CN112234865A - 一种基于流体激励的阵列式压电—电磁俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于流体激励的阵列式压电—电磁俘能器，用于直接收集水能的发电装置；由壳体、压电振子、矩形磁铁、圆形磁铁、电磁线圈、壳体端盖、连杆、驱动风扇和固定基板组成；利用水流驱动风扇带动其旋转，从而带动基座转动，阶梯轴底面的圆与所述基座底面圆内切从而与连杆形成曲柄连杆机构使圆形磁铁在壳体内做活塞运动，圆形磁铁就会与壳体内的电磁线圈做切割磁感线运动而电磁发电；圆形磁铁靠近矩形磁铁时会产生磁力耦合作用使压电振子变形使其表面产生电荷；达到压电—电磁的发电模式；压电发电和电磁发电同时进行，俘能产生的电压短时间内可以达到最大。
Description
技术领域
一种基于流体激励的阵列式压电—电磁俘能器，具体涉及一种可收集水能的压电式俘能器，属于流体流致振动俘能技术领域。
背景技术
长江是我国境内的第一大河，历史上长江地区多次发生特大洪涝灾害。近年来，生态严重破坏，盲目的围湖造田，不合理的水利建设对江河产生的负面生态效应不容忽视。此外，由于目前很多地区中小河流防洪设施不完善、甚至没有任何防洪设施，汛期来临之际可能导致溃堤或漫堤等危险，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，十二五期间水利部就曾计划实现对《中小河流治理和中小水库除险加固专项规划》中确定的五千余条河流的监测全覆盖；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，针对防洪及造成泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速度监测技术等多方面。虽然目前所提出的某些监测方法在技术层面已较成熟，但尚未得到大面积的推广应用，其主要原因之一是监测系统供电问题未得到很好的解决。
发明内容
本发明针对目前监测系统供电存在的问题，提出一种发电量高、电量稳定，可直接收集水能的俘能装置。
本发明采用的技术方案是：由壳体(1)、压电振子(2)、矩形磁铁(3)、圆形磁铁(4)、电磁线圈(5)、壳体端盖(6)、连杆(7)、驱动风扇(8)和固定基板(9)组成；
所述壳体(1)为圆柱形，所述压电振子(2)焊接在所述壳体(1)的底部；所述压电振子(2)由金属基板(2—1)和粘接在金属基板(2—1)上的矩形压电陶瓷片(2—2) 组成，所述金属基板(2—1)为黄铜压电梁；所述压电振子(2)一端固定在所述壳体(1) 底部，另一端粘接有矩形磁铁(3)；所述压电振子(2)有两个，两者平行装置且两者粘接的矩形磁铁(3)因距离不够不会发生磁力耦合；所述壳体(1)的顶部一端密封并开设一个可以通过所述圆形磁铁(3)的圆形孔槽(1—1)，所诉壳体(1)顶部开设一个圆圈槽(1 —2)用于存放所述电磁线圈(5)；所述壳体端盖(6)与所述壳体(1)过盈配合并用焊接的方式固定密封；所述壳体(1)阵列布置两个；所述连杆(7)为梭子形状，中间圆柱形较粗，两端长方体较细；左端开设一个圆孔(7—1)，右端开设一个右端圆孔(7—2)；左端圆孔(7—1)用于通过旋转杆(7—4)，用卡销(7—3)卡住旋转杆(7—4)并用焊接的方式固定，另一端焊接所述圆形磁铁(4)；所述驱动风扇(8)的基座(8—1)两端凸出一个阶梯轴(8—2)，所述连杆(7)的右端圆孔(7—2)通过所述阶梯轴(8—2)，用一块圆形质量块(8—3)焊接在所述阶梯轴(8—2)上防止连杆(7)脱落；所述固定基板(9)左端为长方体形状，右端为一个“叉子”形状；所述固定基板(9)左端用于连接两个所述阵列的壳体(1)，通过焊接的方式连接固定；右端连接所述驱动风扇(8)，所述固定基板(9)右端是两个U形槽(9—1)，所述驱动风扇(8)的基座(8—1)两端向内各切割成较细的切割柱(8—4)用于与所述U形槽(9—1)配合，再用U形卡槽(9—2)对接所述U形槽(9—1)用焊接的方式连接固定，达到装配整个俘能器的目的。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电磁线圈(5)是缠绕并密封在壳体(1) 内部的，所述壳体端盖(6)与所述壳体(1)的过盈配合并用焊接的方式密封以防止电磁线圈(5)受到水的侵蚀而损坏。
所述壳体(1)内部的所述压电振子(2)与所述电磁线圈(5)空有长槽(1—3)，俘能器不工作时，所述连杆(7)上粘接的所述圆形磁铁(4)位于所述长槽(1—3)，所述壳体端盖(6)不与壳体(1)接触的一端空出一段短槽(1—4)，都是为了使连杆(7)在壳体(1)内存在足够进行活塞运动的距离。
作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动风扇(8)的基座为圆柱形，所述阶梯轴(8—2)底面的圆与所述基座底面圆内切从而与连杆(7)形成曲柄连杆机构。
作为上述技术方案的进一步改进，所述连杆(7)结构为梭子形状的流线型结构，使连杆(7)在进行曲柄连杆机构运动时减少水流的阻力。
作为上述技术方案的进一步改进，所述固定基板(9)一端连接两个壳体(1)，一端连接所述驱动风扇(8)，用于固定整个机构以保证整个机构的正常工作。
本发明的有益效果是：
此俘能器利用水流驱动风扇带动其旋转，从而带动基座转动，阶梯轴底面的圆与所述基座底面圆内切从而与连杆形成曲柄连杆机构使圆形磁铁在壳体内做活塞运动，圆形磁铁就会与壳体内的电磁线圈做切割磁感线运动而电磁发电；圆形磁铁靠近矩形磁铁时会产生磁力耦合作用使压电振子变形使其表面产生电荷；达到压电—电磁的发电模式；压电发电和电磁发电同时进行，俘能产生的电压短时间内可以达到最大；
附图说明
图1所示为本发明的结构示意图。
图2所示为本发明的壳体与连杆配合的刨面结构示意图。
图3所示为本发明的壳体与端盖配合结构示意图。
图4所示为本发明的壳体端盖结构示意图。
图5所示为本发明的连杆结构示意图。
图6所示为本发明的固定基板结构示意图。
图7所示为本发明的驱动风扇结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
请参阅图1～7，本发明实施例中，具体结构包括：
由壳体(1)、压电振子(2)、矩形磁铁(3)、圆形磁铁(4)、电磁线圈(5)、壳体端盖(6)、连杆(7)、驱动风扇(8)和固定基板(9)组成；所述壳体(1)为圆柱形，所述压电振子(2)焊接在所述壳体(1)的底部；所述压电振子(2)由金属基板(2—1) 和粘接在金属基板(2—1)上的矩形压电陶瓷片(2—2)组成，所述金属基板(2—1)为黄铜压电梁；所述压电振子(2)一端固定在所述壳体(1)底部，另一端粘接有矩形磁铁(3)；所述压电振子(2)有两个，两者平行装置且两者粘接的矩形磁铁(3)因距离不够不会发生磁力耦合；所述壳体(1)的顶部一端密封并开设一个可以通过所述圆形磁铁(3)的圆形孔槽(1—1)，所诉壳体(1)顶部开设一个圆圈槽(1—2)用于存放所述电磁线圈(5)；所述壳体端盖(6)与所述壳体(1)过盈配合并用焊接的方式固定密封；所述壳体(1)阵列布置两个；所述连杆(7)为梭子形状，中间圆柱形较粗，两端长方体较细；左端开设一个圆孔(7—1)，右端开设一个右端圆孔(7—2)；左端圆孔(7—1)用于通过旋转杆(7—4)，用卡销(7—3)卡住旋转杆(7—4)并用焊接的方式固定，另一端焊接所述圆形磁铁(4)；所述驱动风扇(8)的基座(8—1)两端凸出一个阶梯轴(8—2)，所述连杆(7)的右端圆孔(7—2)通过所述阶梯轴(8—2)，用一块圆形质量块(8—3)焊接在所述阶梯轴(8—2) 上防止连杆(7)脱落；所述固定基板(9)左端为长方体形状，右端为一个“叉子”形状；所述固定基板(9)左端用于连接两个所述阵列的壳体(1)，通过焊接的方式连接固定；右端连接所述驱动风扇(8)，所述固定基板(9)右端是两个U形槽(9—1)，所述驱动风扇 (8)的基座(8—1)两端向内各切割成较细的切割柱(8—4)用于与所述U形槽(9—1)配合，再用U形卡槽(9—2)对接所述U形槽(9—1)用焊接的方式连接固定，达到装配整个俘能器的目的。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电磁线圈(5)是缠绕并密封在壳体(1) 内部的，所述壳体端盖(6)与所述壳体(1)的过盈配合并用焊接的方式密封以防止电磁线圈(5)受到水的侵蚀而损坏。
所述壳体(1)内部的所述压电振子(2)与所述电磁线圈(5)空有长槽(1—3)，俘能器不工作时，所述连杆(7)上粘接的所述圆形磁铁(4)位于所述长槽(1—3)，所述壳体端盖(6)不与壳体(1)接触的一端空出一段短槽(1—4)，都是为了使连杆(7)在壳体(1)内存在足够进行活塞运动的距离。
作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动风扇(8)的基座为圆柱形，所述阶梯轴(8—2)底面的圆与所述基座底面圆内切从而与连杆(7)形成曲柄连杆机构。
作为上述技术方案的进一步改进，所述连杆(7)结构为梭子形状的流线型结构，使连杆(7)在进行曲柄连杆机构运动时减少水流的阻力。
作为上述技术方案的进一步改进，所述固定基板(9)一端连接两个壳体(1)，一端连接所述驱动风扇(8)，用于固定整个机构以保证整个机构的正常工作。
本发明的工作过程分为压电发电过程和电磁发电过程：
电磁发电过程：当有水流冲击驱动风扇时，阶梯轴底面的圆与所述基座底面圆内切从而与连杆形成曲柄连杆机构使圆形磁铁在壳体内做活塞运动，圆形磁铁就会与电磁线圈做切割磁感线运动，从而产生电磁发电。
压电发电过程：当有水流冲击驱动风扇时，阶梯轴底面的圆与所述基座底面圆内切从而与连杆形成曲柄连杆机构使圆形磁铁在壳体内做活塞运动，当圆形磁铁靠近压电振子上的矩形磁铁时，就会与矩形磁铁发生磁力耦合导致压电振子变形，由于正压电效应，压电振子表面就会产生电荷；随着水流的冲击，就会无限重复这一过程，实现了压电—电磁的发电模式；能量管理电路，设置在所述壳体内部，分别与所述压电俘能组件、所述电磁俘能组件相连接，用于接收并分配所述电磁俘能组件发送的电磁俘能和压电俘能组件发送的压电俘能；储能元件，与所述能量管理电路相连，用于储存所述壳体上能量管理电路发送的所述压电俘能，以达到给监测系统供电的目的。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上说明只适用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种基于流体激励的阵列式压电—电磁俘能器，由壳体(1)、压电振子(2)、矩形磁铁(3)、圆形磁铁(4)、电磁线圈(5)、壳体端盖(6)、连杆(7)、驱动风扇(8)和固定基板(9)组成；所述壳体(1)为圆柱形，所述压电振子(2)焊接在所述壳体(1)的底部；所述压电振子(2)由金属基板(2—1)和粘接在金属基板(2—1)上的矩形压电陶瓷片(2—2)组成，所述金属基板(2—1)为黄铜压电梁；所述压电振子(2)一端固定在所述壳体(1)底部，另一端粘接有矩形磁铁(3)；所述压电振子(2)有两个，两者平行装置且两者粘接的矩形磁铁(3)因距离不够不会发生磁力耦合；所述壳体(1)的顶部一端密封并开设一个可以通过所述圆形磁铁(3)的圆形孔槽(1—1)，所诉壳体(1)顶部开设一个圆圈槽(1—2)用于存放所述电磁线圈(5)；所述壳体端盖(6)与所述壳体(1)过盈配合并用焊接的方式固定密封；所述壳体(1)阵列布置两个；所述连杆(7)为梭子形状，中间圆柱形较粗，两端长方体较细；左端开设一个圆孔(7—1)，右端开设一个右端圆孔(7—2)；左端圆孔(7—1)用于通过旋转杆(7—4)，用卡销(7—3)卡住旋转杆(7—4)并用焊接的方式固定，另一端焊接所述圆形磁铁(4)；所述驱动风扇(8)的基座(8—1)两端凸出一个阶梯轴(8—2)，所述连杆(7)的右端圆孔(7—2)通过所述阶梯轴(8—2)，用一块圆形质量块(8—3)焊接在所述阶梯轴(8—2)上防止连杆(7)脱落；所述固定基板(9)左端为长方体形状，右端为一个“叉子”形状；所述固定基板(9)左端用于连接两个所述阵列的壳体(1)，通过焊接的方式连接固定；右端连接所述驱动风扇(8)，所述固定基板(9)右端是两个U形槽(9—1)，所述驱动风扇(8)的基座(8—1)两端向内各切割成较细的切割柱(8—4)用于与所述U形槽(9—1)配合，再用U形卡槽(9—2)对接所述U形槽(9—1)用焊接的方式连接固定，达到装配整个俘能器的目的。
2.根据权利 要求书1所述的一种基于水流的阵列式压电—电磁俘能器，其特征在于：所述电磁线圈(5)是缠绕并密封在壳体(1)内部的，所述壳体端盖(6)与所述壳体(1)的过盈配合并用焊接的方式密封以防止电磁线圈(5)受到水的侵蚀而损坏。
3.根据权利 要求书1所述的一种基于流体激励的阵列式压电—电磁俘能器，其特征在于：所述壳体(1)内部的所述压电振子(2)与所述电磁线圈(5)空有长槽(1—3)，俘能器不工作时，所述连杆(7)上粘接的所述圆形磁铁(4)位于所述长槽(1—3)，所述壳体端盖(6)不与壳体(1)接触的一端空出一段短槽(1—4)，都是为了使连杆(7)在壳体(1)内存在足够进行活塞运动的距离。
4.根据权利 要求书1所述的一种基于流体激励的阵列式压电—电磁俘能器，其特征在于：所述驱动风扇(8)的基座为圆柱形，所述阶梯轴(8—2)底面的圆与所述基座底面圆内切从而与连杆(7)形成曲柄连杆机构。
5.根据权利 要求书1所述的一种基于流体激励的阵列式压电—电磁俘能器，其特征在于：所述连杆(7)结构为梭子形状的流线型结构，使连杆(7)在进行曲柄连杆机构运动时减少水流的阻力。
6.根据权利 要求书1所述的一种基于流体激励的阵列式压电—电磁俘能器，其特征在于：所述固定基板(9)一端连接两个壳体(1)，一端连接所述驱动风扇(8)，用于固定整个机构以保证整个机构的正常工作。
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