CN110311588A - 多稳态流致能量俘获系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多稳态流致能量俘获系统，包括支架，弧形滑轨，磁铁安装部件，固定磁铁，压电悬臂梁，钝体和振动磁铁，其中，磁铁安装部件包括壳体，按钮，弹簧和滑轨卡钉。支架底部和顶部分别安装有弧形滑轨和压电悬臂梁，弧形滑轨内安装有若干磁铁安装部件，每个磁铁安装部件内安装一固定磁铁；压电悬臂梁末端连接一钝体，钝体底部安装有若干振动磁铁。本发明通过钝体的流致振动带动压电悬臂梁振动，能量俘获效率高，能够满足在流体流速较低的情况下将流体流动能量转化为电能的要求，同时，通过引入非线性磁力，使压电悬臂梁的振动呈现多稳态特征，有效地提高了能量俘获效率。
Description
技术领域
本发明属于能量俘获技术领域，具体涉及一种多稳态流致能量俘获系统。
背景技术
近年来，随着电子工业的不断发展，微机电系统取得了很大的进展。目前，微机电系统的产品在光信号处理、生物医学、机器人、汽车、航空、航天、军事和日用电器等领域已得到了广泛的应用，并具有潜在的应用前景和经济效益。微机电系统具有体积小、重量轻和功耗低的优点，目前的微机电系统多使用传统化学电池供电，然而传统化学电池寿命短、需要定期更换，在一定程度上限制了微机电系统的应用范围。
目前，能源问题成为全球的热点问题，可再生能源已成为世界各国保障能源安全、加强环境保护、应对气候变化的重要措施。能量俘获技术是将环境中各种形式的能量转化为电能并进行存储，气流、水流等流体的流动能量是自然界中普遍存在的可再生能源，使用能量俘获技术将流体的流动能量转化为电能是一种重要的可再生能源利用方式。利用流体的流动能量发电的传统方法主要是通过流体作用力直接推动涡轮旋转，从而利用电磁感应定律发电。然而，当流体流速较低时，传统方法的能量利用效率较低。
流体流经钝体结构时会在钝体结构两侧产生不对称的旋涡脱落，使钝体结构表面受到周期性的正负压力，从而使钝体结构发生流致振动。流致振动在自然界普遍存在，使用能量俘获技术将流体的流动能量转化为电能并且为微机电系统供电，能够克服传统方法在流体流速低时效率低的缺点，对推动可再生能源技术发展及扩大微机电系统使用范围有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术现状，本发明提出一种多稳态流致能量俘获系统，其具有多稳态结构，通过流固耦合效应使结构发生流致振动，能够有效地提高低速流体作用下的能量俘获效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种多稳态流致能量俘获系统，其特征在于：包括支架，弧形滑轨，磁铁安装部件，固定磁铁，压电悬臂梁，钝体和振动磁铁，其中，磁铁安装部件包括壳体，按钮，弹簧和滑轨卡钉。支架底部和顶部分别安装有弧形滑轨和压电悬臂梁，弧形滑轨内安装有若干磁铁安装部件，每个磁铁安装部件内安装一固定磁铁；压电悬臂梁末端连接一钝体，钝体底部安装有若干振动磁铁。
所述支架由铝合金材料制成，所述压电悬臂梁由铜合金材料制成，所述固定磁铁与所述振动磁铁均为钕铁硼磁铁。
所述弧形滑轨通过螺栓固定在支架上。
所述磁铁安装部件与固定磁铁之间为过盈配合。
所述固定磁铁通过磁铁安装部件安装在弧形滑轨内，固定磁铁的位置和角度均可通过磁铁安装部件调整。
所述钝体由轻质材料制成，易发生流致振动。
所述钝体在振动过程中，其底部与弧形滑轨间的距离保持不变。
所述固定磁铁与振动磁铁相对面为相同极性，二者之间产生斥力。
所述压电悬臂梁、钝体与振动磁铁的组合体在流体流速为零时具有多个平衡位置，具有多稳态效果。
所述压电悬臂梁表面附着有压电材料，压电悬臂梁振动时引起压电材料应力和应变的变化，利用正压电效应将机械能转化为电能。
其原理是：当流体流经钝体时，在钝体两侧产生不对称的旋涡脱落，使钝体两侧形成压力差并带动压电悬臂梁发生振动，附着在压电悬臂梁表面的压电材料基于正压电效应将机械能转化为电能。同时，钝体的振动会影响周围流体的流动，造成钝体表面气动载荷分布的变化。弧形滑轨中若干固定磁铁的作用是引入非线性磁力，使压电悬臂梁的振动呈现多稳态特征，从而有效地提高多稳态流致能量俘获系统的能量俘获效率。
本发明的特点与优点为：通过钝体的流致振动带动压电悬臂梁振动，能量俘获效率高，能够满足在流体流速较低的情况下将流体流动能量转化为电能的要求，同时，通过引入非线性磁力，使压电悬臂梁的振动呈现多稳态特征，有效地提高了能量俘获效率。
附图说明
图1为本发明多稳态流致能量俘获系统三维结构示意图。
图2为本发明弧形滑轨三维结构示意图。
图3为本发明磁铁安装部件三维结构示意图。
图4为本发明磁铁安装部件俯视图。
1……支架 2……弧形滑轨
3……磁铁安装部件 4……固定磁铁
5……压电悬臂梁 6……钝体
7……振动磁铁 8……壳体
9……按钮 10……弹簧
11……滑轨卡钉
具体实施方案
下面结合本发明中的实施例中附图，对其技术方案做清楚详尽描述。显然，所描述实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。本发明中实施例，本领域普通技术人员在没有做出创新型成果的情况下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种多稳态流致能量俘获系统，包括支架1，弧形滑轨2，磁铁安装部件3，固定磁铁4，压电悬臂梁5，钝体6和振动磁铁7，其中，磁铁安装部件3包括壳体8，按钮9，弹簧10和滑轨卡钉11。支架1底部和顶部分别安装有弧形滑轨2和压电悬臂梁5，弧形滑轨2内安装有三个磁铁安装部件3，每个磁铁安装部件3内安装一固定磁铁4；压电悬臂梁5末端连接一钝体6，钝体6底部安装一振动磁铁7。
支架2由铝合金材料制成，压电悬臂梁5由铜合金材料制成，固定磁铁4与振动磁铁7均为钕铁硼磁铁。弧形滑轨2通过螺栓固定在支架1上。磁铁安装部件3与固定磁铁4之间为过盈配合。固定磁铁4通过磁铁安装部件3安装在弧形滑轨2内，固定磁铁4的位置和角度均可通过磁铁安装部件3调整。钝体6由轻质材料制成，易发生流致振动。钝体6在振动过程中，其底部与弧形滑轨2间的距离保持不变。固定磁铁4与振动磁铁7相对面为相同极性，二者之间产生斥力。压电悬臂梁5、钝体6与振动磁铁7的组合体在流体流速为零时具有多个平衡位置，具有多稳态效果。压电悬臂梁5表面附着有压电材料，压电悬臂梁5振动时引起压电材料应力和应变的变化，利用正压电效应将机械能转化为电能。
如图2所示，弧形滑轨2为中空结构，在其两侧内壁设有对称的滑槽，用以装配磁铁安装部件3。通过改变磁铁安装部件3的位置和角度可以调整本发明多稳态能量俘获系统的多稳态效果，提高能量俘获效率。
如图3所示，磁铁安装部件3包括壳体8，按钮9，弹簧10和滑轨卡钉11，壳体8的四个侧面安装有一对按钮9和一对滑轨卡钉11。其中，相对面的一对按钮9和相对面的一对滑轨卡钉11之间分别通过弹簧10连接，且弹簧10处于压缩状态。
如图4所示，按压相对面的一对按钮9时，按钮9彼此靠近并带动相对面的滑轨卡钉11相互靠近，滑轨卡钉11之间的间距缩短使得磁铁安装部件3可以放入弧形滑轨2中。当磁铁安装部件3放入弧形滑轨2中之后，不再按压按钮9，此时处于压缩状态的弹簧10的弹力会使相对面的按钮9和相对面的滑轨卡钉11相互远离，弹簧10的弹力作用使得滑轨卡钉11嵌入弧形滑轨2内壁所设的凹槽中，实现了磁铁安装部件3与弧形滑轨2的安装。
工作时，将支架1固定在流场中，将磁铁安装部件3与弧形滑轨2正确安装，调整好固定磁铁4的位置和角度。当流体流经钝体6时，在钝体6两侧产生不对称的旋涡脱落，使钝体6两侧形成压力差并带动压电悬臂梁5发生振动，附着在压电悬臂梁5表面的压电材料基于正压电效应将机械能转化为电能。
本发明提出一种多稳态流致能量俘获结构，通过钝体的流致振动带动压电悬臂梁振动，能量俘获效率高，能够满足在流体流速较低的情况下将流体流动能量转化为电能的要求，同时，通过引入非线性磁力，使压电悬臂梁的振动呈现多稳态特征，有效地提高了能量俘获效率。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.多稳态流致能量俘获系统，其特征在于：包括支架，弧形滑轨，磁铁安装部件，固定磁铁，悬臂梁，钝体和振动磁铁，其中，磁铁安装部件包括壳体，按钮，弹簧和滑轨卡钉。支架底部和顶部分别安装有弧形滑轨和悬臂梁，弧形滑轨内安装有若干磁铁安装部件，每个磁铁安装部件内安装一固定磁铁；悬臂梁末端连接一钝体，钝体底部安装有若干振动磁铁。
2.根据权利要求1所述的多稳态流致能量俘获系统，其特征在于：所述固定磁铁通过磁铁安装部件安装在弧形滑轨内，固定磁铁的位置和角度均可通过磁铁安装部件调整。
3.根据权利要求1所述的多稳态流致能量俘获系统，其特征在于：所述钝体由轻质材料制成，易发生流致振动。
4.根据权利要求1所述的多稳态流致能量俘获系统，其特征在于：所述钝体在振动过程中，其底部与弧形滑轨间的距离保持不变。
5.根据权利要求1所述的多稳态流致能量俘获系统，其特征在于：所述悬臂梁、钝体与振动磁铁的组合体在流体流速为零时具有多个平衡位置，具有多稳态效果。
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