CN112078804B - 卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源。包括螺母、垫片、阻尼隔振垫片、安装基板、电路定位螺钉、控制电路、共振箱体、防尘套、卡门涡旋柱、左共振摆、右共振摆、上压电拨套、下压电拨套、纳米压电线状晶体片、上止推磁体、下止推磁体、推力体定位板、压电导线、无人机锂电池、充电导线、快装自锁器、自锁导杆、无人机、超级电容阵列。本发明解决了目前锂电池无人机续航时间短，机载备用电源荷载大、无自主发电能力、无绿色环保、低耗的自然能利用能力、无运动能量回收能力、电池寿命短等缺陷。利用无人机运动位移惯性、悬停气流、姿态等物理量变化转换为电能，同时具备储能功能，有效提升了无人机航程。
Description
技术领域
本发明属于轻型、环保、节能、交通运输、飞行器新能源设备领域，用于提升低空无人驾驶飞行器续航、增程环境，也可用于各类车辆、列车辅助电源和风力发电、惯性能发电、无螺旋桨发电等装置即卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源。
背景技术
传统锂电池供电低空无人驾驶飞行器存在电能消耗大、续航时间短、航程短、无飞行中自然能收集利用能力、无飞行轨迹和飞行姿态变换惯性能回收能力、无自然环境下全天候包括静态工况下的自然能收集能力、增加锂电池会大幅度增大飞行器荷载等缺陷。本发明利用空气流动能和卡门涡旋效应及受控共振技术、纳米线状晶体压电片技术结合倍压整流技术、超级电容技术等措施解决了目前锂电池无人机续航时间短，机载备用电源荷载大、无自主发电能力、无绿色环保、低耗的自然能利用能力、无运动能量回收能力、无自然环境下全天候包括静态工况下的自然能收集能力、电池寿命短等缺陷。利用无人机运动位移惯性、悬停气流、姿态变化、静态气流变动等物理量变化转换为电能，同时具备储能功能，有效提升了无人机航程。实现了无螺旋桨发电、安全、节能、轻质、自然能量收集、对人体无伤害、结构简单、风电转换利用率高、易于加工、可应用于汽车、列车、宇航等辅助电力设施、可持续发展潜力大的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种可持续发展的利用空气流动能和卡门涡旋效应及受控共振技术、纳米线状晶体压电片等技术措施新能源电池产品，能够使无人机续航时间延长、有效增程，其荷载小、能自主发电、绿色环保、低耗、能利用自然能、能回收运动能量、具有自然环境下能全天候包括静态工况下的自然能收集能力、电池寿命延长、也可用市电充电的、充电时间短、具备储能功能，有效提升无人机航程、实现安全、节能、轻质、对人体无伤害、结构简单、风电转换利用率高、易于加工、可应用于汽车、列车、宇航等辅助电力设施，即卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案；
本发明结构方案包括；螺母1、垫片2、阻尼隔振垫片3、安装基板4、电路定位螺钉5、控制电路6、共振箱体7、防尘套8、卡门涡旋柱9、左共振摆10、右共振摆11、上压电拨套12、下压电拨套13、纳米压电线状晶体片14、上止推磁体15、下止推磁体16、推力体定位板17、压电导线18、无人机锂电池19、充电导线20、快装自锁器21、自锁导杆22、无人机23、超级电容阵列24，螺母1与自锁导杆22螺纹连接并通过螺母1将自锁导杆22定位在无人机上，垫片2内孔与阻尼隔振垫片3内孔套入自锁导杆22中同时将安装基板4与共振箱体7外边缘的孔套入自锁导杆22后将快装自锁器21内孔插推入自锁导杆22中压式自锁定位住垫片2、阻尼隔振垫片3、安装基板4、共振箱体7，控制电路6通过电路定位螺钉5螺纹连接在安装基板4螺纹孔上，防尘套8大圆锥孔边缘插入共振箱体7顶部环槽中用环氧树脂粘接同时防尘套8上部小圆锥孔边缘插入卡门涡旋柱9中部环形槽内并用环氧树脂粘接，上压电拨套12和下压电拨套13过盈配合在卡门涡旋柱9上并用环氧树脂定位粘接，上止推磁体15的N极朝下，向上过渡配合压装入卡门涡旋柱9底部孔中并用环氧树脂定位粘接，下止推磁体16的N极朝上底部涂覆环氧树脂后过渡配合压装入推力体定位板17中部盲孔中，纳米压电线状晶体片14外圆边缘涂覆环氧树脂后分别过渡配合压装入左共振摆10和右共振摆11环形槽中，上压电拨套12和下压电拨套13过盈配合在卡门涡旋柱9上之前先将纳米压电线状晶体片14内孔放入上压电拨套12台阶外圆上和下压电拨套13台阶外圆上，推力体定位板17外圆边缘涂覆环氧树脂后分别过渡配合压装入左共振摆10和右共振摆11环形槽中，左共振摆10与右共振摆11分型面涂覆环氧树脂后销孔销柱过渡配合连接，在左共振摆10与右共振摆11组合体上部孔中涂覆环氧树脂后与共振箱体7顶部内弯外圆柱面配合粘接定位，压电导线18上部正负各端分别焊接在纳米压电线状晶体片14上下极板上同时压电导线18下部正负各端分别焊接在控制电路6元件上，超级电容阵列24混联焊接在控制电路6上，无人机锂电池19正、负极分别插接充电导线20下部后将充电导线20上部分别焊接在控制电路6电源输出端正、负极上。
所述卡门涡旋柱9采用微量非对称薄壁结构，是气流卡门涡街的诱导构件、其与气流作用产生共振，当其与3个以上的上压电拨套12和3个以上下压电拨套13结合时组成气动卡门涡旋共振激励器，气动卡门涡旋共振激励器与6个以上纳米压电线状晶体片14和左共振摆10与右共振摆11及压电导线18组合体组成压电发生器，卡门涡旋柱9和上止推磁体15组件与下止推磁体16组成受控共振冲击器，气动卡门涡旋共振激励器与压电发生器及受控共振冲击器和共振箱体7组装成共振放大器。
所述螺母1为8个、垫片2为4个、高分子材料的阻尼隔振垫片3为吸振变频构件共有4个、复合材料的自锁导杆22为高强度吸振材料共有4个、弹性金属结构的快装自锁器21组件为4个，每2个螺母1、1个自锁导杆22与无人机的桁架孔通过双螺母连接自锁组成无人机增程电源定位杆，每1个垫片2和1个阻尼隔振垫片3与1个快装自锁器21通过与无人机增程电源定位杆组合成为一套共振隔离器以保护无人机不受共振放大器影响。
所述控制电路6由纳米压电线状晶体片14、压电导线18、4倍压整流电路、5.4伏特稳压电路、5.4伏特超级电容充电电路、超级电容阵列24、5伏特调压放电保护电路、充电导线20、无人机锂电池19组合成为增程电源，所述超级电容阵列24由8只以上2.7伏特120法拉以上超级电容组成、每2只超级电容串联为一组再将四组以上并联在一起组成无人机增程电源蓄电池并将正、负电极焊接连接在5.4伏特超级电容充电电路正、负极上。
所述纳米压电线状晶体片14是使用GaN基础上ZnO真空镀膜，在此条件下进行ZnO纳米线晶体阵列生长，形成纳米发电机嵌于高分子薄膜中的构件。
本发明原理方案为：所述卡门涡旋柱9采用微量非对称薄壁结构，与风速同步形成气流卡门涡旋的诱导构件，空气流动时产生共振成为卡门涡旋共振发生器，当其与3个以上的上压电拨套12和3个以上下压电拨套13结合组成气动卡门涡旋共振激励器，气动卡门涡旋共振激励器与6个以上纳米压电线状晶体片14内孔间存在微量上、下滑动和微量360°摆动自由度，使气动卡门涡旋共振激励器在共振的同时对纳米压电线状晶体片14产生受迫上、下推动变形和受迫扭摆变形，与此同时在上止推磁体和下止推磁体相互排斥力及共振发生器自重作用下使得纳米压电线状晶体片14产生冲击性受迫上、下推动变形和冲击性受迫扭摆变形，在共振、冲击性受迫上下推动变形、冲击性受迫扭摆变形三种作用下纳米压电线状晶体片14上下极板将产生瞬间电压。因所述纳米压电线状晶体片14每一片都是ZnO纳米线晶体阵列形成的若干纳米发电机，在产生瞬间电压的同时也能提供可利用的电流。由于共振与微量冲击不断传递给6个以上纳米压电线状晶体片14，因此压电导线可不间断将电送往控制电路。所述压电导线，从各个纳米压电线状晶体片14引出后，同极性先作并联，再将压电导线另一端正、负极焊接在控制电路的4倍压整流电路输入端。另一方面所述6个以上纳米压电线状晶体片14外圆柱面固定在左共振摆10与右共振摆11内孔圆柱形环槽内，使纳米压电线状晶体片14安装后成为径向悬臂构造有利于发电，又由于左共振摆10与右共振摆11组合体上部孔共振箱体7顶部内弯外圆柱面配合定位，其左共振摆10与右共振摆11组合体内部所有悬吊构件质量大于薄壁构件共振箱体7的质量，使得共振箱体7与其内部振动的悬吊构件发生放大同步振动，这进一步提高了纳米压电线状晶体片14的发电效能。
所述压电导线从各个纳米压电线状晶体片14引出后，同极性先作并联，再将压电导线另一端正、负极分别焊接在控制电路的4倍压整流电路输入端正、负极上。控制电路6从4倍压整流电路输入端获取压电电压和电流经4倍压整流电路升压整流后输出到5.4伏特稳压电路输入端，经5.4伏特稳压电路稳压后其输出端向5.4伏特超级电容阵列充电、超级电容阵列24通过5伏特调压放电保护电路经充电导线20向无人机锂电池19受控持续充电或与无人机锂电池并联组合成为增程电源，所述超级电容阵列24由8只以上2.7伏特120法拉以上超级电容组成、每2只超级电容串联为一组再将四组以上并联在一起组成无人机增程电源蓄电池并将正、负电极焊接连接在5.4伏特超级电容充电电路正负极上。
所述螺母1为8个、垫片2为4个、高分子材料的阻尼隔振垫片3为吸振变频构件共有4个、复合材料的自锁导杆22为高强度吸振材料共有4个、弹性金属结构的快装自锁器21组件为4个。通过每2个螺母1、1个自锁导杆22与无人机的桁架孔通过双螺母连接自锁组成无人机增程电源定位杆，在其上装入1个垫片2和1个阻尼隔振垫片3再套入安装基板4和共振箱体7，最后将1个快装自锁器21组件插入无人机增程电源定位杆压住安装基板4和共振箱体7即完成自动锁紧。因为高分子材料的阻尼隔振垫片3为吸振变频构件、复合材料的自锁导杆22为高强度吸振材料，所以其组合成为一套共振隔离器以保护无人机机身、飞行控制器不受共振放大器影响。
实现了安全、节能、轻质、自然能量收集、惯性能收集、无螺旋桨发电、对人体无伤害、结构简单、风电转换利用率高、易于加工、成本低、可应用于汽车、列车等可持续发展目标。
附图说明
图1卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源安装图；
图2卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源总图；
图3卡门涡旋发生器、卡门涡旋激励器、受控共振冲击器、压电发生器、共振放大器图；
图4共振隔离器视图；
图中；螺母1、垫片2、阻尼隔振垫片3、安装基板4、电路定位螺钉5、控制电路6、共振箱体7、防尘套8、卡门涡旋柱9、左共振摆10、右共振摆11、上压电拨套12、下压电拨套13、纳米压电线状晶体片14、上止推磁体15、下止推磁体16、推力体定位板17、压电导线18、无人机锂电池19、充电导线20、快装自锁器21、自锁导杆22、无人机23、超级电容阵列24。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示；一种卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源，包括有螺母1、垫片2、阻尼隔振垫片3、安装基板4、电路定位螺钉5、控制电路6、共振箱体7、防尘套13、纳米压电线状晶体片14、上止推磁体15、下止推磁体16、推力体定位板17、压电导线18、无人机锂电池19、充电导线20、快装自锁器21、自锁导杆22、无人机23、超级电容阵列24。本发明由二大部分组成，以共振发生器、卡门涡旋共振激励器、压电发生器、共振放大器、控制电路6为卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源的发电、储电、供电主体为一部分，另一部分为卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源在无人机上的定位、安装、减震装置，以共振隔离器、安装基板4为主体。
如图2所示；包括螺母1、垫片2、阻尼隔振垫片3、安装基板4、电路定位螺钉5、控制电路6、共振箱体7、防尘套8、卡门涡旋柱9、左共振摆10、右共振摆11、上压电拨套12、下压电拨套13、纳米压电线状晶体片14、上止推磁体15、下止推磁体16、推力体定位板17、压电导线18、无人机锂电池19、充电导线20、快装自锁器21、自锁导杆22、超级电容阵列24，所组成的卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源，是一种具有共振发生、共振激励、共振放大、共振利用与自动控制、共振隔离的高新技术发、储电设备，卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源，其工作原理可广泛用于各类交通运输产品及空气能发电产品中。实现了无螺旋桨发电、安全、节能、轻质、对人体无伤害、结构简单、风电转换利用率高、易于加工、成本低、可持续发展潜力大。
如图3所示；包括卡门涡旋柱9采用微量非对称薄壁结构，是气动卡门涡旋的诱导构件、其与气流作用产生共振为卡门涡旋共振发生器，当其与3个以上的上压电拨套12和3个以上下压电拨套13结合时组成气动卡门涡旋共振激励器，气动卡门涡旋共振激励器与6个或6个以上纳米压电线状晶体片14和左共振摆10与右共振摆11及压电导线18组合体组成压电发生器，卡门涡旋柱9和上止推磁体15组件与下止推磁体16组成受控共振冲击器，气动卡门涡旋共振激励器与压电发生器及受控共振冲击器和共振箱体7组装成共振放大器，加上控制电路6就形成卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源的核心结构。
如图4所示：包括螺母1为8个、垫片2为4个、高分子材料的阻尼隔振垫片3是吸振变频构件共有4个、复合材料的自锁导杆22为高强度吸振材料共有4个、弹性金属结构的快装自锁器21组件为4个。通过每2个螺母1、1个自锁导杆22与无人机的桁架孔通过双螺母连接自锁，组成无人机增程电源定位杆，在其上装入1个垫片2和1个阻尼隔振垫片3再套入安装基板4和共振箱体7，最后将1个快装自锁器21组件插入无人机增程电源定位杆压住安装基板4和共振箱体7即可完成自动锁紧。因为高分子材料的阻尼隔振垫片3为吸振变频构件、复合材料的自锁导杆22为高强度吸振材料，所以其组合成为一套共振隔离器以保护无人机机身、飞行控制器不受共振放大器影响，同时结合薄膜结构的防尘套8将卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源的核心结构与外部大气环境进行了可靠隔离。
本发明属于轻型、环保、节能、交通运输、飞行器新能源设备领域，利用无人机运动位移惯性、悬停气流、姿态变化、静态气流变动等物理量变化产生电能，实现了无螺旋桨风能发电、惯性发电在低空飞行器上的应用，所具备的储能功能，有效提升了无人机航程。实现了安全、节能、轻质、自然能量收集，对人体无伤害、结构简单、风电转换利用率高、易于加工、也可广泛应用于汽车、列车、宇航等辅助电力设施、可持续发展潜力大。属于一种高新技术能源富集产品，原材料来源广、占用场地小、生产成本低，为充分利用工业资源、推进无人机产业转型升级提供了有利条件。
Claims (3)
1.一种卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源，包括螺母(1)、垫片(2)、阻尼隔振垫片(3)、安装基板(4)、电路定位螺钉(5)、控制电路(6)、共振箱体(7)、防尘套(8)、卡门涡旋柱(9)、左共振摆(10)、右共振摆(11)、上压电拨套(12)、下压电拨套(13)、纳米压电线状晶体片(14)、上止推磁体(15)、下止推磁体(16)、推力体定位板(17)、压电导线(18)、无人机锂电池(19)、充电导线(20)、快装自锁器(21)、自锁导杆(22)、无人机(23)、超级电容阵列(24)，螺母(1)与自锁导杆(22)螺纹连接并通过螺母(1)将自锁导杆(22)定位在无人机上，垫片(2)内孔与阻尼隔振垫片(3)内孔套入自锁导杆(22)中同时将安装基板(4)与共振箱体(7)外边缘的孔套入自锁导杆(22)后将快装自锁器(21)内孔插推入自锁导杆(22)中压式自锁定位住垫片(2)、阻尼隔振垫片(3)、安装基板(4)、共振箱体(7)，控制电路(6)通过电路定位螺钉(5)螺纹连接在安装基板(4)螺纹孔上，防尘套(8)大圆锥孔边缘插入共振箱体(7)顶部环槽中用环氧树脂粘接同时防尘套(8)上部小圆锥孔边缘插入卡门涡旋柱(9)中部环形槽内并用环氧树脂粘接，上压电拨套(12)和下压电拨套(13)过盈配合在卡门涡旋柱(9)上并用环氧树脂定位粘接，上止推磁体(15)N极朝下向上过渡配合压装入卡门涡旋柱(9)底部孔中并用环氧树脂定位粘接，下止推磁体(16)N极朝上底部涂覆环氧树脂后过渡配合压装入推力体定位板(17)中部盲孔中，纳米压电线状晶体片(14)外圆边缘涂覆环氧树脂后分别过渡配合压装入左共振摆(10)和右共振摆(11)环形槽中，上压电拨套(12)和下压电拨套(13)过盈配合在卡门涡旋柱(9)上之前先将纳米压电线状晶体片(14)内孔放入上压电拨套(12)台阶外圆上和下压电拨套(13)台阶外圆上，推力体定位板(17)外圆边缘涂覆环氧树脂后分别过渡配合压装入左共振摆(10)和右共振摆(11)环形槽中，左共振摆(10)与右共振摆(11)分型面涂覆环氧树脂后销孔销柱过渡配合连接，在左共振摆(10)与右共振摆(11)组合体上部孔中涂覆环氧树脂后与共振箱体(7)顶部内弯外圆柱面配合粘接定位，压电导线(18)上部正负各端分别焊接在纳米压电线状晶体片(14)上下极板上同时压电导线(18)下部正负各端分别焊接在控制电路(6)元件上，超级电容阵列(24)混联焊接在控制电路(6)上，无人机锂电池(19)正、负极分别插接充电导线(20)下部后将充电导线(20)上部分别焊接在控制电路(6)电源输出端正、负极上，其特征在于卡门涡旋柱(9)与3个以上的上压电拨套(12)和3个以上下压电拨套(13)结合组成气动卡门涡旋共振激励器，气动卡门涡旋共振激励器与6个以上纳米压电线状晶体片(14)和左共振摆(10)与右共振摆(11)及压电导线(18)组合体组成压电发生器，卡门涡旋柱(9)和上止推磁体(15)组件与下止推磁体(16)组成受控共振冲击器，气动卡门涡旋共振激励器与压电发生器及受控共振冲击器和共振箱体(7)组装成共振放大器，螺母(1)为8个、垫片(2)为4个、高分子材料的阻尼隔振垫片(3)为4个、复合材料的自锁导杆(22)为4个、弹性金属结构的快装自锁器(21)组件为4个，每2个螺母(1)、1个自锁导杆(22)与无人机的桁架孔通过双螺母连接组成无人机增程电源定位杆，每1个垫片(2)和1个阻尼隔振垫片(3)与1个快装自锁器(21)通过与无人机增程电源定位杆组合成为一套共振隔离器。
2.根据权利要求1所述的卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源，其特征在于：所述控制电路(6)由纳米压电线状晶体片(14)、压电导线(18)、4倍压整流电路、5.4伏特稳压电路、5.4伏特超级电容充电电路、超级电容阵列(24)、5伏特调压放电保护电路、充电导线(20)、无人机锂电池(19)组合成为增程电源，所述超级电容阵列(24)由8只以上2.7伏特120法拉以上超级电容组成、每2只超级电容串联为一组再将四组以上并联在一起组成无人机增程电源蓄电池并将正、负电极焊接连接在5.4伏特超级电容充电电路正、负极上。
3.根据权利要求1所述的卡门共振纳米线晶体压电无人机增程电源，其特征在于：所述纳米压电线状晶体片(14)使用GaN基的ZnO纳米线晶体阵列材料。
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