CN110798096A - 一种流致回转式压电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流致回转式压电发电机，属新能源技术领域。主体的主腔周围均布有副腔，主腔侧壁端装有端盖；滚筒的左右壁上设有半轴、筒壁外缘上镶嵌有主磁铁；左右半轴经轴承装在端盖和主腔底壁上，从主腔底壁伸出的半轴端部装有叶片；支架的盖板上设有带有倾斜安装面的安装块，盖板两端设有耳板，盖板装在副腔端部、耳板置于副腔插槽内；导销两端置于耳板的销孔内，导销上从左至右依次套有左弹簧、激励器和右弹簧；激励器顶面上设有两组凸轮、底面上装有副磁铁；凸轮面由依次相连的底面、斜面及顶面构成；支架的安装面上装有压电振子，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，压电振子自由端与凸轮的斜面中点接触。

Description

一种流致回转式压电发电机

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种流致回转式压电发电机，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发电机，但现有的微小型发电机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

本发明提出一种流致回转式压电发电机，本发明采用的实施方案是：主体的主腔周围均布有一组副腔，主腔为轴线处于水平面内的圆柱形、副腔为方形，一个副腔的左右壁外侧设有支脚，各副腔的左右壁内侧设有插槽，主腔的底壁上设有轴承孔，主腔的侧壁端部经螺钉装有带轴承孔的端盖；滚筒的左壁上设有左半轴、右壁上设有右半轴，左右半轴为同轴的阶梯轴；滚筒的筒壁外缘上镶嵌有至少两组数量相同的主磁铁，同一组内的主磁铁均布在同一圆周上，相邻两组主磁铁在滚筒的同一轴截面上的投影也为均布，相邻两组主磁铁的轴向距离相等，主磁铁的组数为偶数；左右半轴经轴承分别安装在端盖和主腔的底壁上，右半轴从主腔的底壁伸出且其端部经螺钉和轴套安装有叶片，叶片焊接在轴套上。

支架的盖板上对称地设有两组带有倾斜安装面的安装块，安装块与其所在的盖板的板面间形成的锐角为安装角，安装角为30～50度；盖板两端设有带销孔的耳板，安装块和耳板位于盖板的同一侧；盖板经螺钉安装在副腔端部，盖板两端的耳板置于副腔左右壁内侧的插槽内；导销两端分别置于两个耳板的销孔内，导销上从左至右依次套有左弹簧、激励器和右弹簧，激励器的导孔套在导销上，左右弹簧的两端分别顶靠在耳板和激励器上；激励器顶面上沿导孔轴向对称地设有两组凸轮，激励器的底面上沿导孔轴向安装有至少两个副磁铁，激励器的底面靠近主腔且与滚筒相对安装，一个激励器上的副磁铁数量与滚筒上主磁铁的组数相同，各副磁铁所在的轴截面位于相邻两组主磁铁所在的轴截面之间，副磁铁与其轴向左右相邻两组主磁铁间均为吸引力；凸轮的凸轮面由依次相连的底面、斜面及顶面构成，底面与顶面间的距离为凸轮升程，底面与斜面间所构成的锐角为凸轮升角，凸轮升角为30～50度。

支架的安装面上经螺钉和压条安装有压电振子，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，基板的预弯半径小于压电片的预弯半径，基板靠近激励器安装，压电振子自由端的基板的翻边处顶靠在凸轮的表面上，基板的翻边的凸起侧与凸轮的表面接触；压电振子安装前的自然状态下基板与压电片粘接面处的预弯半径为其中：h为压电振子总厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板和压电片材料的弹性模量，T_p和k₃₁分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。

主磁铁与各副磁铁之间无相互作用力时压电振子自由端与凸轮的斜面的中点接触，压电振子的预压缩量为其许用变形量的一半，压电振子的许用变形量大于凸轮升程；压电振子的预弯半径无穷大且固定端两层都被夹持时，压电振子的许用变形量为

其中l为压电振子悬臂长度，h为压电振子d的总厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板和压电片材料的弹性模量，T_p和k₃₁分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。

叶片受水流作用时带动滚筒及主磁铁转动，主副磁铁间相对位置及相互作用力发生变化，进而迫使激励器沿导销往复振动、压电振子沿凸轮的斜面往复弯曲变形，压电振子往复弯曲变形过程中即将机械能转换成电能；具体变形过程：①激励器离开平衡位置并使压电振子自由端沿凸轮的斜面上升时，压电振子变形量逐渐增加；激励器移动并使压电振子自由端与凸轮的顶面接触时，压电振子变形量达到最大、不再随激励器的继续移动而增加；②激励器离开平衡位置并使压电振子自由端沿凸轮的斜面下降时，压电振子变形量逐渐减小；激励器移动并使压电振子自由端与凸轮的底面接触时，压电振子变形量达到最小、不再随激励器的继续移动而降低。上述的工作过程中：激励器同步激励多个压电振子，发电能力强；各压电振子的最大变形都小于凸轮的升程，可靠性高；两组压电振子与激励器间的相互作用力方向相反，总的阻力小、易于驱动；激励器的振动响应特性易于通过左右弹簧刚度调节，转速适应性强、频带宽。

优势与特色：激励器同步激励多个压电振子，各压电振子仅承受可控的单向弯曲变形即最大变形都小于凸轮的升程、激励器振动响应特性易于通过左右弹簧刚度调节，故发电能力强、有效频带宽、可靠性高。

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I部放大图；

图3是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图；

图6是图5的A-A剖视图；

图7是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；

图8是本发明一个较佳实施例中滚筒的结构示意图；

图9是图8的B-B剖视图。

具体实施方式

主体a的主腔a1的周围均布有一组副腔a2，主腔a1为轴线处于水平面内的圆柱形、副腔a2为方形，一个副腔a2的左右壁外侧设有支脚a0，各副腔a2的左右壁内侧设有插槽a4，主腔a1的底壁a3上设有轴承孔a5，主腔a1的侧壁端部经螺钉装有带轴承孔的端盖j；滚筒k的左壁k2上设有左半轴k4、右壁k3上设有右半轴k5，左半轴k4和右半轴k5皆为阶梯轴且同轴；滚筒k的筒壁k1的外缘上镶嵌有至少两组数量相同的主磁铁n，同一组内的主磁铁n均布在同一圆周上，相邻两组主磁铁n在滚筒k的同一轴截面上的投影也为均布，相邻两组主磁铁n的轴向距离相等，主磁铁n的组数为偶数；左半轴k4和右半轴k5经轴承m分别安装在端盖j和主腔a1的底壁a3上，右半轴k5从主腔a1的底壁a3伸出且其端部经螺钉和轴套z1安装有叶片z2，叶片z2焊接在轴套z1上。

支架b的盖板b1上对称地设有两组带有倾斜安装面b3的安装块b2，安装块b2与其所在的盖板b1的板面间形成的锐角为安装角b0，安装角b0＝30～50度；盖板b1的两端设有带销孔b5的耳板b4，安装块b2和耳板b4位于盖板b1的同一侧；盖板b1经螺钉安装在副腔a2端部，盖板b1两端的耳板b4置于副腔a2左右壁内侧的插槽a4内；导销f的两端分别置于两个耳板b4的销孔b5内，导销f上从左至右依次套有左弹簧g、激励器e和右弹簧h，激励器e的导孔e1套在导销f上，左弹簧g和右弹簧h的两端分别顶靠在耳板b4和激励器e上；激励器e的顶面上沿导孔e1轴向对称地设有两组凸轮e2，激励器e的底面上沿导孔e1轴向安装有至少两个副磁铁i，激励器e的底面靠近主腔a1且与滚筒k相对安装，一个激励器e上的副磁铁i的数量与滚筒k上主磁铁n的组数相同，各副磁铁i所在的轴截面位于相邻两组主磁铁n所在的轴截面之间，副磁铁i与其轴向左右相邻两组主磁铁n间均为吸引力；凸轮e2的凸轮面由依次相连的底面e3、斜面e4及顶面e5构成，底面e3与顶面e5间的距离e6为凸轮升程，底面e3与斜面e4间所构成的锐角e0＝30～50度为凸轮升角。

支架b的安装面b3上经螺钉和压条c安装有压电振子d，压电振子d为由基板d1和压电片d2粘接而成的悬臂梁型预弯结构，基板d1的预弯半径小于压电片d2的预弯半径，基板d1靠近激励器e安装，压电振子d自由端的基板d1的翻边处顶靠在凸轮e2的表面上，基板d1的翻边的凸起侧与凸轮e2的表面接触；基板d1和压电片d2的厚度相等，压电振子d安装前的自然状态下基板d1与压电片d2粘接面处的预弯半径为

其中：h为压电振子d的总厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，T_p和k₃₁分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。

主磁铁n与各副磁铁i之间无相互作用力时压电振子d自由端与凸轮e2的斜面e4的中点接触，压电振子d的预压缩量为其许用变形量的一半，压电振子d的许用变形量大于凸轮升程；压电振子d的预弯半径无穷大且固定端两层都被夹持时，压电振子d的许用变形量为

其中l为压电振子d的悬臂长度，h为压电振子d的总厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，T_p和k₃₁分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。

叶片z2受水流作用时带动滚筒k及主磁铁n转动，主磁铁n与副磁铁i间的相对位置及相互作用力发生变化，进而迫使激励器e沿导销f往复振动、压电振子d沿凸轮e2的斜面e4往复弯曲变形，压电振子d往复弯曲变形过程中即将机械能转换成电能；具体变形过程：①激励器e离开平衡位置并使压电振子d的自由端沿凸轮e2的斜面e4上升时，压电振子d变形量逐渐增加；激励器e移动并使压电振子d自由端与凸轮e2的顶面e5接触时，压电振子d的变形量达到最大、不再随激励器e的继续移动而增加；②激励器e离开平衡位置并使压电振子d的自由端沿凸轮e2的斜面e4下降时，压电振子d变形量逐渐减小；激励器e移动并使压电振子d自由端与凸轮e2的底面e3接触时，压电振子d的变形量达到最小、不再随激励器e的继续移动而降低。上述的工作过程中：激励器e同步激励多个压电振子d，发电能力强；各压电振子d的最大变形都小于凸轮升程，可靠性高；两组压电振子d与激励器e间的相互作用力方向相反，总的阻力小、易于驱动；激励器e的振动响应特性易于通过左弹簧g和右弹簧h的刚度调节，转速适应性强、频带宽。

Claims (1)

1.一种流致回转式压电发电机，其特征在于：主体的主腔周围均布有一组副腔，副腔的左右壁内侧设有插槽，主腔的侧壁端部装有端盖；滚筒的左壁上设有左半轴、右壁上设有右半轴；滚筒的筒壁外缘上镶嵌有至少两组数量相同的主磁铁，同一组内的主磁铁均布在同一圆周上，相邻两组主磁铁在滚筒的同一轴截面上的投影也为均布；左右半轴经轴承分别安装在端盖和主腔的底壁上，右半轴从主腔的底壁伸出且其端部装有叶片；支架的盖板上对称地设有两组带有倾斜安装面的安装块；盖板两端设有带销孔的耳板，盖板装在副腔端部、耳板置于副腔的插槽内；导销两端置于耳板的销孔内，导销上从左至右依次套有左弹簧、激励器和右弹簧，左右弹簧的两端分别顶靠在耳板和激励器上；激励器顶面上沿导孔轴向对称地设有两组凸轮、底面上沿导孔轴向安装有至少两个副磁铁，激励器的底面靠近主腔且与滚筒相对安装，一个激励器上的副磁铁数量与滚筒上主磁铁的组数相同；凸轮的凸轮面由依次相连的底面、斜面及顶面构成，凸轮升角为30～50度；支架的安装面上装有压电振子，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；主磁铁与各副磁铁之间无相互作用力时压电振子自由端与凸轮的斜面中点接触，压电振子的预压缩量为其许用变形量的一半，压电振子许用变形量大于凸轮升程。

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