CN114050736A - 一种流致振-旋转式摩擦发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流致振‑旋转式摩擦发动机，属新能源领域；弧板上下两端分别设有壳体，弧板的立边上接有臂板；摆盘两侧分别设有摆盘孔和沉腔，沉腔腔壁上嵌有拨片；转盘外缘上设有拨齿，壳盖将定筒压在壳体内，转筒套在定筒内，定筒的定附加层与转筒的动附加层轻压接触；转轴装在壳体内，转轴的辐板插入转筒的筒槽内；转轴一端经壳底伸出后套有摆盘和转盘，拨片自由端插入转盘齿隙中；摆盘空套装转轴上，转盘与在转轴固定；两摆盘外缘上的耳板与装有耦合器的摆杆相连；摆杆经弹簧与臂板相连；分流板两端与臂板相连，摆杆经分流板的通孔穿过；耦合器受流体作用摆动并经摆杆、摆盘、转盘及转轴驱动转筒，定动附加层相对滑动并将机械能转换成电能。

Description

一种流致振-旋转式摩擦发动机

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种流致振-旋转式摩擦发动机，为河流监测系统提供动能。

背景技术

我国境内河流分布广泛，总量达数千条之多。近年来，由于未经处理的工业垃圾堆放及污水排放、水土流失以及农药和化肥等不当利用等诸多原因，导致部分河流存在一定程度的污染，无法满足居民生活及农田灌溉需求。同时，因部分地区中小河流防洪设施不完善或数量不足，汛期来临之际也存在溃堤或漫堤等隐患，直接威胁了沿岸群众的生产、生活及生命财产安全。有鉴于此，河流水质与水位等的监测已受到国家相关部门的高度重视，国内专家学者也相继提出了诸多有效的监测方法和手段，如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，针对监测系统供电的各类发电机等等。但现有的微小型俘能器在可靠性、流速适应性、发供电能力等方面都存在一定的问题，如涡振发电机系统频率不可调、单次激励发电量小等问题，严重地影响了发电装置在不同流速水域的应用需求。

发明内容

针对现有接触-分离式波浪发电机所存在的问题，提出一种流致振-旋转式摩擦发动机，主要包括机架、壳盖、转轴、摆杆、分流板、耦合器、弹簧、平键、摆盘、定筒、转筒、拨片及转盘，摆盘、摆杆、耦合器及弹簧构成激励器。

机架由两个壳体、座板、弧板及两个臂板构成，壳体由壳壁和壳底构成；壳盖经螺钉安装在壳壁端部，壳盖和壳底上都设有轴孔和环槽；两个壳体对称配置在弧板的上下两端且壳底相对安装，下方的壳体端部与座板相连；弧板的两个立边上接有臂板，臂板与壳体的轴线平行。

转轴由粗轴与其两端的细轴构成，粗轴与细轴同轴，粗轴上沿圆周方向均布地设有辐板，较长的细轴上设有键槽。

定筒的定筒体内壁上设有定附加层，定附加层仅为沿圆周方向均布的电极条；或定附加层由定膜层和沿圆周方向均布的电极条构成，电极条靠近定筒体，定膜层为整体或分体结构；圆周方向相邻的电极条分属于I电极组和II电极组，同一电极组中的电极条端部相连，两个电极组中的电极条及其连接部分均不接触。

转筒的转筒体的内缘上均有地设有轴向的筒槽、外缘上设有动附加层，动附加层由沿圆周方向均布的弹性条和动膜层构成，动膜层为整体或分体结构；弹性条靠近转筒体并嵌入到转筒体内，弹性条的圆心角与电极条的圆心角相等，所有弹性条的圆心角之和小于180度，弹性条的数量为电极条数量的一半。

摆盘外缘上设有耳板，摆盘的两侧分别设有相互连通的摆盘孔和沉腔，沉腔的腔壁上均布有插槽，插槽一侧的高槽壁远高于另一侧的矮槽壁，矮槽壁所在的平面经过摆盘的轴线；插槽内镶嵌有拨片，拨片自由端高出高槽壁。

转盘为环形，转盘的转盘孔的孔壁上设有键槽，转盘的外缘上均布有拨齿，拨齿由平齿面和斜齿面构成，平齿面所在平面经过转盘的轴线，平齿面和斜齿面间的齿尖角为锐角。

定筒经壳盖压接在壳体内，转筒套在定筒内，定附加层与动附加层轻压接触；转轴安装在壳底和壳盖上，转轴两端的细轴分别经轴承安装在壳底和壳盖上，轴承的内圈套在细轴上，轴承的外圈置于壳底和壳盖上的轴孔内；转轴的粗轴置于壳体内，粗轴上的辐板插入转筒的筒槽内，转筒随转轴转动；转轴一端的细轴经壳底上的轴孔伸出后套有摆盘和转盘，转盘置于摆盘的沉腔内，拨片自由端插入转盘的齿隙中，齿隙是指两相邻拨齿的平齿面和斜齿面之间的部分；摆盘的摆盘孔套在细轴上，摆盘可绕细轴转动，转盘经平键安装在细轴上，转盘的转盘孔套在细轴上并经平键固定；两个转轴上所装摆盘的沉腔相对，两摆盘的耳板经螺钉与摆杆的一端相连，摆杆上经螺钉安装有耦合器，耦合器为圆柱、棱柱、平板或壳体；摆杆或耦合器经两个弹簧与机架的臂板相连，弹簧的一端固定在臂板上、另一端固定在摆杆或耦合器上，耦合器和弹簧在摆杆上的安装位置可调，弹簧与摆杆垂直；分流板的两端经螺钉与臂板相连，分流板为弧形板，摆杆经分流板上的通孔穿过，分流板的凸面与耦合器相对。

本发明中，定附加层和动附加层构成摩擦发电单元，I电极组和II电极组为摩擦发电单元的两个电极；电极条的材料为铝或铜；一个摩擦发电单元中，定膜层和动膜层的材料为摩擦电序列中相距较远的两种材料，如尼龙和聚四氟乙烯、铝和聚四氟乙烯，等等。

本发明中，摆盘、摆杆、耦合器及弹簧构成激励器，激励器的功能是接收流致振动能或通过与流体作用将流体的动能转换成摆动动能，激励器固有频率由摆盘、摆杆、耦合器及弹簧结构、尺寸及空间位置参数等确定，激励器的固有频率与流致振振动频率相等时转轴产生摆角最大；其它结构及参数确定后，激励器固有频率通过弹簧的刚度及耦合器和弹簧的安装位置加以调节，激励器的固有频率约为

式中：ζ为阻尼比，k 为弹簧的刚度，y为弹簧到转轴中心的距离，m和x分别为耦合器的质量和质心到转轴中心的距离，m1和m2分别为摆盘和摆杆的质量，r和R分别为摆盘外缘和摆杆自由端到转轴的距离，η为修正系数。

本发明中，摆盘和摆杆均为轻质的非金属材料、即摆盘和摆杆的质量远小于耦合器的质量时，激励器的固有频率简化为

式中：ζ为阻尼比，k为弹簧的刚度，y 为弹簧到转轴中心的距离，m和x分别为耦合器的质量和质心到转轴中心的距离，η为修正系数。

本发明中，发电机可用于收集非定向的海浪能及定向的水流和风能；收集海浪能时，发电机需封装在额外的密闭壳体内且经额外的弹簧或柔性绳索固定在海中；波浪用下，激励器因受耦合器的惯性力的作用而往复摆动；收集定向流体能时，发电机固定，流体从耦合器流向分流板，流体与经与耦合器的耦合作用使耦合腔绕转轴往复摆动；分流板的宽度为耦合器宽度的1～2倍，分流板与耦合器相邻表面间的距离为耦合器宽度的0.25～1倍，圆柱形耦合器的宽度即为其直径；耦合作往复摆动时，激励器再经拨片驱动转盘单向转动，两个转盘的回转方向相反，一个顺时针转动、另一个逆时针转动；激励器往复摆动一次，两转盘各转动一步，如图1、图2、图3所示。

图1中摆杆向远处摆动时，下方摆盘逆齿向摆动、即图2中摆杆向上摆动，拨片顶靠在高槽壁和平齿面上，拨片悬臂长度短且不发生弯曲变形，拨片经平齿面推动下方转盘逆时针转动一步；同时，上方摆盘顺齿向摆动、即图3中摆杆向下摆动，拨片脱离高槽壁并顶靠在斜齿面上，拨片悬臂部分长且弯曲变形后从所接触的斜齿面上滑过，从一个齿隙进入到下一个齿隙中；因定筒和转筒间的摩擦力作用，左侧的转盘保持相对静止、不随摆盘的摆动而转动。

图1中摆杆向近处摆动时，下方摆盘顺齿向摆动、即图2中摆杆向下摆动，拨片脱离高槽壁并顶靠在斜齿面上，拨片悬臂部分长且弯曲变形后从所接触的斜齿面上滑过，进入到下一个齿隙中，左侧的转盘保持相对静止；同时，上方摆盘逆齿向摆动、即图3中摆杆向上摆动，拨片顶靠在高槽壁和平齿面上，拨片悬臂长度短且不发生弯曲变形，拨片经平齿面推动下方的转盘顺时针转动一步。

激励器驱动转盘步进式转动过程中，转盘再经转轴驱动转筒转动，转筒与定筒相对滑动过程中定膜层和动膜层间接触摩擦产生的电荷在I电极组和II电极组间往复迁移，从而将机械能转换成电能，电能经转换处理后存储或输出。

优势与特色：将流致振引起的往复摆动转换成连续的旋转运动，避免单次摆动幅度小无法正常工作及接触-分离式摩擦发电所引起的冲击与噪音，运动转换机构简单可靠，有效利用了微幅摆动；激励器固有频率易于通过弹簧刚度和惯性块质量设计获得，出厂后易通过改变弹簧或钝体安装位置调整固有频率，调频方法简单、适用范围广。

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是图1的A-A视图和图1的B-B视图；

图4是本发明一个较佳实施例中机架的结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明一个较佳实施例中定筒的结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是本发明一个较佳实施例中转筒的结构示意图；

图9是图8的俯视图；

图10是本发明一个较佳实施例中转轴的结构示意图；

图11是图10的俯视图；

图12是本发明一个较佳实施例中摆盘的结构示意图；

图13是图12的俯视图；

图14是本发明一个较佳实施例中转盘的结构示意图。

具体实施方式

一种流致振-旋转式摩擦发动机，主要包括机架a、壳盖b、转轴c、摆杆d、分流板e、耦合器f、弹簧k、平键g、摆盘h、定筒j、转筒i、拨片m及转盘n，摆盘h、摆杆d、耦合器f及弹簧k构成激励器。

机架a由两个壳体a0、座板a1、弧板a2及两个臂板a7构成，壳体a0由壳壁a3和壳底a4构成；壳盖b经螺钉安装在壳壁a3端部，壳盖b和壳底a4上都设有轴孔a5和环槽a6；两个壳体a0对称配置在弧板a2的上下两端且壳底a4相对安装，下方的壳体a0端部与座板 a1相连；弧板a2的两个立边上接有臂板a7，臂板a7与壳体a0的轴线平行。

转轴c由粗轴c1与其两端的细轴c2构成，粗轴c1与细轴c2同轴，粗轴c1上沿圆周方向均布地设有辐板a3，较长的细轴c2上设有键槽c4。

定筒j的定筒体j1内壁上设有定附加层j2，定附加层j2仅为沿圆周方向均布的电极条j21；或定附加层j2由定膜层j22和沿圆周方向均布的电极条j21构成，电极条j21靠近定筒体j1，定膜层j22为整体或分体结构；圆周方向相邻的电极条j21分属于I电极组和II电极组，同一电极组中的电极条j21端部相连，两个电极组中的电极条j21及其连接部分均不接触。

转筒i的转筒体i1的内缘上均有地设有轴向的筒槽i11、外缘上设有动附加层i2，动附加层i2由沿圆周方向均布的弹性条i21和动膜层i22构成，动膜层i22为整体或分体结构；弹性条i21靠近转筒体i1并嵌入到转筒体i1内，弹性条i21的圆心角与电极条j21的圆心角相等，所有弹性条i21的圆心角之和小于180度，弹性条i21的数量为电极条j21数量的一半。

摆盘h外缘上设有耳板h1，摆盘h的两侧分别设有相互连通的摆盘孔h2和沉腔h3，沉腔h3的腔壁上均布有插槽h4，插槽h4一侧的高槽壁h5远高于另一侧的矮槽壁h6，矮槽壁h6所在的平面经过摆盘h的轴线；插槽h4内镶嵌有拨片m，拨片m自由端高出高槽壁h5。

转盘n为环形，转盘n的转盘孔n0的孔壁上设有键槽n2，转盘n的外缘上均布有拨齿n1，拨齿n1由平齿面n3和斜齿面n4构成，平齿面n3所在平面经过转盘n的轴线，平齿面 n3和斜齿面n4间的齿尖角n5为锐角。

定筒j经壳盖b压接在壳体a0内，转筒i套在定筒内，定附加层j2与动附加层i2轻压接触；转轴c安装在壳底a4和壳盖b上，转轴c两端的细轴c2分别经轴承安装在壳底a4和壳盖b上，轴承的内圈套在细轴c2上，轴承的外圈置于壳底a4和壳盖b上的轴孔a5内；转轴 c的粗轴c1置于壳体a0内，粗轴c1上的辐板a3插入转筒i的筒槽i11内，转筒i随转轴c 转动；转轴c一端的细轴c2经壳底a4上的轴孔a5伸出后套有摆盘h和转盘n，转盘n置于摆盘h的沉腔h3内，拨片m自由端插入转盘n的齿隙n6中，齿隙n6是指两相邻拨齿n1的平齿面n3和斜齿面n4之间的部分；摆盘h的摆盘孔h2套在细轴c2上，摆盘h可绕细轴c2 转动，转盘n经平键g安装在细轴c2上，转盘n的转盘孔n0套在细轴c2上并经平键g固定；两个转轴c上所装摆盘h的沉腔h3相对，两摆盘h的耳板h1经螺钉与摆杆d的一端相连，摆杆d上经螺钉安装有耦合器f，耦合器f为圆柱、棱柱、平板或壳体；摆杆d或耦合器f经两个弹簧k与机架a的臂板a7相连，弹簧k的一端固定在臂板a7上、另一端固定在摆杆d 或耦合器f上，耦合器f和弹簧k在摆杆d上的安装位置可调，弹簧k与摆杆d垂直；分流板e的两端经螺钉与臂板a7相连，分流板e为弧形板，摆杆d经分流板e上的通孔穿过，分流板e的凸面与耦合器f相对。

本发明中，定附加层j2和动附加层i2构成摩擦发电单元，I电极组和II电极组为摩擦发电单元的两个电极；电极条j21的材料为铝或铜；一个摩擦发电单元中，定膜层j22和动膜层 i22的材料为摩擦电序列中相距较远的两种材料，如尼龙和聚四氟乙烯、铝和聚四氟乙烯，等等。

本发明中，摆盘h、摆杆d、耦合器f及弹簧k构成激励器，激励器的功能是通过与流体作用将流体的动能转换成摆动动能或接收流致振动能，激励器固有频率由摆盘h、摆杆d、耦合器f及弹簧k结构、尺寸及空间位置参数等确定，激励器的固有频率与流致振振动频率相等时转轴c产生摆角最大；其它结构及参数确定后，激励器固有频率通过弹簧k的刚度及耦合器f和弹簧k的安装位置加以调节，激励器的固有频率约为

式中：ζ为阻尼比，k为弹簧k的刚度，y为弹簧k到转轴c中心的距离，m和x分别为耦合器f的质量和质心到转轴c中心的距离，m1和m2分别为摆盘h和摆杆d的质量，r和R 分别为摆盘h外缘和摆杆d自由端到转轴c的距离，η为修正系数。

本发明中，摆盘h和摆杆d均为轻质的非金属材料、即摆盘h和摆杆d的质量远小于耦合器f的质量时，激励器的固有频率简化为

式中：ζ为阻尼比，k为弹簧k的刚度，y为弹簧k到转轴c中心的距离，m和x分别为耦合器f的质量和质心到转轴c 中心的距离，η为修正系数。

本发明中，发电机可用于收集非定向的海浪能及定向的水流和风能；收集海浪能时，发电机需封装在额外的密闭壳体内且经额外的弹簧或柔性绳索固定在海中；波浪用下，激励器因受耦合器f的惯性力的作用而往复摆动；收集定向流体能时，发电机固定，流体从耦合器f 流向分流板e，流体与经与耦合器f的耦合作用使耦合腔绕转轴c往复摆动；分流板e的宽度为耦合器f宽度的1～2倍，分流板e与耦合器f相邻表面间的距离为耦合器f宽度的0.25～1 倍，圆柱形耦合器f的宽度即为其直径；耦合作往复摆动时，激励器再经拨片m驱动转盘n 单向转动，两个转盘n的回转方向相反，一个顺时针转动、另一个逆时针转动；激励器往复摆动一次，两转盘n各转动一步，如图1、图2、图3所示。

图1中摆杆d向远处摆动时，下方摆盘h逆齿向摆动、即图2中摆杆d向上摆动，拨片m顶靠在高槽壁h5和平齿面n3上，拨片m悬臂长度短且不发生弯曲变形，拨片m经平齿面 n3推动下方转盘n逆时针转动一步；同时，上方摆盘h顺齿向摆动、即图3中摆杆d向下摆动，拨片m脱离高槽壁h5并顶靠在斜齿面n4上，拨片m悬臂部分长且弯曲变形后从所接触的斜齿面n4上滑过，从一个齿隙n6进入到下一个齿隙n6中；因定筒j和转筒i间的摩擦力作用，左侧的转盘n保持相对静止、不随摆盘h的摆动而转动。

图1中摆杆d向近处摆动时，下方摆盘h顺齿向摆动、即图2中摆杆d向下摆动，拨片m脱离高槽壁h5并顶靠在斜齿面n4上，拨片m悬臂部分长且弯曲变形后从所接触的斜齿面n4上滑过，进入到下一个齿隙n6中，左侧的转盘n保持相对静止；同时，上方摆盘h逆齿向摆动、即图3中摆杆d向上摆动，拨片m顶靠在高槽壁h5和平齿面n3上，拨片m悬臂长度短且不发生弯曲变形，拨片m经平齿面n3推动下方的转盘n顺时针转动一步。

激励器驱动转盘n步进式转动过程中，转盘n再经转轴c驱动转筒i转动，转筒i与定筒 j相对滑动过程中定膜层j22和动膜层i22间接触摩擦产生的电荷在I电极组和II电极组间往复迁移，从而将机械能转换成电能，电能经转换处理后存储或输出。

Claims (3)

1.一种流致振-旋转式摩擦发动机，其特征在于：弧板上下两端分别设有壳体，弧板的两个立边上接有臂板；摆盘两侧分别设有摆盘孔和沉腔，沉腔的腔壁上的插槽内镶嵌有拨片，插槽两侧壁高度不相等；环形转盘的外缘上均布有由平齿面和斜齿面构成拨齿；壳盖装在壳体端部并将定筒压接在壳体内，转筒套在定筒内，定筒内壁上的定附加层与转筒外缘上的动附加层轻压接触；转轴装在壳体内，转轴上的辐板插入转筒的筒槽内；转轴一端经壳底伸出后套有摆盘和转盘，拨片自由端插入转盘的齿隙中；摆盘空套装转轴上，转盘与在转轴固定；两个壳体内的转轴上所装摆盘的沉腔相对，两个摆盘外缘上的耳板与装有耦合器的摆杆相连；摆杆或耦合器经弹簧与臂板相连，耦合器和弹簧在摆杆长度方向上的位置可调；弧形分流板两端与臂板相连，摆杆经分流板上的通孔穿过；耦合器受流体作用摆动并经摆杆、摆盘、转盘及转轴驱动转筒转动，定附加层与动附加层相对滑动并将机械能转换成电能。

2.根据权利要求1所述的一种流致振-旋转式摩擦发动机，其特征在于：定附加层仅为沿圆周方向均布的电极条；或定附加层由定膜层和沿圆周方向均布的电极条构成，电极条靠近定筒体；圆周方向相邻的电极条分属于I电极组和II电极组，同一电极组中的电极条端部相连。

3.根据权利要求1所述的一种流致振-旋转式摩擦发动机，其特征在于：动附加层由沿圆周方向均布的弹性条和动膜层构成，弹性条靠近转筒体并嵌入到转筒体内，弹性条的圆心角与电极条的圆心角相等，弹性条圆心角之和小于180度，弹性条数量为电极条数量的一半。

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