CN112713807B - 一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置,由悬臂梁、压电片、圆形截面钝体、永磁铁、弹簧和负载电路组成。放置在流体中,利用流体冲击钝体产生的涡激振动,促使悬臂梁产生往复振动,借助压电片将流体动能转换为电能。本发明利用永磁铁间的非线性磁斥力产生非线性回复力,使该装置产生双稳态振动,增加线性弹性以实现俘能装置内共振现象,本发明将内共振效应和双稳态振动模式结合,应用到涡激振动能量俘获发电领域,有望成为拓宽涡激振动能量俘能装置工作带宽、提高发电效率的有效途径。

Description

一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置
技术领域
本发明属于流体发电设备技术领域,涉及一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置。
背景技术
目前,随着低功耗无线传感器件和信息物流网的迅速发展,长期有效供电问题日益成为微型传感器实用化、产业化的一大障碍。化学电池由于寿命短、相对体积较大、需要更换或充电、易造成环境污染等明显缺陷已无法满足其发展的需要。在诸多绿色可再生能源中风能和水能独占鳌头,其流体动能蕴含量十分巨大且分布广泛。海洋流、河流以及各种城市管路中的水流广泛存在于我们生活环境中,这些流体能量不仅触手可及,而且具有分布广泛和绿色可再生性,可作为一种优质的能量来源,存在巨大的开发潜能。因此,将这些流体动能有效地转化为电能,为无线传感器系统或微机电系统实现自供电,具有重要的工程应用价值。
当流体经过圆形截面固体时会对固体表面施加交变的流体力,使固体产生振动,固体振动又改变流体流态,进而改变作用于固体表面的流体力,这种流体与固体相互作用的现象称为涡激振动,如图1所示。充分利用流体动能将涡激振动能量有效地转化为电能并存储,为微电子器件及微型无线传感器等实现自供电,具有重要的理论研究意义和工程应用价值。但是目前提取涡激振动能量的俘能系统仍存在俘获频带较窄、俘获效率较低等不足,严重影响了其实用化进程。拓宽俘获频率、增大振动幅值,实现流体动能的高效获取与高效转换是今后涡激振动能量俘获研究中迫切需要解决的关键共性问题。本发明基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置正是为适应这一发展需要提出来的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置,解决了现有技术中存在的传统桨叶式发电装置结构难于小型化问题。
本发明所采用的技术方案是,一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置,包括有悬臂梁,悬臂梁为类十字架结构,悬臂梁横向两端一端为固定端,另一端为移动端,悬臂梁纵向两端为自由端,固定端固接有机架,固定端根部两侧侧壁固接有压电片,机架四周排布有负载电路,压电片与负载电路串联,悬臂梁移动端套接有可移动永磁铁,可移动永磁铁的对面设置有固定永磁铁,悬臂梁自由端均固接有钝体,钝体横截面为圆形。
本发明的特点还在于:
压电片的型号为PZT-5H压电片。
负载电路包括有负载电路,负载电路电性连接有负载电阻。
悬臂梁的移动端端部外壁套接有弹簧,弹簧一端接触可移动永磁铁,弹簧另一端接触悬臂梁中心。
可移动永磁铁与固定永磁铁同极相对。
本发明的有益效果是:
1、解决了传统桨叶式发电装置结构难于小型化问题,本发明装置结构简单紧凑,成本远低于桨叶式发电装置,容易实现小型化并为微型机电设备供电,且工作过程中不会产生任何污染物质,环保安全;
2、基于内共振的双稳态模式,能够充分提高涡激俘能振子振动的幅值并更大程度拓宽俘获频率的带宽,大大提高俘能系统的俘获效率,解决了基于线性共振模式的涡激振动能量俘能装置中普遍存在工作频带较窄、俘获效率较低等问题。
附图说明
图1是涡激振动现象的原理图;
图2是本发明一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置的结构示意图;
图3是本发明一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置的悬臂梁双稳态振动原理图;
图4是本发明一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置的双稳态振动势能函数图;
图5是本发明一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置的双稳态振动系统幅频响应图;
图6是本发明一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置的可变势能函数简图;
图7是本发明一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置的基于内共振的双稳态振动系统幅频响应图;
图中,1.悬臂梁,2.压电片,3.钝体,4.弹簧,5.可移动永磁铁,6.固定永磁铁,7.负载电阻,8.机架,9.负载电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置,如图2所示,包括有悬臂梁1,悬臂梁1为类十字架结构,悬臂梁1横向两端一端为固定端,另一端为移动端,悬臂梁1纵向两端为自由端,悬臂梁1的固定端根部固定在机架8上,PZT-5H压电片2粘结在悬臂梁1的固定端根部,在悬臂梁1的自由端安装有钝体3,钝体3横截面为圆形,钝体3纵向与悬臂梁1纵向垂直,在悬臂梁1移动端头部安装线性弹簧4,线性弹簧4一端与悬臂梁固定,另一端与可移动永磁铁5固接,可移动永磁铁5中间有矩形孔,便于永磁铁5在悬臂梁上纵向往复滑动,在可移动永磁铁5的对面安装固定永磁铁6,固定永磁体6与机架8固定,可移动永磁铁5的S极面对固定永磁铁6的S极或可移动永磁铁5的N极面对固定永磁铁6的N极。
压电片的型号为PZT-5H压电片,能量密度大。
负载电路包括有负载电路9,负载电路9电性连接有负载电阻7,配置不同电阻可实现最大输出功率。
可移动永磁铁5与固定永磁铁6同极相对。可移动永磁铁5与固定永磁铁6间的非线性磁斥力易于使活动磁铁产生双稳态运动,有助于增大圆形截面钝体的振动幅值。
本发明一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置,其工作过程如下:
悬臂梁1为类十字架结构,悬臂梁1的根部固定在机架8上,PZT-5H压电片2粘结在悬臂梁1的根部,在悬臂梁的自由端安装有钝体3,钝体3纵向与悬臂梁1纵向垂直,在悬臂梁1头部安装线性弹簧4,线性弹簧4一端与悬臂梁固定,另一端与可移动永磁铁5固结,可移动永磁铁5中间有矩形孔,便于永磁铁5在悬臂梁上纵向往复滑动,在可移动永磁铁5的对面安装固定永磁铁6,固定永磁体6与机架8固定,可移动永磁铁5的S极面对固定永磁铁6的S极。钝体3发生往复振动时带动压电片2发生几何形变,压电片2产生电荷,通过负载电阻7和电路9实现电量输出,从而将该装置的机械动能转换电能。
(1)双稳态振动
基于线性振动的俘能系统通常只能在共振的情况下才能有较好的电量输出。相比于线性振动模式,非线性振动模式没有固定的共振点,而是变成了一个共振带。其中双稳态非线性振动是典型的非线性振动模式,国内外学者研究较多,关注度也越来越高。双稳态悬臂梁非线性振动结构示意图如图3所示。
图3中,悬臂梁A1的一端固定在机架A5上,永磁铁A2固定在悬臂梁A1的自由端,由于永磁铁A2的N极与永磁铁A3的N极面对,磁铁间形成了非线性磁斥力A4,在非线性磁斥力A4的作用下,悬臂梁A1产生往复振动,分别在上下两个极限位置出现稳定平衡位置1和2,在中间位置出现不稳定平衡位置3。采用双势阱势能函数表达的双稳态非线性振动如图4所示,图4中展示了悬臂梁出现2个稳定平衡位置和1个不稳定平衡位置所对应的2个稳定平衡点x1、x2和一个不稳定平衡点x0。在激励强度较弱对情况下,悬臂梁系统可以从一个稳定状态跳跃到另一个稳定状态,实现大幅周期或混沌运动。双稳态系统的幅频响应如图5所示,从图5中可以看出双稳态非线性振动的共振峰发生偏移,出现了较宽的工作频带。
(2)基于内共振的双稳态涡激振动俘能装置
内共振是另一种可以用来拓宽工作频带的非线性现象。内共振是指做非线性振动的系统,其模态相互耦合,能量可在不同的模态间相互转化,即在一个模态上受激励的系统,其能量完全可以传递到其他的模态上。双稳态振动系统通过非线性回复力作用可以使系统幅频响应的共振峰向单方向倾斜,从而拓宽俘获频带,将内共振效应引入到双稳态振动系统中(本发明通过在可移动永磁铁5与悬臂梁1之间增加一个线性弹簧4来实现,如图2所示)。内共振的工作原理可由如图6所示的可变势能函数图来形象地加以说明:悬臂梁自由端钝体3的往复振动运动类似于在双势阱内来回振动的小球B,在中间势垒放置弹簧C1。位置1表示球B在初始位置(实线势能函数)压缩着弹簧C1,随着悬臂梁1及钝体3的振动,类似于小球B向下运动,弹簧C1释放存储的弹性势能,从而使双稳态系统获得新的势能函数(虚线势能函数),弹簧势能的释放有助于小球B在位置2获得更高的速度,以使小球向上运动至位置3,在位置3小球B的速度减少到零。由于增加的弹簧势能,在位置3小球B具有比初始位置1更多的势能,小球B开始经过位置2和位置1往回运动,然后小球将弹簧C1压缩,势能函数再次回到实线状态。可变势能函数的关键在于增加了弹簧C1的弹性势能从而增加了小球B的运动高度(等价于增加了悬臂梁1和钝体3的振幅),因此增加了输出功率,即提高能量俘获效率。
由于模态耦合作用及线性弹簧C1的储能释能作用,将会导致振动系统幅频响应的共振峰向两个相反的方向倾斜产生两个频带分支,如图7所示。基于内共振的双稳态涡激振动俘能装置利用线性弹簧4的储能与释能,能够充分提高钝体3振动的幅值,按照图7的幅频响应曲线工作,更大程度上拓宽了俘获频率的带宽,从而大大提高俘能系统的俘获效率。因此,将内共振效应和双稳态振动模式结合起来,应用到涡激振动能量俘获发电领域,有望成为实现拓宽俘频带宽、提高发电效率的有效途径。
本发明一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置,其优点在于/有益效果在于:
1、解决了传统桨叶式发电装置结构难于小型化问题,本发明装置结构简单紧凑,成本远低于桨叶式发电装置,容易实现小型化并为微型机电设备供电,且工作过程中不会产生任何污染物质,环保安全;
2、基于内共振的双稳态模式,能够充分提高涡激俘能振子振动的幅值并更大程度拓宽俘获频率的带宽,大大提高俘能系统的俘获效率,解决了基于线性共振模式的涡激振动能量俘能装置中普遍存在工作频带较窄、俘获效率较低等问题。

Claims (3)

1.一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置,其特征在于,包括有悬臂梁(1),所述悬臂梁(1)为类十字架结构,悬臂梁(1)横向两端一端为固定端,另一端为移动端,所述固定端固接有机架(8),固定端根部两侧侧壁固接有压电片(2),悬臂梁(1)纵向两端为自由端,所述机架(8)四周排布有负载电路(9),所述压电片(2)与所述负载电路(9)串联,悬臂梁(1)移动端套接有可移动永磁铁(5),所述可移动永磁铁(5)的对面设置有固定永磁铁(6),悬臂梁(1)自由端均固接有钝体(3),所述钝体(3)横截面为圆形;
所述悬臂梁(1)的移动端端部外壁套接有弹簧(4),弹簧(4)一端接触可移动永磁铁(5),弹簧(4)另一端接触悬臂梁(1)中心;
所述可移动永磁铁(5)与固定永磁铁(6)同极相对。
2.根据权利要求1所述的一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置,其特征在于,所述压电片(2)的型号为PZT-5H压电片。
3.根据权利要求1所述的一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置,其特征在于,所述负载电路(9)电性连接有负载电阻(7)。
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