CN110429864A - 一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，属于水流和空气流致振动俘能技术领域，解决了传统的单一压电悬臂梁俘能效率低的问题，以及串接型压电俘能器，仅做弯曲运动，悬臂梁之间无影响关系，串接结构占地面积较大，且串接状态易降低结构刚度，使结构失稳的问题。技术要点：横向压电悬臂梁和纵向压电悬臂梁呈垂直交错排布，两者通过定位限位器实现联动，两者可同时做弯曲及扭转运动进行俘能，扰流柱与横向压电悬臂梁的一端串接，且串接方向与水流或空气流方向一致，横向压电悬臂梁的另一端通过主夹具与底座建立连接，纵向压电悬臂梁通过副夹具与底座建立连接；本发明可同时做弯曲及扭转运动，有助于提高俘能效率，可广泛应用于水下或空气中俘能。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电俘能器，具体涉及一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，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。
首先，现有技术中的流致振动俘能多为单悬臂梁结构，即每个响应柱做涡激振动时仅带动一个压电悬臂梁进行振动，每个俘能振子工作时仅有一片压电悬臂梁进行弯曲发电。如文献“Xiaobiao Shan,Hongliang Li,Yuancai Yang,Ju Feng,Yicong Wang,TaoXie*.Enhancing the Performance of an Underwater Piezoelectric EnergyHarvester Based on Flow-induced Vibration.Energy.2019,172:134-140”中提出的单悬臂梁式俘能器结构。其结构虽然能实现较好的俘能效果，但每个压电振子工作时只能驱动一个压电悬臂梁进行俘能，俘能能力较弱，无法达到最好的俘能效果。
其次，现有技术中的流致振动俘能器结构多为串接型。如专利申请“一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器，CN109787512A，2019-05-21”中提出的垂直串接排布式压电俘能器结构。其结构虽然能实现较好的俘能效果，但其压电悬臂梁均仅做弯曲运动，悬臂梁之间无影响关系；串接结构占地面积较大，且串接状态易降低结构刚度，使结构失稳。
发明内容
本发明的目的是提供一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，以解决传统的单一压电悬臂梁俘能效率低的问题，以及串接型压电俘能器，仅做弯曲运动，悬臂梁之间无影响关系，串接结构占地面积较大，且串接状态易降低结构刚度，使结构失稳的问题。
技术方案如下：
一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，包括扰流柱、横向压电悬臂梁、纵向压电悬臂梁、主夹具、副夹具、定位限位器和底座，所述横向压电悬臂梁和纵向压电悬臂梁呈垂直交错排布，两者通过定位限位器实现联动，两者可同时做弯曲及扭转运动进行俘能，所述扰流柱与横向压电悬臂梁的一端串接，且串接方向与水流或空气流方向一致，横向压电悬臂梁的另一端通过主夹具与底座建立连接，纵向压电悬臂梁通过副夹具与底座建立连接；所述主夹具，用于固定横向压电悬臂梁及其末端扰流柱；所述副夹具用于固定纵向压电悬臂梁；所述底座用于主夹具、副夹具固定，及实现副夹具横向位置调节。
进一步地：所述横向压电悬臂梁由第一压电材料贴附在横向弹性基体上形成，横向弹性基体的长度比第一压电材料长，宽度比第一压电材料宽；第一压电材料沿长度方向贴附在横向弹性基体中央，沿宽度方向与横向弹性基体下端对齐；沿长度方向，横向弹性基体的两端分别连接扰流柱和主夹具；沿宽度方向，横向弹性基体的上端焊有定位环，纵向压电悬臂梁穿过定位环，由定位环带动纵向压电悬臂梁做弯扭复合运动；所述纵向压电悬臂梁是由第二压电材料贴附在纵向弹性基体上形成，纵向弹性基体长度比第二压电材料长，宽度与第二压电材料相等，第二压电材料贴附在纵向弹性基体中央；纵向弹性基体一端用于副夹具夹持，另一端焊有限位棒，防止纵向压电悬臂梁做弯扭复合运动时因运动幅度过大而脱出定位环，限位棒和定位环共同构成定位限位器。
进一步地：所述横向弹性基体的两端缠绕防水胶布。如此设置，其分别连接扰流柱和主夹具时，缠绕的防水胶布用以增大夹持摩擦力。
进一步地：所述纵向弹性基体的下端缠绕防水胶布。如此设置，其与副夹具夹持时，缠绕的防水胶布用以增大夹持摩擦力。
进一步地：所述扰流柱截面为非流线型，包括两个瓣体，扰流柱内部设有横向压电悬臂梁固定槽；扰流柱两端均开有沉孔，可将内六角螺钉和螺母全部沉入扰流柱并将两个瓣体固定为一体，扰流柱靠横向压电悬臂梁固定槽和摩擦力夹持横向压电悬臂梁。
进一步地：所述纵向压电悬臂梁成对设置，分别布置于横向压电悬臂梁两侧，以增大俘能效率。
进一步地：所述扰流柱的截面形状为圆形、矩形、三角形、椭圆形或半圆形。
本发明所达到的效果为：
本发明的增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器的压电悬臂梁呈垂直交错排布，可同时做弯曲及扭转运动进行俘能；纵向压电悬臂梁可成对使用，分别布置于横向压电悬臂梁两侧，以增大俘能效率。扰流柱处的螺栓、螺母孔均为沉孔，最大程度上减少连接件的扰流作用；扰流柱、横向压电悬臂梁串接方向与水流或空气流方向一致，底座和夹具分别处于俘能器下方或后方，以防止底座、夹具扰流。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，激励横向压电悬臂梁产生周期性弯曲运动，由横向压电悬臂梁带动纵向压电悬臂梁进行弯扭复合运动，有助于提高俘能效率。
本发明与背景技术中的文献“Xiaobiao Shan,Hongliang Li,Yuancai Yang,JuFeng,Yicong Wang,Tao Xie*.Enhancing the Performance of an UnderwaterPiezoelectric Energy Harvester Based on Flow-induced Vibration.Energy.2019,172:134-140”中提出的单悬臂梁式俘能器结构比较，弯扭复合型压电俘能器的压电悬臂梁呈垂直交错排布，由响应柱直接带动横向压电悬臂梁做弯曲振动，再由横向压电悬臂梁间接带动纵向压电悬臂梁做弯扭复合运动。做弯扭复合运动的压电片的俘能效果高于单独做弯曲运动的压电片，故弯扭复合型压电俘能器的俘能效果高于单悬臂梁结构的压电俘能器所产生的俘能效果，有助于提高俘能效率。
本发明与背景技术中的专利申请“一种增大耦合作用的垂直串接排布式压电俘能器、CN109787512A、2019-05-21”中提出的垂直串接排布式压电俘能器结构比较，利用涡激振动原理实现压电悬臂梁的周期性弯扭复合振荡，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；另外，弯扭复合型压电俘能器的压电悬臂梁呈垂直交错排布，不仅能有效利用空间，且压电片可同时做弯曲及扭转运动进行俘能，使其拥有结构占地面积小、稳定紧凑、俘能效率高的优点。
附图说明
图1是本发明所述的弯扭复合型压电俘能器的立体结构示意图(扰流柱以圆柱为例)；
图2是本发明所述俘能器的扰流柱正面立体示意图；
图3是本发明所述俘能器的扰流柱反面立体示意图；
图4是本发明所述俘能器的横向压电悬臂梁立体示意图；
图5是本发明所述俘能器的纵向压电悬臂梁立体示意图；
图6是本发明所述俘能器的主夹具立体示意图；
图7是本发明所述俘能器的副夹具立体示意图；
图8是本发明所述俘能器的底座正面示意图；
图9是本发明所述俘能器的底座反面示意图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。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，本实施例所述的一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，包括扰流柱A、横向压电悬臂梁B、纵向压电悬臂梁C、主夹具D、副夹具E和底座F，所述横向压电悬臂梁B和纵向压电悬臂梁C呈垂直交错排布，两者通过定位限位器实现联动，两者可同时做弯曲及扭转运动进行俘能，所述扰流柱A与横向压电悬臂梁B的一端串接，且串接方向与水流或空气流方向一致，横向压电悬臂梁B的另一端通过主夹具D与底座F建立连接，纵向压电悬臂梁C通过副夹具E与底座F建立连接；所述扰流柱截面为非流线型，内部设有压电悬臂梁固定槽1；扰流柱两端均开有沉孔2，可将内六角螺钉3和螺母4全部沉入扰流柱并将扰流柱组固定为一体，靠压电悬臂梁固定槽1和摩擦力夹持横向压电悬臂梁；所述横向压电悬臂梁是由第一压电材料5贴附在横向弹性基体6上形成，横向弹性基体长度比第一压电材料5略长，宽度比第一压电材料5略宽；第一压电材料5沿长度方向贴附在横向弹性基体6中央，沿宽度方向与横向弹性基体6下端对齐；沿长度方向，横向弹性基体两端分别用于扰流柱和主夹具夹持，可缠绕防水胶布以增大夹持摩擦力；沿宽度方向，横向弹性基体上端左侧焊有定位环7，纵向压电悬臂梁穿过定位环7，由定位环7带动纵向压电悬臂梁做弯扭复合运动；所述纵向压电悬臂梁是由第二压电材料5′贴附在纵向弹性基体8上形成，纵向弹性基体8长度比第二压电材料5′略长，宽度与第二压电材料5′相等，第二压电材料5′贴附在纵向弹性基体8中央；纵向弹性基体一端用于副夹具夹持，可缠绕防水胶布以增大夹持摩擦力；一端焊有限位棒9，防止纵向压电悬臂梁做弯扭复合运动时因运动幅度过大而脱出定位环7；所述主夹具上部开有通孔10，采用螺栓11与螺母12配合连接(以下均简称为“采用螺栓螺母配合连接”)，用于固定横向压电悬臂梁及其末端扰流柱；一侧夹具下部开有一对通孔13，采用螺栓螺母配合连接，用于主夹具与底座之间的固定；所述副夹具上部开有一对通孔14，采用螺栓螺母配合连接，用于固定纵向压电悬臂梁；一侧夹具下部开有一对通孔15，采用螺栓螺母连接，用于副夹具与底座之间的固定；所述底座开有一对沉头通孔16和一对沉头长孔17，可将螺栓11头部沉入底座，分别用于主夹具、副夹具固定，长孔17用于调节副夹具横向位置。所述主夹具D，用于固定横向压电悬臂梁B及其末端扰流柱A；所述副夹具E用于固定纵向压电悬臂梁C；所述底座F用于主夹具D、副夹具E固定，及实现副夹具E横向位置调节。所述扰流柱截面形状不限，可以为圆形、矩形、三角、椭圆、半圆等非流线型；所述扰流柱截面形状优先选用圆形。
本实施例中，压电俘能器的压电悬臂梁呈垂直交错排布，可同时做弯曲及扭转运动进行俘能，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、占地面积小、可系列化生产的优点。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，激励横向压电片做周期性弯曲运动，同时带动纵向压电片做周期性弯曲、扭转运动。压电振子处的螺栓、螺母孔均采用沉孔，最大程度上减少联接件的扰流作用。扰流柱、横向压电悬臂梁串接方向与水流或空气流方向一致，底座和夹具分别处于俘能器下方或后方，以防止底座、夹具扰流。本实施例的一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，不仅横向压电悬臂梁可做弯曲运动进行俘能，且带动纵向压电悬臂梁进行弯扭复合运动进行俘能，有助于提高俘能效率，可广泛应用于水下或空气中俘能。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，仅以圆柱形扰流柱为例，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 (7)
1.一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，其特征在于：包括扰流柱(A)、横向压电悬臂梁(B)、纵向压电悬臂梁(C)、主夹具(D)、副夹具(E)、底座(F)和定位限位器，所述横向压电悬臂梁(B)和纵向压电悬臂梁(C)呈垂直交错排布，两者通过定位限位器实现联动，两者可同时做弯曲及扭转运动进行俘能，所述扰流柱(A)与横向压电悬臂梁(B)的一端串接，且串接方向与水流或空气流方向一致，横向压电悬臂梁(B)的另一端通过主夹具(D)与底座(F)建立连接，纵向压电悬臂梁(C)通过副夹具(E)与底座(F)建立连接；所述主夹具(D)，用于固定横向压电悬臂梁(B)及其末端扰流柱(A)；所述副夹具(E)用于固定纵向压电悬臂梁(C)；所述底座(F)用于主夹具(D)、副夹具(E)固定，及实现副夹具(E)横向位置调节。
2.根据权利要求1所述的一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，其特征在于：所述横向压电悬臂梁(B)由第一压电材料(5)贴附在横向弹性基体(6)上形成，横向弹性基体(6)的长度比第一压电材料(5)长，宽度比第一压电材料(5)宽；第一压电材料(5)沿长度方向贴附在横向弹性基体(6)中央，沿宽度方向与横向弹性基体(6)下端对齐；沿长度方向，横向弹性基体(6)的两端分别连接扰流柱(A)和主夹具(D)；沿宽度方向，横向弹性基体(6)的上端焊有定位环(7)，纵向压电悬臂梁穿过定位环(7)，由定位环(7)带动纵向压电悬臂梁做弯扭复合运动；所述纵向压电悬臂梁是由第二压电材料(5′)贴附在纵向弹性基体(8)上形成，纵向弹性基体(8)长度比第二压电材料(5′)长，宽度与第二压电材料(5′)相等，第二压电材料(5′)贴附在纵向弹性基体(8)中央；纵向弹性基体(8)一端用于副夹具(E)夹持，另一端焊有限位棒(9)，防止纵向压电悬臂梁做弯扭复合运动时因运动幅度过大而脱出定位环(7)，限位棒(9)和定位环(7)共同构成定位限位器。
3.根据权利要求2所述的一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，其特征在于：所述横向弹性基体(6)的两端缠绕防水胶布。
4.根据权利要求3所述的一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，其特征在于：所述纵向弹性基体(8)的下端缠绕防水胶布。
5.根据权利要求1或2所述的一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，其特征在于：所述扰流柱(A)截面为非流线型，包括两个瓣体，扰流柱(A)内部设有横向压电悬臂梁固定槽(1)；扰流柱(A)两端均开有沉孔(2)，可将内六角螺钉和螺母全部沉入扰流柱并将两个瓣体固定为一体，扰流柱(A)靠横向压电悬臂梁固定槽(1)和摩擦力夹持横向压电悬臂梁。
6.根据权利要求1或2所述的一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，其特征在于：所述纵向压电悬臂梁(C)成对设置，分别布置于横向压电悬臂梁(B)两侧，以增大俘能效率。
7.根据权利要求5所述的一种增大俘能能力的弯扭复合型压电俘能器，其特征在于：所述扰流柱(A)的截面形状为圆形、矩形、三角形、椭圆形或半圆形。
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| CN111884542A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-11-03 | 山东理工大学 | 一种基于全风向涡激振动的风力压电发电装置 |
| CN112332696A (zh) * | 2020-09-29 | 2021-02-05 | 长春工业大学 | 一种仿飞机形流体俘能器 |
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| CN112886864A (zh) * | 2021-02-03 | 2021-06-01 | 南京理工大学 | 一种c型扰流可调串联的流体能量压电俘能器 |
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