所述的一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，其特征在于：所述导向翼机构(C)包括多个导向翼(17)，每个导向翼(17)的下端均一体加工有导向翼轴(18)，导向翼轴(18)上加工有外螺纹(19)，导向翼轴(18)与主动齿轮轴(38)的连接螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，其特征在于：所述齿轮传动机构(D)包括多个主动齿轮轴(38)、多个惰轮轴(39)、从动齿轮轴(40)；主动齿轮轴(38)上攻有内螺纹(41)，用于与导向翼轴(18)上的外螺纹(19)连接，主动齿轮轴(38)的主动齿轮(42)与从动齿轮轴(40)之间通过惰轮轴(39)建立传动关系，主动齿轮轴(38)、惰轮轴(39)和从动齿轮轴(40)通过轴承组件与外壳(E)建立连接。

4.根据权利要求3所述的一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，其特征在于：压电振子(A)由扰流柱(2)和压电悬臂梁(1)上下连接组成；所述压电悬臂梁(1)是由压电材料(3)贴附在弹性基体(4)上形成的。

5.根据权利要求4所述的一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，其特征在于：压电材料(3)和弹性基体(4)宽度相同，弹性基体(4)的长度大于压电材料(3)的长度，弹性基体(4)的下端裸露，用于夹板夹持。

6.根据权利要求5所述的一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，其特征在于：所述外壳包括底座和盖装在其上的齿轮保护盖。

7.根据权利要求5所述的一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，其特征在于：所述扰流柱为非流线型结构。

8.根据权利要求7所述的一种应用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，其特征在于：所述扰流柱的截面形状采用圆形、矩形、三角形、椭圆形或半圆形。

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