CN117232600A - 一种自供电流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自供电流量计，属新能源技术及流量计领域。主要由机壳、叶轮、线圈、发电磁铁、托架、驱动磁铁及电路板构成，机壳上设有由壳隔板隔开的换能腔和激励腔，壳隔板下表面设有半轴，激励腔侧壁上设有进出口；托架上方设有阶梯腔，下方均布有带线架腔的线架；叶轮的轮盘外缘上设有叶片，轮盘上均布有驱动磁铁，叶轮装在半轴上，驱动磁铁靠近壳隔板；上底盖分别装在换能腔和激励腔端部，顶盖将托架压接在换能腔内；线架上套有线圈，线架腔中安装有发电磁铁，发电磁铁为球体或圆锥体；流体驱动叶轮转动时，驱动磁铁给发电磁铁施加转动力矩，发电磁铁滚动，线圈切割磁力线发电并供给电控单元及传感器，发射单元将流量信息发射出去。

Description

一种自供电流量计

技术领域

本发明属于新能源及流量计技术领域，具体涉及一种自供电流量计，用于居民燃气与自来水流量表的驱动与远程数据传输。

背景技术

自来水及煤气是城镇居民日常生活不可或缺的消费品，其消耗量记录与统计目前还主要由人工来完成。人工抄表不仅效率低、浪费人力物力，更主要的是抄表员往往会因住户家中无人徒劳往返多次，严重地影响了数据统计的准确性及实时性，因此人们开始研制自来水和燃气远程自动抄表系统，并以在新建住宅获得应用。虽然现有抄表系统数据处理及传输技术已很成熟，但目前尚难以在老旧小区推广应用，原因之一是其供电问题未能很好地解决、老旧住宅不便为自动抄表系统预铺设电缆，因此人们正在尝试开发一种可以实现电能自给的流量计。目前，人们已经开发出了多种形式的压电式及电磁式自供电的煤气及自来水计量表，其弊端是发电能力较弱，尚无法满足低速时流量表的驱动个与数据传输需求。因此，急需开发出发电能力较强的一种自供电流量计。

发明内容

本发明的一种自供电流量计由机壳、叶轮、顶盖、底盖、线圈、发电磁铁、托架、驱动磁铁、电路板、轴承、传感器、挡圈及挡片构成，电路板上的电控单元含有能量收集、能量管理、能量存储及信息发射单元；传感器为专用的流量传感器，传感器也可为仅有驱动磁铁耦合作用的传感线圈，即将传感线圈切割驱动磁铁的磁力线产生的电压信号作为流量的计量依据。

机壳上设有由壳隔板隔开的换能腔和激励腔，壳隔板为换能腔的底壁和激励腔的顶壁，壳隔板的上面安装有传感器、下面设有半轴，传感器位于换能腔中、半轴位于激励腔内，传感器为电磁传感器或铁磁体基板的压电传感器，用于测量叶轮转速；激励腔的侧壁上设有进口和出口，进口和出口同轴。

托架的架板上方设有阶梯腔，下方均布有带线架腔的线架，线架腔的端口朝下的，架板为线架腔的顶壁。

叶轮的轮盘的外缘上设有叶片，轮盘上均布有驱动磁铁，驱动磁铁沿圆周方向均布地镶嵌在轮盘的侧面，驱动磁铁为圆柱形、方形、长方形及弧形，即驱动磁铁的横截面形状为圆形、方形、长方形及弧形；驱动磁铁的磁极沿轮盘的轴向或圆周方向分布，磁极沿轮盘轴向分布的驱动磁铁称为轴向驱动磁铁，磁极沿轮盘圆周方向分布的驱动磁铁称为周向驱动磁铁；圆周方向相邻的两个轴向驱动磁铁的磁极配置方向相反，圆周方向相邻的两个周向驱动磁铁的磁极配置方向相同。

顶盖经螺钉安装在换能腔的侧壁端部，顶盖将托架压接在换能腔中；电路板经螺钉安装在托架上方的阶梯腔中，托架的架板经螺钉安装在顶盖上，线架的端部顶靠在壳隔板上。

线架上套有线圈，线架腔中安装有发电磁铁，发电磁铁位于线圈的内部，线架将发电磁铁和线圈隔开；发电磁铁为球体或圆锥体，发电磁铁沿径向充磁，发电磁铁的磁极沿径向分布，发电磁铁为圆锥体时其轴线与线圈轴线垂直；线圈与其内部的发电磁铁构成换能器，两个圆周方向上相邻换能器中的发电磁铁之间无相互作用力；发电磁铁和驱动磁铁的数量相等或不相等，发电磁铁和驱动磁铁到半轴的距离相等，即发电磁铁与驱动磁铁的几何中心到半轴中心的距离相等。

底盖经螺钉安装在激励腔的侧壁端部，底盖与激励腔的侧壁之间设有密封垫。

叶轮经轴承安装在半轴上并可绕半轴自由转动，轮盘的轴孔套在半轴上并经挡圈和挡片定位，挡圈经螺钉安装在轮盘上并将轴承的外圈压接在轮盘的限位环上，挡片经螺钉安装在半轴的端部并将轴承的内圈压接在半轴的轴肩上，驱动磁铁靠近壳隔板。

本发明中，机壳、叶轮及托架均由非铁磁性材料制成，所述非铁磁性材料包括不锈钢、铝合金等金属或高分子塑料等。

换能腔中有流体流过时，流体驱动叶轮及驱动磁铁转动，驱动磁铁与发电磁铁间产生大小交替变化的相互作用力，驱动磁铁与发电磁铁间的作用力为吸引力，驱动磁铁在逐渐靠近并离开发电磁铁的过程中给发电磁铁施加转动力矩，发电磁铁受转动力矩作用后在线架腔内滚动，发电磁铁的磁极及穿过线圈的磁场强度交替地变化，线圈切割磁力线并将机械能转换成电能，所生成的电能经导线输送到电路板，电能经转换处理后存储或输出；传感器通过感知叶轮上驱动磁铁的磁场强度变化确定叶轮转速并进一步转换成流体流量，电路板上的发射单元将经传感器获得的流量信息发射出去。

本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈与发电磁铁的参数关系为：λ=L/D=2±1，δ=T/D=0.6±0.4，η=V/D=2.25±0.75,β=U/D=1.3±0.7, 其中，D为球形发电磁铁的直径和圆锥形发电磁铁的平均直径，L为圆锥形发电磁铁的长度，T、V和U分别为线圈的壁厚、径向宽度和高度，线圈的径向宽度是指线圈沿发电磁铁径向的宽度。

现有电磁发电利用线圈切割位于所述线圈外的运动磁体的磁力线发电，与之不同，本发明的发电机利用驱动磁铁迫使线圈内部的发电磁铁滚动，从而改变发电磁铁的磁场方向与强度，线圈切割磁力线发电，驱动磁铁所产生的磁场强度变化梯度相对较小，驱动磁铁的功能是驱动发电磁铁转动并给传感器提供用于计量流量的电磁信号；发电磁铁在线圈内部滚动过程中，磁极变化引起的线圈内磁场变化梯度大且每激励一次时发电磁铁产生滚动多周、线圈多次切割磁力线，故发电能力强，输出电压高、电量大。

优势与特色：发电单元无需增速机构，结构及驱动过程简单，通过线圈内发电磁铁磁极方向变换提高磁场强度变化梯度，一次激励可实现多次切割磁力线发电，发电量电量大、输出电压高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中圆锥形发电磁铁时自供电流量计的结构示意图；

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托架的结构示意图；

图5是图4的仰视图；

图6是本发明一个较佳实施例中装有轴向驱动磁铁的叶轮结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是本发明一个较佳实施例中装有周向驱动磁铁的叶轮结构示意图；

图9是图8的俯视图；

图10是本发明一个较佳实施例中球形发电磁铁时自供电流量计的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种自供电流量计由机壳a、叶轮c、顶盖h、底盖b、线圈x、发电磁铁y、托架z、驱动磁铁g、电路板p、轴承f、传感器u、挡圈d及挡片e构成，电路板p上的电控单元含有能量收集、能量管理、能量存储及信息发射单元；传感器u为专用的流量传感器，传感器u也可为仅有驱动磁铁g耦合作用的传感线圈，即将传感线圈切割驱动磁铁g的磁力线产生的电压信号作为流量的计量依据。

机壳a上设有由壳隔板a1隔开的换能腔a2和激励腔a3，壳隔板a1为换能腔a2的底壁和激励腔a3的顶壁，壳隔板a1的上方安装有传感器u、下方设有半轴a4，传感器u位于换能腔a2中、半轴a4位于激励腔a3中，传感器u为用于测量叶轮转速的电磁传感器或铁磁体基板的压电传感器，如镍基板压电振子；激励腔a3的侧壁上设有进口a5和出口a6，进口a5和出口a6同轴。

托架z的架板z1上方设有阶梯腔z2，下方均布有带线架腔z4的线架z3，线架腔z4的端口朝下的，架板z1为线架腔z4的顶壁。

叶轮c的轮盘c1的外缘上设有叶片c2，轮盘c1上均布有驱动磁铁g，驱动磁铁g沿圆周方向均布地镶嵌在轮盘c1的侧面，驱动磁铁g的横截面形状为圆形、方形、长方形及弧形；驱动磁铁g的磁极沿轮盘c1的轴向或圆周方向分布，磁极沿轮盘c1的轴向分布的驱动磁铁g称为轴向驱动磁铁g，磁极沿轮盘c1的圆周方向分布的驱动磁铁g称为周向驱动磁铁g；圆周方向相邻的两个轴向驱动磁铁g的磁极配置方向相反，圆周方向相邻的两个周向驱动磁铁g的磁极配置方向相同。

顶盖h经螺钉安装在换能腔a2的侧壁端部，顶盖h将托架z压接在换能腔a2中；电路板经螺钉安装在托架z上方的阶梯腔z2中，托架z的架板z1经螺钉安装在顶盖h上，线架z3的端部顶靠在壳隔板a1上。

线架z3上套有线圈x，线架腔z4中安装有发电磁铁y，发电磁铁y位于线圈x的内部，线架z3将发电磁铁y和线圈x隔开；发电磁铁y为球体或圆锥体，发电磁铁y沿径向充磁，发电磁铁y的磁极沿径向分布，发电磁铁y为圆锥体时其轴线t与线圈x的轴线s垂直；线圈x与其内部的发电磁铁y构成换能器，两个圆周方向上相邻换能器中的发电磁铁y之间无相互作用力；发电磁铁y和驱动磁铁g的数量相等或不等，发电磁铁y和驱动磁铁g到半轴a4的距离相等，即发电磁铁y与驱动磁铁g的几何中心到半轴a4中心的距离相等。

底盖b经螺钉安装在激励腔a3的侧壁端部，底盖b与激励腔a3的侧壁之间设有密封垫。

叶轮c经轴承f安装在半轴a4上并可绕半轴a4自由转动，轮盘c1的轴孔套在半轴a4上并经挡圈d和挡片e定位，挡圈d经螺钉安装在轮盘c1上并将轴承f的外圈压接在轮盘c1的限位环c3上，挡片e经螺钉安装在半轴a4的端部并将轴承f的内圈压接在半轴a4的轴肩上，驱动磁铁g靠近壳隔板a1。

本发明中，机壳a、叶轮c及托架z均由非铁磁性材料制成，所述非铁磁性材料包括不锈钢、铝合金等金属或高分子塑料等。

换能腔a2中有流体流过时，流体驱动叶轮c及驱动磁铁g转动，驱动磁铁g与发电磁铁y间产生大小交替变化的相互作用力，驱动磁铁g与发电磁铁y间的作用力为吸引力，驱动磁铁g在逐渐靠近并离开发电磁铁y的过程中给发电磁铁y施加转动力矩，发电磁铁y受转动力矩作用后在线架腔z4内滚动，发电磁铁y的磁极及穿过线圈x的磁场强度交替地变化，线圈x切割磁力线并将机械能转换成电能，所生成的电能经导线输送到电路板p，电能经转换处理后存储或输出；传感器u通过感知叶轮z上驱动磁铁g的磁场强度变化确定叶轮z的转速并进一步转换成流体流量，电路板p上的发射单元将经传感器u获得的流量信息发射出去。

本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈x与发电磁铁y的参数关系为：λ=L/D=2±1，δ=T/D=0.6±0.4，η=V/D=2.25±0.75,β=U/D=1.3±0.7, 其中，D为球形发电磁铁y的直径和圆锥形发电磁铁y的平均直径，L为圆锥形发电磁铁y的长度，T、V和U分别为线圈x的壁厚、径向宽度和高度，线圈x的径向宽度是指线圈x沿发电磁铁y径向的宽度。

现有电磁发电利用线圈切割位于所述线圈外的运动磁体的磁力线发电，与之不同，本发明自供电流量计利用驱动磁铁g迫使线圈x内部的发电磁铁y滚动，从而改变发电磁铁y的磁场方向与强度，线圈x切割磁力线发电，驱动磁铁g所产生的磁场强度变化梯度相对较小，驱动磁铁g的功能是驱动发电磁铁y转动并给传感器u提供用于计量流量的电磁信号；发电磁铁y在线圈x内部滚动过程中，磁极变化引起的线圈x内磁场变化梯度大且每激励一次时发电磁铁y产生滚动多周、线圈x多次切割磁力线，故发电能力强，输出电压高、电量大。

Claims (2)

1.一种自供电流量计，主要由机壳、叶轮、线圈、发电磁铁、托架、驱动磁铁、电路板及传感器构成，机壳、叶轮及托架均由非铁磁性材料制成；机壳上设有由壳隔板隔开的换能腔和激励腔，壳隔板的上方装有传感器、下方设有半轴，激励腔的侧壁上设有进口和出口；托架的架板上方设有阶梯腔，下方均布有带线架腔的线架，线架腔的端口朝下的；叶轮的轮盘外缘上设有叶片，轮盘上均布有驱动磁铁，叶轮装在半轴上并可绕半轴自由转动，驱动磁铁靠近壳隔板；顶盖和底盖分别安装在换能腔和激励腔的端部，顶盖将托架压接在换能腔内；其特征在于：线架上套有线圈，线架腔中安装有发电磁铁，发电磁铁位于线圈内，线架将发电磁铁和线圈隔开；发电磁铁为球体或圆锥体，发电磁铁磁极沿径向分布且发电磁铁为圆锥体时其轴线与线圈轴线垂直；流体驱动叶轮转动时，驱动磁铁给发电磁铁施加转动力矩，发电磁铁滚动且其磁极及穿过线圈的磁场强度交替地变化，线圈切割磁力线发电并供给发射单元，发射单元将经传感器获得的流量信息发射出去。

2.根据权利要求1所述的一种自供电流量计，其特征在于：驱动磁铁的磁极沿轮盘轴向或圆周方向分布，圆周方向相邻的两个轴向驱动磁铁的磁极方向相反、周向驱动磁铁的磁极方向相同。