CN110752778A - 一种磁耦合钝体扰流致振发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁耦合钝体扰流致振发电机，属新能源技术领域。主体上设有体腔和两个带外耳板横板，挡板两端装在横板上；钝体两端的导孔套在两外销上，各外销上还都套有两个外弹簧，外销两端装在外耳板上，外弹簧两端顶靠在钝体和外耳板上；钝体的横臂上装有外磁铁，外磁铁从挡板的长槽穿过且与主体的立板相对；上下两端带内耳板的端盖装在体腔端部，套有滑块和两个内弹簧的内销两端装在内耳板上，内弹簧两端顶靠在滑块和内耳板上；滑块上的内磁铁与外磁铁相吸且正对安装；滑块两侧设有凸轮，凸轮面由底面、顶面及连接顶面和底面的斜面构成；内耳板上装有由基板和压电片粘接而成的压电振子，非工作时基板自由端顶靠在凸轮面斜面的中心处。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种磁耦合钝体扰流致振发电机，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
本发明提出一种磁耦合钝体扰流致振发电机，本发明采用的实施方案是：主体的立板的一侧设有体腔、另一侧设有两个横板，两个横板相互平行且与立板相互垂直；各横板的上下两端都设有带外销孔的外耳板，同一横板上的两外销孔同轴且其轴线与立板及横板平行，两个横板上的各外销孔的轴线共面；挡板的中心处设有长槽、左右两侧的上下两端都设有挂板，挂板为L型结构，左右两侧的挂板分别挂在两个横板上，挡板经挂板和螺钉安装在两个横板上；钝体两端的导孔分别套在两个外销上，每个外销上还都套有两个外弹簧，两个外弹簧分别置于钝体的上下两侧，外销两端经外销孔安装在外耳板上，外弹簧两端分别顶靠在钝体和外耳板上；钝体为中空的圆柱壳体，钝体外表面中心处的横臂上经螺钉安装有外磁铁，横臂和钝体的轴线及立板垂直，外磁铁从挡板的长槽穿过且与主体的立板相对。
端盖经螺钉安装在体腔端部，端盖上下两端设有带内销孔的内耳板，内耳板置于体腔内，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，两个内弹簧分别置于滑块的上下两侧，内销的横截面为方形，内销两端经内销孔安装在内耳板上，即内销两端置于内销孔内且顶靠在体腔内壁上，内弹簧的两端分别顶靠在滑块和内耳板上；滑块上经螺钉安装有内磁铁，内磁铁靠近立板一侧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，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。
两个内耳板的前后两侧都经压板和螺钉安装有压电振子，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，基板靠近凸轮面安装；非工作时基板自由端的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。
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；钝体振动使外磁铁与内磁铁的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，压电振子自由端与凸轮面的接触位置及变形量发生变化：压电振子自由端与凸轮面的底面接触时，压电振子的变形量为0；压电振子自由端与凸轮面的顶面接触时，压电振子的变形量达到最大、即为凸轮的升程，此后变形量不再随滑块振幅的增加而增加，故可避免压电振子因变形量过大而损毁，可靠性高；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高度以及钝体与挡板间的距离有关，本发明中合理的挡板高度及钝体与挡板相邻表面间的最短距离均为0～3D，D为钝体外径；工作中可通过调节挡板与钝体间的最小间距实现钝体振幅的有效控制，流速低时增加振幅、流速高时减小振幅。
本发明中，基板和压电片厚度相等，压电振子安装前的自然状态下为预弯结构，基板的预弯半径小于压电片的预弯半径，二者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。
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强；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的右视图；
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的右视图；
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的左视图；
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的左视图；
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；
图13是图12的左视图。
具体实施方式
主体a的立板a1的一侧设有体腔a2、另一侧设有两个横板a3，两个横板a3相互平行且与立板a1相互垂直；每个横板a3的上下两端都设有带外销孔a5的外耳板a4，同一横板a3上的两个外销孔a5同轴且其轴线与立板a1及横板a3平行，两个横板a3上的各外销孔a5的轴线共面；挡板i的中心处设有长槽i1、左右两侧的上下两端都设有挂板i2，挂板i2为L型结构，左右两侧的挂板i2分别挂在两个横板a3上，挡板i经挂板i2和螺钉安装在两个横板a3上；钝体k两端的导孔k2分别套在两个外销n上，钝体k上下两侧的外销n上还都套有外弹簧j，外销n两端经外销孔a5安装在外耳板a4上，外弹簧j两端分别顶靠在钝体k和外耳板a4上；钝体k为中空的圆柱壳体，钝体k外表面中心处的横臂k1上经螺钉安装有外磁铁h，横臂k1和钝体k的轴线及立板a1垂直，外磁铁h从挡板i的长槽i1穿过且与主体a的立板a1相对。
端盖b经螺钉安装在体腔a2端部，端盖b上下两端设有带内销孔b2的内耳板b1，内耳板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安装在内耳板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和内耳板b1上；滑块d上经螺钉安装有内磁铁g，内磁铁g靠近立板a1一侧且与外磁铁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。
两个内耳板b1的前后两侧都经压板o及螺钉安装有压电振子f，压电振子f为由基板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安装；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。
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；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与钝体k间的最小间距L或挡板i的高度控制钝体k的振幅，流速低时增加振幅、流速高时减小振幅。
本发明中，基板f1和压电片f2厚度相等，压电振子f安装前的自然状态下为预弯结构，基板f1的预弯半径小于压电片f2的预弯半径，二者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。
Claims (1)
1.一种磁耦合钝体扰流致振发电机，其特征在于：主体的立板的一侧设有体腔、另一侧设有两个横板，各横板的上下两端都设有带外销孔的外耳板，中心处设有长槽的挡板的两端经螺钉安装在两个横板上；钝体两端的导孔套在两个外销上，各外销上还都套有两个外弹簧，外销两端安装在外耳板上，外弹簧两端分别顶靠在钝体和外耳板上；钝体的横臂上装有外磁铁，外磁铁从挡板的长槽穿过且与主体的立板相对；通过调节挡板与钝体间的最小间距控制钝体振幅，挡板高度及钝体与挡板相邻表面间的最短距离均为0～3D，D为钝体外径；端盖装在体腔端部，端盖上下两端的内耳板板置于体腔内，内销上套有滑块和两个内弹簧，内销两端装在内耳板上，内弹簧的两端分别顶靠在滑块和内耳板上；滑块上装有内磁铁，内磁铁靠近立板一侧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；两个内耳板的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，基板的预弯半径小于压电片的预弯半径，基板靠近凸轮面安装；非工作时基板自由端的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，凸轮的升程小于压电振子许用变形量。
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