CN112332703B - 一种河水监测系统用微型发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种河水监测系统用微型发电机，属新能源与河流监测技术领域。机壳端部装有带电路板的端盖，机壳前后壁都设有上中下滑道，上下滑道装有滑架、中滑道装有托架；滑架的横销和横梁的两端固定有滑板，滑板置于上下滑道内；托架的横板两端固定有带定位槽的侧板，侧板置于中滑道内；托架的横板上装有由两个中部压接在一起的压电振子构成的换能器，压电振子自由端的基板顶靠在横梁两侧；主轴的摆轴和平轴的轴线共面且其交点与摆轴上的外滚道对称中心点重叠；平轴经轴承装在机壳右壁上，叶片装在平轴端部；摆轴上经滚珠装有摆圈，摆圈上下两端摆臂上的拨槽套在横销上，摆臂摆动量最大时横梁一侧压电振子变形量最大、另一侧压电振子变形量为零。

Description

一种河水监测系统用微型发电机
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种河水监测系统用微型发电机，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，用于河流水质污染及防洪预警等方面的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，针对洪水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，以及为河流监测系统供电的各类微小型发电机，但现有的微小发电机在可靠性、流速适应性及电磁兼容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
本发明提出一种河水监测系统用微型发电机，本发明采用的实施方案是：机壳左端经螺钉装有端盖，端盖上经螺钉装有电路板；机壳的前后壁内侧都设有上下滑道和中滑道，前后壁经上下滑道安装有滑架、经中滑道装有托架；滑架的横销和横梁与其两端固定的滑板垂直，同一滑架的两个滑板分别置于前后壁的上滑道或下滑道内；托架的横板与其两端固定的侧板垂直，侧板内侧设有定位槽，侧板置于前后壁的中滑道内并经端盖压紧固定；托架的横板上经螺钉和压板装有换能器，两相邻换能器的固定部位之间设有隔板，压板和隔板的两端都置于侧板的定位槽内；换能器由两个中部压接在一起的压电振子构成，压电振子由基板和压电片粘接而成；同一换能器中两个压电振子自由端的基板分别顶靠在滑架的同一个横梁两侧，压电片的中间夹持部位表面无电极、即压电片夹持部分上下两侧的电极不连通，各压电振子经不同的导线组与电路板相连。
主轴的摆轴和平轴间设有轴肩，摆轴上设有外滚道，外滚道的对称中心与摆轴线垂直，摆轴线和平轴线共面且其交点与外滚道的对称中心点重叠，摆轴线和平轴线间的锐角称倾角；平轴经轴承和轴承盖安装在机壳右壁上，轴承内圈左右两端分别顶靠在轴肩和轴承盖上、外圈左侧顶靠在机壳右壁上，轴承盖与机壳右壁和平轴间分别设有密封垫和密封圈，叶片的轴套经螺钉安装在平轴端部；摆轴上经滚珠安装有摆圈，滚珠位于摆圈的内滚道和摆轴的外滚道中；摆圈的外缘上下两端都设有带拨槽的摆臂，拨槽套在滑架的横销上，安装后横销轴线与滚珠球心及外滚道的对称中心线共面。
工作中，水的单向流动经叶片转换成主轴的转动，摆圈因其摆臂端部位于滑架的滑板之间而不随摆轴转动；摆圈经滚珠与摆轴产生相对转动及沿摆轴轴向的往复摆动，摆臂经横销驱动滑架左右往复运动，横梁迫使与其接触的压电振子向左或右弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板上的转换电路处理后存储或直接供给传感监测系统。
本发明中，压电振子变形量及变形方向随主轴转动交替变换，主轴转动使摆圈的摆臂轴向摆动量最大时横梁一侧压电振子变形量最大、另一侧压电振子变形量为零；如：当上方摆臂向左、下方摆臂向右摆动至最大位置时，则上方横梁左侧及下方横梁右侧的压电振子弯曲变形量最大、另一侧压电振子无变形；此后，随主轴转动，上方横梁左侧及下方横梁右侧压电振子弯曲变形量逐渐减小、另一侧压电振子变形量逐渐增加；主轴转过90度时，各横梁两侧压电振子的变形量相同且为其最大变形量的一半；主轴转过180度时，上方横梁右侧及下方横梁左侧压电振子的变形量最大、另一侧压电振子变形量为零，至此完成一次激励。
为避免压电片因受过大压应力损毁，工作过程中压电振子最大变形量小于其许用值，且需同时保证：RtanQ≤δ*和H≤2δ*，其中，R为横销与平轴的轴心距，Q为摆轴线和平轴线间夹角，H为横梁宽度，δ*为压电振子的许用变形量；基板厚度为压电振子总厚度一半时
Figure GDA0002804936540000021
其中：h为基板厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的杨氏模量，k31和
Figure GDA0002804936540000022
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子夹持部位上方或下方可弯曲部分的长度，η为与胶层厚度有关的修正系数，
Figure GDA0002804936540000023
优势与特色：结构及激励过程简单、无电磁干扰、无接触冲击和噪音；各转速下压电振子为单向的等幅激励，压电片仅承受量值可控的压应力，故可靠性高、有效频带宽；可同步激励多组压电振子，发电与供电能力强。
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的旋转图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明一个较佳实施例中机壳的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中滑架的结构示意图；
图5是图4的左视图；
图6是本发明一个较佳实施例中托架的结构示意图；
图7是图6的左视图；
图8是本发明一个较佳实施例中主轴的结构示意图；
图9是本发明一个较佳实施例中摆圈的结构示意图；
图10是图9的左视图；
图11是本发明一个较佳实施例中主轴转过180度时发电机的结构示意图。
具体实施方式
机壳a左端经螺钉安装有端盖b，端盖b上经螺钉装有电路板n；机壳a的前壁a1和后壁a6内侧都设有上滑道a2、下滑道a3和中滑道a4，前壁a1和后壁a6经上滑道a2和下滑道a3安装有滑架f、经中滑道a4装有托架p；滑架f的横销f2和横梁f3与其两端固定的滑板f1垂直，同一滑架f的两个滑板f1分别置于前壁a1和后壁a6的上滑道a2或下滑道a3内；托架p的横板p2与其两端固定的侧板p1垂直，侧板p1的内侧设有定位槽p3，侧板p1置于前壁a1和后壁a6的中滑道a4内并经端盖b压紧固定；托架p的横板p2上经螺钉和压板c安装有换能器E，两相邻换能器E的固定部位之间设有隔板d，压板c和隔板d的两端都置于侧板p1的定位槽p3内；换能器E由两个中部压接在一起的压电振子e构成，压电振子e由基板e1和压电片e2粘接而成；同一换能器E中两个压电振子e自由端的基板e1分别顶靠在滑架f的同一个横梁f3两侧，压电片e2的中间夹持部位表面无电极、即压电片e2夹持部分上下两侧的电极不连通，各压电振子e经不同的导线组与电路板n相连。
主轴g的摆轴g2和平轴g1之间设有轴肩g3，摆轴g2上设有外滚道g4，外滚道g4的对称中心线g7与摆轴线g6垂直，摆轴线g6和平轴线g5共面且其交点与外滚道g4的对称中心点o重叠，摆轴线g6和平轴线g5间的锐角Q称倾角；平轴g1经轴承j和轴承盖k安装在机壳右壁a5上，轴承j的内圈左右两端分别顶靠在轴肩g3和轴承盖k上、外圈左侧顶靠在机壳右壁a5上，轴承盖k与机壳右壁a5和平轴g1之间分别设有密封垫和密封圈，叶片y2的轴套yi经螺钉安装在平轴g1的端部；摆轴g2上经滚珠i安装有摆圈h，滚珠i位于摆圈h的内滚道h1和摆轴g2的外滚道g4中；摆圈h的外缘上下两端都设有带拨槽h3的摆臂h2，拨槽h3套在滑架f的横销f2上，安装后横销f2的轴线与滚珠i的球心及外滚道g4的对称中心线g7共面。
工作中，水的单向流动经叶片y2转换成主轴g的转动，摆圈h因其摆臂h2端部位于滑架f的滑板f1之间而不随摆轴g2转动；摆圈h经滚珠i与摆轴g2产生相对转动及沿摆轴g2轴向的往复摆动，摆臂h2经横销f2驱动滑架f左右往复运动，横梁f3迫使与其接触的压电振子e向左或右弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板n上的转换电路处理后存储或直接供给传感监测系统。
本发明中，压电振子e的变形量及变形方向随主轴g的转动交替变换，主轴g转动使摆圈h的摆臂h2轴向摆动量最大时横梁f3一侧压电振子e的变形量最大、另一侧压电振子e的变形量为零；如：当上方摆臂h2向左、下方摆臂h2向右摆动至最大位置时，则上方横梁f3左侧及下方横梁f3右侧的压电振子e的弯曲变形量最大、另一侧的压电振子e无变形；此后，随主轴g转动，上方横梁f3左侧及下方横梁f3右侧压电振子e的弯曲变形量逐渐减小、另一侧压电振子e变形量逐渐增加；主轴g转过90度时，各横梁f3两侧压电振子e的变形量相同且为其最大变形量的一半；主轴g转过180度时，上方横梁f3右侧及下方横梁f3左侧压电振子e的变形量最大、另一侧压电振子e的变形量为零，至此完成一次激励。
为避免压电片e2因受过大压应力损毁，工作过程中压电振子e的最大变形量小于其许用值，且需同时保证：RtanQ≤δ*和H≤2δ*，其中，R为横销f2与平轴g1的轴心距，Q为摆轴线g6和平轴线g5间夹角，H为横梁f3的宽度，δ*为压电振子e的许用变形量；基板e1的厚度为压电振子e总厚度一半时
Figure GDA0002804936540000031
其中：h为基板e1的厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板e1和压电片e2材料的杨氏模量，k31和
Figure GDA0002804936540000032
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子e夹持部位上方或下方可弯曲部分的长度，η为与胶层厚度有关的修正系数，
Figure GDA0002804936540000033

Claims (1)

1.一种河水监测系统用微型发电机，其特征在于：机壳左端装有带电路板的端盖，机壳的前后壁内侧都设有上下滑道和中滑道，前后壁经上下滑道安装有滑架、经中滑道装有托架；滑架的横销和横梁与其两端固定的滑板垂直，滑板置于前后壁的上滑道或下滑道内；托架的横板与其两端固定的侧板垂直，侧板内侧设有定位槽，侧板置于前后壁的中滑道内并经端盖压紧；托架的横板上经螺钉和压板装有换能器，两相邻换能器的固定部位间设有隔板，压板和隔板的两端都置于侧板的定位槽内；换能器由两个中部压接在一起的压电振子构成，压电振子由基板和压电片粘接而成；同一换能器中两个压电振子自由端的基板分别顶靠在滑架的同一个横梁两侧，各压电振子经不同的导线组与电路板相连；主轴的摆轴和平轴间设有轴肩，摆轴线和平轴线共面且其交点与摆轴上的外滚道对称中心点重叠；平轴经轴承和轴承盖装在机壳右壁上，叶片的轴套装在平轴端部；摆轴上经滚珠装有摆圈，摆圈外缘上下两端都设有带拨槽的摆臂，拨槽套在滑架的横销上；主轴转动使摆臂轴向摆动量最大时横梁一侧压电振子变形量最大、另一侧压电振子变形量为零，压电振子最大变形量小于其许用值，压电片仅承受量值可控的压应力，且有：R tanQ≤δ*和H≤2δ*，其中，R为横销与平轴的轴心距，Q为摆轴轴线和平轴轴线间夹角，H为横梁宽度，δ*为压电振子许用变形量。
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