CN114123843B - 一种涡振式河流监测系统供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡振式河流监测系统供电装置，属新能源领域；机体上下两端都设有由底壁和侧壁围成的体腔，侧壁上均布有辐板，两体腔底壁间设有耳板；主轮轴由主轴和带内磁铁的主轮构成，副轮轴由副轴和副轮构成，副轴中间为棱轴；主副轮轴装在体腔内，主副轮轴之间经主副轮传递动力；辐板上设有定摩擦层，辐板根部装有弹性振子；弹性振子的压电层和金属层构成压电发电单元，弹性振子和定摩擦层构成摩擦发电单元；摆体的摆轴两端装在两体腔的底壁上，摆轴端部装有带外磁铁的驱动轮；摆体的摆臂上装有惯性块和绕流体，摆臂经弹簧与耳板相连；绕流体受流体作用发生往复摆动并经驱动轮、主轮轴及副轮轴迫使弹性振子往复弯曲变形并发电。

Description

一种涡振式河流监测系统供电装置

技术领域

本发明属于新能源与河流监测技术领域，具体涉及一种涡振式河流监测系统供电装置。

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

一种涡振式河流监测系统供电装置，主要包括机体、机盖、主轮轴、副轮轴、内磁铁、外磁铁、驱动轮、轮壳、弹性振子、定摩擦层、弹簧、惯性块、绕流体、摆体、电路板及压条构成，电路板上设有能量转换处理及储能单元。

机体的立柱上下两端都设有由底壁和侧壁围成的体腔，上下两端的体腔分别称为上体腔和下体腔，上体腔和下体腔的结构尺寸相同且对称地配置在立柱的上下两侧，上体腔和下体腔的端口分别朝上和朝下，机盖经螺钉安装在体腔端部，电路板安装在体腔内；侧壁为圆筒或由一组立壁围成的正多边筒，侧壁的内侧均布地设有辐板，辐板宽度方向的中界面经过侧壁中心线；底壁和机盖的内侧都设有一个主轴孔和一组副轴孔，副轴孔均布在以主轴孔的中心为圆心的圆周上，主轴孔的中心与侧壁中心线重合，主轴孔和副轴孔均为沉孔；体腔的底壁外侧设有定位槽，两个体腔的底壁之间设有两个相互平行的耳板，耳板与底壁垂直且对称配置在立柱的两侧。

摆体由相互垂直的摆臂和摆轴构成，摆臂的一端固定在摆轴的中部，摆轴的两端设有与摆轴轴线平行平面，或摆轴两端的横截面为棱柱。

主轮轴由同轴的主轴和主轮构成，主轴为圆轴；主轮为齿轮或摩擦轮；主轮靠近主轴的一端，主轮均布地镶嵌有内磁铁。

副轮轴由同轴的副轴和副轮构成，副轴的两端为圆轴、中间为棱轴，即副轴的中间段为由多个棱面构成的正多棱柱；副轮为齿轮或摩擦轮；副轮靠近副轴的一端。

主轮轴和副轮轴安装在机体的体腔内，副轮轴均布在以主轮轴的轴心为圆心的圆周上，主轴和副轴的轴端分别置于主轴孔和副轴孔内，主轴两端分别置于底壁和机盖的主轴孔内，副轴的两端分别置于底壁和机盖的副轴孔内；主轮轴和各副轮轴之间经主轮和副轮传递动力，主轮和副轮同为齿轮或同为摩擦轮，各副轮之间不接触。

机体的辐板上设有定摩擦层，定摩擦层为独立的金属层，或定摩擦层由金属层与聚合物层构成的复合层，定摩擦层为复合层时金属层靠近辐板；辐板的根部经螺钉和压条安装有弹性振子，弹性振子比辐板长；弹性振子由压电层与金属层构成，或弹性振子由压电层、金属层和聚合物层构成；定摩擦层为独立的金属层时，弹性振子由压电层、金属层和聚合物层构成，弹性振子的聚合物层与定摩擦层相对；定摩擦层由金属层与聚合物层构成时，弹性振子由压电层和金属层构成，弹性振子的金属层与定摩擦层相对；金属层的材料为铝或铜，聚合物层的材料为聚四氟乙烯。

非工作的自然状态下，弹性振子处于自然的平直状态且其表面同时与辐板上的定摩擦层及副轮轴的棱面贴合，弹性振子与定摩擦层及棱面接触但无相互作用力；弹性振子的压电层和金属层构成压电发电单元，弹性振子和定摩擦层构成摩擦发电单元，弹性振子的金属层和定摩擦层的金属层为摩擦发电单元的两个电极；各压电发电单元和摩擦发电单元分别经独立的导线组及整流桥与电路板相连。

摆体的摆轴两端经轮壳安装在两个底壁上，轮壳置于底壁上的定位槽内并经螺钉固定；摆轴端部安装有驱动轮，驱动轮置于轮壳内，驱动轮上均布地装有外磁铁；驱动轮上的外磁铁与主轮上的内磁铁的结构尺寸、数量及所在圆周半径分别相等，外磁铁与内磁铁的异性磁极相对安装。

摆体的摆臂上经螺钉安装有惯性块和绕流体，绕流体位于摆臂的端部，绕流体的横截面为圆形、多边形或Y型；摆臂经弹簧与机体上的两个耳板相连；弹簧与摆臂垂直，惯性块和弹簧在摆臂上的安装位置可调；摆体、驱动轮、外磁铁、惯性块、绕流体及弹簧构成耦合器，耦合器的功能是将流体的流动转换成摆体的摆动运动并驱动主轮轴及副轮轴，耦合器固有频率与流体涡激振动频率相同或接近时摆体的摆动幅度最大、压电发电和摩擦发电单元的发电能力越强；其它系统参数确定后，耦合器的固有频率由惯性块和弹簧在摆臂上的安装位置调节：

，式中：ζ为阻尼比，K为弹簧的刚度，N为外磁铁的数量，y为弹簧到摆轴中心的距离，x2和x3分别驱动轮和摆轴的半径，x4为摆臂长度，x1、x5和x6分别为外磁铁、惯性块和绕流体的质心到摆轴中心的距离，m1、m2、m3、m4、m5、m6分别为外磁铁、驱动轮、摆轴、摆臂、惯性块及绕流体的质量。

本发明中，摆体和驱动轮均为轻质材料且摆轴和驱动轮尺寸较小，对固有频率的影响可忽略不计，耦合器的固有频率约为

，式中：ζ为阻尼比，K为弹簧的刚度， N为外磁铁的数量，y为弹簧到摆轴中心的距离， x4为摆臂的长度，x1、x5和x6分别为外磁铁、惯性块和绕流体的质心到摆轴中心的距离，m1、m4、m5、m6分别为外磁铁、摆臂、惯性块及绕流体的质量。

非工作时，摆体处于水平面内且与弹簧垂直，弹性振子处于无弯曲变形的自然状态，弹性振子与定摩擦层和棱面接触但无相互作用力；工作中，绕流体受流体作用发生往复摆动并经驱动轮和主轮轴驱动副轮轴摆动，副轮轴的棱面迫使弹性振子往复弯曲变形，进而将流体动能转换成电能，具体过程如下：

流体流经绕流体时，绕流体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落使绕流体前后两侧的水流压力交替变化，从而产生使绕流体往复摆动的激振力，绕流体在流体激振力和弹簧恢复力的作用下往复摆动；绕流体受流体作用并带动摆体、驱动轮及外磁铁摆动，外磁铁经与内磁铁间的耦合作用带动主轮轴摆动，主轮轴再经主轮与副轮间的相互作用驱动副轮轴往复摆动，副轮轴的棱面迫使弹性振子往复弯曲以及弹性振子与定摩擦层间的接触与分离；弹性振子往复弯曲以及弹性振子与定摩擦层间的接触与分离过程中，压电发电单元及摩擦发电单元分别将流体动能转换成电能，电能经转换处理后存储或输出。

本发明中，副轴的摆角为棱面圆心角一半的整数倍时弹性振子的变形量最大且小于其许用变形量，副轴的摆角为棱面圆心角的整数倍时弹性振子的变形量为零，绕流体一次往复摆动过程中弹性振子发射多次的单向且量值可控的弯曲变形；具体地：摆臂摆动使Q2= NQ/2时y=y0<y*，摆臂摆动使Q2= NQ时y=0，摆臂往复摆动一次时弹性振子往复弯曲变形的次数为S=2Q1r1/（r2Q），式中N=1、2、3、…，Q、Q1和Q2分别为棱面所对应的圆心角、摆臂的摆角和副轴的摆角，副轴的摆角和摆臂的摆角是指其离开平衡位置的单向摆角，y、y0和y*分别为弹性振子的变形量、最大变形量和许用变形量，r1>r2，r1、r2分别为主轮和副轮的半径，主轮和副轮的半径是指主轮和副轮接触点到其回转中心的距离。

优势与特色：激励系统固有频率易于通过弹簧刚度和惯性块质量设计获得，出厂后亦可通过改变弹簧及惯性块的安装位置调节，调频方法简单、适用范围广；多组发电单元同步发电，激励过程简单可靠，单位体积能量密度大；一次大幅度涡激振动可实现多次发电激励，发电单元最大激励幅值恒定、不随涡振幅值增加而增加，输出电源稳定、可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中供电装置的结构示意图；

图2图1的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中机体的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是图3的B-B视图；

图6是本发明一个较佳实施例中摆体的结构示意图；

图7是本发明一个较佳实施例中主轮轴的结构示意图；

图8是本发明一个较佳实施例中副轮轴的结构示意图。

具体实施方式

一种涡振式河流监测系统供电装置，主要包括机体a、机盖b、主轮轴c、副轮轴d、内磁铁e、外磁铁f、驱动轮g、轮壳h、弹性振子i、定摩擦层j、弹簧k、惯性块m、绕流体x、摆体q、电路板p及压条y构成，电路板p上设有能量转换处理及储能单元。

机体a的立柱a3上下两端都设有由底壁a2和侧壁a0围成的体腔A，分别称为上体腔和下体腔，上体腔和下体腔的结构尺寸相同且对称地配置在立柱a3的上下两侧，上体腔和下体腔的端口分别朝上和朝下，机盖b经螺钉安装在体腔A端部，电路板p安装在体腔A内；侧壁a0为圆筒或由一组立壁a1围成的正多边筒，侧壁a0的内侧均布地设有辐板a8，辐板a8宽度方向的中界面经过侧壁a0中心线；底壁a2和机盖b的内侧都设有一个主轴孔a5和一组副轴孔a6，副轴孔a6均布在以主轴孔a5的中心为圆心的圆周上，主轴孔a5的中心与侧壁a0中心线重合，主轴孔a5和副轴孔a6均为沉孔；体腔A的底壁a2的外侧设有定位槽a7，两个体腔A的底壁a2之间设有两个相互平行的耳板a4，耳板a4与底壁a2垂直且对称配置在立柱a3的两侧。

摆体q由相互垂直的摆臂q1和摆轴q2构成，摆臂q1的一端固定在摆轴q2的中部，摆轴q2的两端设有与摆轴q2轴线平行平面q3，或摆轴q2两端的横截面为棱柱。

主轮轴c由同轴的主轴c1和主轮c2构成，主轴c1为圆轴；主轮c2为齿轮或摩擦轮；主轮c2靠近主轴c1的一端，主轮c2均布地镶嵌有内磁铁e。

副轮轴d由同轴的副轴d1和副轮d2构成，副轴d1的两端为圆轴、中间为棱轴，即副轴d1的中间段为由多个棱面d3构成的正多棱柱；副轮d2为齿轮或摩擦轮；副轮d2靠近副轴的一端。

主轮轴c和副轮轴d安装在机体a的体腔A内，副轮轴d均布在以主轮轴c的轴心为圆心的圆周上，主轴c1和副轴d1的轴端分别置于主轴孔a5和副轴孔a6内，主轴c1两端分别置于底壁a2和机盖b的主轴孔a5内，副轴d1的两端分别置于底壁a2和机盖b的副轴孔a6内；主轮轴c和各副轮轴d之间经主轮c2和副轮d2传递动力，主轮c2和副轮d2同为齿轮或同为摩擦轮，各副轮d2之间不接触。

机体a的辐板a8上设有定摩擦层j，定摩擦层j为独立的金属层，或定摩擦层j由金属层与聚合物层构成的复合层，定摩擦层j为复合层时金属层靠近辐板a8；辐板a8的根部经螺钉和压条y安装有弹性振子i，弹性振子i比辐板a8长；弹性振子i由压电层与金属层构成，或弹性振子i由压电层、金属层和聚合物层构成；定摩擦层j为独立的金属层时，弹性振子i由压电层、金属层和聚合物层构成，弹性振子i的聚合物层与定摩擦层j相对；定摩擦层j由金属层与聚合物层构成时，弹性振子i由压电层和金属层构成，弹性振子i的金属层与定摩擦层j相对；金属层的材料为铝或铜，聚合物层的材料为聚四氟乙烯。

非工作的自然状态下，弹性振子i处于自然的平直状态且其表面同时与辐板a8上的定摩擦层j及副轮轴d的棱面d3贴合，弹性振子i与定摩擦层j及棱面d3接触但无相互作用力；弹性振子i的压电层和金属层构成压电发电单元，弹性振子i和定摩擦层j构成摩擦发电单元，弹性振子i的金属层和定摩擦层j的金属层为摩擦发电单元的两个电极；各压电发电单元和摩擦发电单元分别经独立的导线组及整流桥与电路板p相连。

摆体q的摆轴q2两端经轮壳h安装在两个底壁a2上，轮壳h置于底壁a2上的定位槽a7内并经螺钉固定；摆轴q2端部安装有驱动轮g，驱动轮g置于轮壳h内，驱动轮g上均布地装有外磁铁f；驱动轮g上的外磁铁f与主轮c2上的内磁铁e的结构尺寸、数量及所在圆周半径分别相等，外磁铁f与内磁铁e的异性磁极相对安装。

摆体q的摆臂q1上经螺钉安装有惯性块m和绕流体x，绕流体x位于摆臂q1的端部，绕流体x的横截面为圆形、多边形或Y型；摆臂q1经弹簧k与机体a上的两个耳板a4相连；弹簧k与摆臂q1垂直，惯性块m和弹簧k在摆臂q1上的安装位置可调；摆体q、驱动轮g、外磁铁f、惯性块m、绕流体x及弹簧k构成耦合器，耦合器的功能是将流体的流动转换成摆体q的摆动运动并驱动主轮轴c及副轮轴d，耦合器固有频率与流体涡激振动频率相同或接近时摆体q的摆动幅度最大、压电发电和摩擦发电单元的发电能力越强；其它系统参数确定后，耦合器的固有频率由惯性块m和弹簧k在摆臂上的安装位置调节：

，式中：ζ为阻尼比，K为弹簧k的刚度， N为外磁铁f的数量，y为弹簧k到摆轴q2中心的距离，x2和x3分别驱动轮g和摆轴q2的半径，x4为摆臂q1的长度，x1、x5和x6分别为外磁铁f、惯性块m和绕流体x的质心到摆轴q2中心的距离，m1、m2、m3、m4、m5、m6分别为外磁铁f、驱动轮g、摆轴q2、摆臂q1、惯性块m及绕流体x的质量。

本发明中，摆体q和驱动轮g均为轻质材料且摆轴q2和驱动轮g尺寸较小，对固有频率的影响可忽略不计，耦合器的固有频率约为

，式中：ζ为阻尼比，K为弹簧k的刚度， N为外磁铁f的数量，y为弹簧k到摆轴q2中心的距离， x4为摆臂q1的长度，x1、x5和x6分别为外磁铁f、惯性块m和绕流体x的质心到摆轴q2中心的距离，m1、m4、m5、m6分别为外磁铁f、摆臂q1、惯性块m及绕流体x的质量。

非工作时，摆体q处于水平面内且与弹簧k垂直，弹性振子i处于无弯曲变形的自然状态，弹性振子i与定摩擦层j和棱面d3接触但无相互作用力；工作中，绕流体x受流体作用发生往复摆动并经驱动轮g和主轮轴c驱动副轮轴d摆动，副轮轴d的棱面d3迫使弹性振子i往复弯曲变形，进而将流体动能转换成电能，具体过程如下：

流体流经绕流体x时，绕流体x后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落使绕流体x前后两侧的水流压力交替变化，从而产生使绕流体x往复摆动的激振力，绕流体x在流体激振力和弹簧k恢复力的作用下往复摆动；绕流体x受流体作用并带动摆体q、驱动轮g及外磁铁f摆动，外磁铁f经与内磁铁e间的耦合作用带动主轮轴c摆动，主轮轴c再经主轮c2与副轮d2间的相互作用驱动副轮轴d往复摆动，副轮轴d的棱面d3迫使弹性振子i往复弯曲以及弹性振子i与定摩擦层j间的接触与分离；弹性振子i往复弯曲以及弹性振子i与定摩擦层j间的接触与分离过程中，压电发电单元及摩擦发电单元分别将流体动能转换成电能，电能经转换处理后存储或输出。

本发明中，副轴d1的摆角为棱面d3圆心角一半的整数倍时弹性振子i的变形量最大且小于其许用变形量，副轴d1的摆角为棱面d3圆心角的整数倍时弹性振子i的变形量为零，绕流体x一次往复摆动过程中弹性振子i发射多次的单向且量值可控的弯曲变形；具体地：摆臂q1摆动使Q2=NQ/2时y=y0<y*，摆臂q1摆动使Q2= NQ时y=0，摆臂q1往复摆动一次时弹性振子i往复弯曲变形的次数为S=2Q1r1/(r2Q)，式中N=1、2、3、…，Q、Q1和Q2分别为棱面d3所对应的圆心角、摆臂q1的摆角和副轴d1的摆角，副轴d1的摆角和摆臂q1的摆角是指其离开平衡位置的单向摆角，y、y0和y*分别为弹性振子i的变形量、最大变形量和许用变形量，r1>r2，r1、r2分别为主轮c2和副轮d2的半径，主轮c2和副轮d2的半径是指主轮c2和副轮d2接触点到其回转中心的距离。

Claims (4)

1.一种涡振式河流监测系统供电装置，其特征在于：机体的立柱上下两端都设有由底壁和侧壁围成的体腔，机盖装在体腔端部；侧壁上均布有辐板，两体腔底壁间设有两个耳板；主轮轴由主轴和带内磁铁的主轮构成，主轮上均布地镶嵌有内磁铁；副轮轴由副轴和副轮构成，副轴中间为棱轴；主轮轴和副轮轴装在体腔内，主轮轴和各副轮轴之间经主轮和副轮传递动力，主轮和副轮同为齿轮或同为摩擦轮；辐板上设有定摩擦层，辐板根部装有弹性振子；弹性振子的压电层和金属层构成压电发电单元，弹性振子和定摩擦层构成摩擦发电单元；摆体的摆轴两端装在两个体腔的底壁上，摆轴端部装有带外磁铁的驱动轮，驱动轮上均布地装有外磁铁；驱动轮上的外磁铁与主轮上的内磁铁的结构尺寸、数量及所在圆周半径分别相等，外磁铁与内磁铁的异性磁极相对安装；摆体的摆臂上装有惯性块和绕流体，摆臂经弹簧与耳板相连；非工作的自然状态下，弹性振子处于自然的平直状态且其表面同时与辐板上的定摩擦层及副轮轴的棱面贴合，弹性振子与定摩擦层及棱面接触但无相互作用力；绕流体受流体作用发生往复摆动并带动摆体、驱动轮及外磁铁摆动，外磁铁经与内磁铁间的耦合作用带动主轮轴摆动，主轮轴再经主轮与副轮间的相互作用驱动副轮轴摆动，副轮轴迫使弹性振子往复弯曲变形以及弹性振子与定摩擦层的接触与分离，进而将流体动能转换成电能。

2.根据权利要求1所述的一种涡振式河流监测系统供电装置，其特征在于：定摩擦层为独立的金属层时，弹性振子由压电层、金属层和聚合物层构成，弹性振子的聚合物层与定摩擦层相对；定摩擦层由金属层与聚合物层构成时，弹性振子由压电层和金属层构成，弹性振子的金属层与定摩擦层相对；金属层的材料为铝或铜，聚合物层的材料为聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的一种涡振式河流监测系统供电装置，其特征在于：摆体、驱动轮、外磁铁、惯性块、绕流体及弹簧构成耦合器，耦合器固有频率与流体涡激振动频率相同或接近，耦合器固有频率由惯性块和弹簧在摆臂上的安装位置调节。

4.根据权利要求1所述的一种涡振式河流监测系统供电装置，其特征在于：副轴的摆角为棱面圆心角一半的整数倍时弹性振子变形量最大且小于其许用变形量，副轴的摆角为棱面圆心角的整数倍时弹性振子的变形量为零，绕流体一次往复摆动过程中弹性振子发生多次的单向且量值可控的弯曲变形。

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