CN110752775A - 一种水流致振压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水流致振压电发电机，属新能源技术领域。主体的通腔左右两侧设有体腔，挡板经其左右端装在通腔左右侧壁上：钝体两端的导孔分别套在两个外销上，外销上还套有外弹簧，外销两端装在上下壁上，外弹簧两端分别顶靠在钝体和上下壁上；钝体两端装有外磁铁且与通腔左右侧壁相对；端盖装在体腔端部且其耳板置于体腔内；内销上套有滑块和两个内弹簧，内销两端固定在耳板上，内弹簧两端顶靠在滑块和耳板上；滑块上装有内磁铁，内磁铁与外磁铁正对安装且相吸；滑块两侧设有凸轮，凸轮面由两端的底面、中间的顶面及连接顶面和底面的斜面构成；耳板前后两侧都装有悬臂梁型预弯压电振子，非工作时压电振子自由端顶靠在凸轮面的斜面中心处。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种水流致振压电发电机，用于构造自供电河流监测系统。
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等使用不当等原因，部分河流都存在一定程度的污染问题，无法满足居民生活及农田灌溉的需求。此外，因目前有些地区中小河流防洪设施不完善、缺少相关防洪设施，汛期来临之际存在溃堤或漫堤等危险，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；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等监测技术等多方面，以及为监测系统供电的各类微小型俘能器，但现有的微小型俘能器在可靠性及流速适应性等方面都存在一定的问题，严重地阻碍了其推广应用。
发明内容
本发明提出一种水流致振压电发电机，本发明采用的实施方案是：主体的通腔左右两侧都设有体腔，两个体腔经通腔上下壁相连接，通腔的上下壁上各设有两个外销孔，上下壁的前后方向的宽度比其左右侧壁前后方向的宽度窄；挡板左右两侧的上下两端都设有挂板，挂板为L型结构，挂板经螺钉分别固定在通腔的左右侧壁上；钝体两端的导孔分别套在两个外销上，各外销上还都套有两个外弹簧，外弹簧为碟形簧，外销两端经外销孔装在上下壁上，外弹簧两端分别顶靠在钝体和上壁或下壁上，两个外销的轴线共面且相互平行；钝体为中空的圆柱壳体，钝体两端中心处经螺钉装有外磁铁，钝体的两端分别与通腔的左右侧壁相对，钝体直径比通腔的左右侧壁前后方向的宽度小。
端盖经螺钉装在体腔端部，端盖上下两端都设有带内销孔的耳板，耳板置于体腔内，两个内销孔同轴且其轴线与外销的轴线平行；内销上套有滑块和两个内弹簧，内弹簧为碟形簧，两个内弹簧分别置于滑块上下两侧，内销的横截面为方形，内销的两端经内销孔装在耳板上，内销的两端置于内销孔内且顶靠在体腔内壁上，内弹簧两端分别顶靠在滑块和耳板上；滑块上经螺钉装有内磁铁，内磁铁靠近通腔的左右侧壁且与外磁铁正对安装，内外磁铁相吸；滑块的两侧设有凸轮，凸轮为平面凸轮且其凸轮面由两端的底面、中间的顶面及连接顶面和底面的斜面构成，凸轮面的中间处的长度方向上设有凹槽，同一凸轮上的底面与顶面间的距离为凸轮的升程。
两个耳板的前后两侧都经压板和螺钉装有压电振子，压电振子为由等厚度的基板和压电片粘接而成的悬臂梁型预弯结构，基板的自由端设有翻边，基板的预弯半径小于压电片的预弯半径，基板靠近凸轮面；压电振子自然状态下基板与压电片粘接面的预弯半径为
其中：h为压电振子总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
非工作时基板自由端翻边处顶靠在凸轮面的斜面的中心处，压电振子的装配预压变形量为其许用变形量的一半，凸轮的升程不大于压电振子的许用变形量；压电振子的预弯半径无穷大且压电振子固定端两层都被夹持时，凸轮的最大升程为
其中l为压电振子的悬臂长度、即压电振子与凸轮接触点到固定端的长度，h为压电振子总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明中，水流由钝体流向挡板，水流流经钝体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体前后两侧的水流压力交替变化从而产生使钝体沿外销上下往复振动的激振力；钝体振动使内外磁铁相互位置及作用力发生变化，从而迫使内磁铁带动滑块沿内销上下往复振动，压电振子自由端与滑块的凸轮面接触位置及变形量发生变化：压电振子自由端与凸轮面底面接触时变形量为0、与凸轮面顶面接触时变形量达到最大且为凸轮的升程，此后变形量不再随滑块振幅增加而增加，故可避免压电振子因变形量过大而损毁，可靠性高；通腔内的流体遇到挡板后，其流场及流动方向均发生变化，流动方向由原来的水平方向改成垂直方向，从而对钝体的涡激振动特性产生影响；其它条件相同时，激振力的大小及钝体的振幅与挡板的高度以及挡板与钝体表面间的最短距离有关，本发明中合理的挡板的高度及挡板与钝体的相邻表面间的最短距离均为0～3D，D为钝体的外径；工作中可通过调节挡板的高度及挡板与钝体的相邻表面间的最短距离控制钝体的振幅，流速低时增加振幅、流速高时减小振幅。
优势与特色：①压电振子的最大变形量即为凸轮的升程，钝体振幅较大时也不至使压电振子因变形过大损毁，可靠性高；②钝体后方设置的挡板可有效调节钝体的耦合振动响应特性，易于通过调节二者间距、尺度等参数获得所需的钝体振动放大比，流速适应性及发电能力；③压电振子不与水流接触、仅受可控的单向弯曲变形，故谐振频率高及可靠性高、发电能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是本发明一个较佳实施例中端盖的结构示意图；
图7是图6的右视图；
图8是本发明一个较佳实施例中挡板的结构示意图；
图9是图8的右视图；
图10是本发明一个较佳实施例中滑块的结构示意图；
图11是图10的俯视图；
图12是本发明一个较佳实施例中钝体的结构示意图。
具体实施方式
主体a的通腔a1的左右两侧都设有体腔a2，两个体腔a2经通腔a1的上壁a3和下壁a4相互连接，通腔a1的上壁a3和下壁a4上各设有两个外销孔a5，上壁a3和下壁a4的前后方向的宽度比其左右侧壁前后方向的宽度窄；挡板i左右两侧的上下两端都设有挂板i1，挂板i1为L型结构，挂板i1经螺钉分别固定在通腔a1的左右侧壁上；钝体k两端的导孔k1分别套在两个外销n上，各外销n上还都套有两个外弹簧j，外销n两端经外销孔a5装在上壁a3和下壁a4上，外弹簧j两端分别顶靠在钝体k和上壁a3或下壁a4上，两个外销n的轴线共面且相互平行；钝体k为中空的圆柱壳体，钝体k两端中心处经螺钉装有外磁铁h，钝体k的两端分别与通腔a1的左右侧壁相对，钝体k的直径比通腔a1左右侧壁前后方向的宽度小。
端盖b经螺钉装在体腔a2端部，端盖b上下两端都设有带内销孔b2的耳板b1，耳板b1置于体腔a2内，两个内销孔b2同轴且其轴线与外销n的轴线平行；内销e上套有滑块d和两个内弹簧c，两个内弹簧c分别置于滑块d的上下两侧，内销e的横截面为方形，内销e的两端经内销孔b2装在耳板b1上，即内销e的两端置于内销孔b2内且顶靠在体腔a2的内壁上，内弹簧c的两端分别顶靠在滑块d和耳板b1上；滑块d上经螺钉装有内磁铁g，内磁铁g靠近通腔a1的左右侧壁且与外磁铁h正对安装，内磁铁g和外磁铁h相吸；滑块d的两侧设有凸轮d1，凸轮d1为平面凸轮且其凸轮面d2由两端的底面、中间的顶面及连接顶面和底面的斜面构成，凸轮面d2的中间处的长度方向上设有凹槽d3，同一凸轮d1上的底面与顶面间的距离d0为凸轮d1的升程。
两个耳板b1的前后两侧都经压板o和螺钉装有压电振子f，压电振子f为由等厚度的基板f1和压电片f2粘接而成的悬臂梁型预弯结构，基板f1的自由端设有翻边，基板f1的预弯半径小于压电片f2的预弯半径，基板f1靠近凸轮面d2；压电振子f自然状态下基板f1与压电片f2粘接面的预弯半径为
其中：h为压电振子f的总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板f1和压电片f2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片f2材料的许用应力和机电耦合系数。
非工作时基板f1自由端翻边处顶靠在凸轮面d2的斜面的中心处，压电振子f的装配预压变形量为其许用变形量的一半，凸轮d1的升程d0不大于压电振子f的许用变形量；压电振子f的预弯半径无穷大且压电振子f固定端两层都被夹持时，凸轮d1的最大升程为
其中l为压电振子f的悬臂长度、即压电振子f与凸轮d1接触点到固定端的长度，h为压电振子f的总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板f1和压电片f2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片f2材料的许用应力和机电耦合系数。
本发明中，水流由钝体k流向挡板i，水流流经钝体k后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体k前后两侧的水流压力交替变化从而产生使钝体k沿外销n上下往复振动的激振力；钝体k振动使外磁铁h与内磁铁g的相互位置及作用力发生变化，从而迫使内磁铁g带动滑块d沿内销e上下往复振动，压电振子f自由端与滑块d的凸轮面d2的接触位置及变形量发生变化：压电振子f自由端与凸轮面d2的底面接触时，压电振子f的变形量为0；压电振子f自由端与凸轮面d2的顶面接触时，压电振子f的变形量达到最大、即为凸轮d1的升程d0，此后变形量不再随滑块d振幅的增加而增加，故可避免压电振子f因变形量过大而损毁，可靠性高；通腔a1内的流体遇到挡板i后，其流场及流动方向均发生变化，流动方向由原来的水平方向改成垂直方向，从而对钝体k的涡激振动特性产生影响；其它条件相同时，激振力的大小及钝体k的振幅与挡板i的高度H以及挡板i与钝体k表面间的最短距离有关，本发明中合理的挡板i的高度H及挡板i与钝体k的相邻表面间的最短距离L均为0～3D，D为钝体k的外径；工作中可通过调节挡板i的高度H及挡板i与钝体k的相邻表面间的最短距离L控制钝体k的振幅，流速低时增加振幅、流速高时减小振幅。
Claims (1)
1.一种水流致振压电发电机，其特征在于：主体的通腔左右两侧都设有体腔，挡板经其左右两侧上下端的挂板和螺钉安装在通腔的左右侧壁上；钝体两端的导孔分别套在两个外销上，各外销上还都套有两个外弹簧，外销两端装在上下壁上，外弹簧两端分别顶靠在钝体和上壁或下壁上；钝体两端中心处装有外磁铁，钝体的两端分别与通腔的左右侧壁相对；端盖装在体腔端部且其上带内销孔的耳板置于体腔内；内销上套有滑块和两个内弹簧，内销两端经内销孔装在耳板上，内弹簧两端分别顶靠在滑块和耳板上；滑块上装有内磁铁，内磁铁靠近通腔的左右侧壁且与外磁铁正对安装，内外磁铁相吸；滑块两侧设有凸轮，凸轮为平面凸轮且其凸轮面由两端的底面、中间的顶面及连接顶面和底面的斜面构成；耳板前后两侧都装有压电振子，压电振子为由基板和压电片粘接而成的悬臂梁型预弯结构，基板自由端设有翻边，基板的预弯半径小于压电片的预弯半径，基板靠近凸轮面；非工作时基板自由端翻边处顶靠在凸轮面的斜面的中心处，压电振子的装配预压变形量为其许用变形量的一半，凸轮的升程不大于压电振子的许用变形量；挡板的高度及挡板与钝体相邻表面间的最短距离均为0～3D，D为钝体的外径。
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