CN202076919U - 车辆用涡街发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种车辆用涡街发电机，它包括壳体、永磁铁、旋涡发生体和金属线圈，其中所述壳体的两端设置有入口端和出口端，永磁铁分别位于所述壳体内的两对应面，一面永磁铁N极与另一面永磁铁S极对应，在壳体内形成磁场；所述旋涡发生体位于壳体内靠近入口端处的纵向中间位置，当流体通过时，其能产生卡门涡街；所述金属线圈位于所述磁场中，能在所述卡门涡街作用下规律性切割磁力线，并使穿过所述金属线圈的磁通量发生变化，产生感应电流。从而将流体通过旋涡发生体产生的卡门涡街振动的动能转化成电能。本实用新型车辆用涡街发电机安置在运动的载体上进行发电。

Description

车辆用涡街发电机

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其是一种利用卡门涡街产生交流电流的装置，该装置将流体流动过程中产生的动能转化成电能。

背景技术

描述流体(如空气、水等)的运动时，经常用到一个无量纲数，雷诺数(Reynolds number)，它描述了流体的惯性力和粘性力之比。可压缩流体的雷诺数Re可以用下式来表示，

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}{V}_{\∞}L}{\mathrm{\μ}}---\left(1\right)$

其中，ρ，V_∞，μ分别代表流体的密度，速度和动力粘性系数；L代表物体的特征长度尺度。当流体绕过非流线形物体时，由于物体表面的粘性边界层中存在逆压梯度，表面边界层开始分离，经过一定时间的发展，物体后方的尾迹中，根据不同的雷诺数，形成不同流动模式。大量的理论和实验证明，雷诺数从50到500范围内，尾迹区域内会形成稳定的、成对的、交替排列的、旋转方向相反的、固定间距的，以层流为核心的旋涡。这样的流动模式被称为卡门涡街。因为德国的流体力学家冯·卡门(1881～1963)率先对这种现象进行了研究而得名。图1是卡门涡街形成示意图。卡门涡街中的旋涡的结构可以用环量守恒的原理来解释。即当一个涡从非流线型物体(或称旋涡发生体)的边界层脱落时，必然有与之环量相反的涡的存在。在现实中，当流体流过建筑物、电线、桥墩时都会产生卡门涡街。卡门涡街中的旋涡的结构是稳定的，而且旋涡产生频率和流体流速的关系是确定的。卡门涡街中还常用到无量纲参数Strouhal数来描述流场的特征，Strouhal数St定义为

$\mathrm{St}=\frac{\mathrm{fL}}{V_{\∞}}---\left(2\right)$

其中，f为旋涡的脱落频率，其他变量如前所述。Strouhal数一般为固定值0.21。因而流速可以通过测量旋涡脱落频率来获得。广泛使用的卡门涡街流量计就是根据这个原理制成的。

在旋涡发生体后方的卡门涡街中，旋涡会沿来流方向向后运动。同时由于单个旋涡的环量的存在，这个涡会受到一个与来流垂直方向上的作用力，即升力。因而在卡门涡街中，流体会在与来流方向垂直的方向上受到周期性交替变化的作用力。根据作用力和反作用力原理，流体也会对这个非流线型物体产生一个周期性交变的、与来流方向垂直的作用力，因而物体会在来流方向垂直的方向上产生振荡。某些工程实践中应该避免这类现象的发生，因为这种振荡会引起物体的疲劳和损坏。例如美国塔科玛峡谷桥(Tacoma Narrow Bridge)风毁事故即是由卡门涡街引起的。

如何利用卡门涡街产生的这种振荡的能量转化成可利用的能量，如电能，是本发明解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，并利用上述背景技术，设计了一种可将流体流动时产生的动能转化成电能的装置。

本发明卡门涡街发电装置通过下述技术方案予以实现：

一种卡门涡街发电装置，包括，

壳体，所述壳体的两端贯通，其中一端为流体的入口端，一端为流体的出口端；

永磁铁，位于所述壳体内的两对应面，并且所述一面永磁铁N极与另一面永磁铁S极对应，在壳体内形成磁场；

旋涡发生体，其大体位于壳体内，当流体通过时，能产生卡门涡街；

金属线圈，其位于所述磁场中，其在所述卡门涡街作用下规律性切割磁力线，并使穿过所述金属线圈的磁通量发生变化，产生感应电流。

在上述技术方案中，所述永磁铁沿壳体底部或顶端设置在壳体的左右对应面上，所述永磁铁的高度h满足公式：

其中H为壳体内腔的高度，L为旋涡发生体的特征长度；所述金属线圈设置在所述旋涡发生体上。

其中，本发明提供了由弹性高分子材料制成的弹性旋涡发生体的实施方式，所述弹性旋涡发生体的两端分别固定设置在左右两对应面永磁铁或壳体上，与其上设置的金属线圈处于磁场的上端。所述弹性旋涡发生体是柱状的、薄壁中空的、两端敞口的弹性物体，所述金属线圈镶嵌在所述弹性旋涡发生体的内壁上或均匀缠绕在所述弹性旋涡发生体的外表面上。

在上述技术方案中，所述壳体的纵截面优选为圆形或矩形或方形或其他多边形。

本发明还提供了一种发电系统，该系统包括至少两个上述卡门涡街发电装置，该系统将本发明上述发电装置视为一个发电机组的单元，用电需求大时将多个本发明卡门涡街发电装置单元组合使用。

本发明的卡门涡街发电装置的有益效果是：

本发明卡门涡街发电装置通过在壳体内设置一个涡街发生体，流体流过时产生的卡门涡街引起旋涡发生体的振荡，从而带动或引起处在磁场中的闭合金属线圈一起运动，由于卡门涡街的规律性振荡，使穿过闭合线圈的磁通量发生周期性变化，从而在金属线圈中产生交流电，将卡门涡街振动的动能转化成电能，为利用流体转化成电能提出了一种新途径。

其次，本装置只有几个部件组成，结构简单，占用空间小，重量轻，对应用环境要求低；

再次，由于外部设置有壳体，避免了鸟类的影响，也不影响景观，克服了叶片式风力发电装置的这些缺陷，可在城市使用。

最后，可以通过壳体的设计，将多个本发明发电装置组合使用，如本文给出的壳体截面为正六边形时，可排列成蜂窝状，从而能在有效地空间内，组合多个本发明发电装置获得较多的电能。

附图说明

图1是卡门涡街形成的示意图；

图2是本发明实施方式的卡门涡街发电装置的纵向剖视示意图；

图3是图2的A-A’向剖视示意图；

图4是图2的立体图；

图5是本发明实施方式的卡门涡街发电装置的原理图；

图中，1.壳体，2.入口端，3.永磁铁N极，4.旋涡发生体，5.金属线圈，6.永磁铁S极，7.出口端，8.柔性上支撑，9.柔性下支撑，11小孔。

具体实施方式

本发明的设计思路：在磁场中安置一个金属线圈，当闭合金属线圈在磁场中做切割磁力线的运动，且让金属线圈在磁力线方向的投影面积产生变化，即使穿过线圈的磁通量产生变化。根据电磁感应定律，闭合的金属线圈中将产生电流。根据这个思路，如果把背景技术中的卡门涡街这种作用于旋涡发生体上的周期性的、交替方向的力传递给一个放置在固定的磁场中的金属线圈，将可以使金属线圈产生振荡，只要保证这种周期性的振荡改变了穿过金属线圈的磁通量，则在金属线圈中将会产生了交流电。

根据上述设计思路，如图2到5所示，本发明给了一种卡门涡街发电装置，包括壳体1、两块永磁铁(3，6)、旋涡发生体4以及金属线圈5，壳体1的两端设置有入口端2和出口端7；壳体内的两对应面分别设置有永磁铁(3，6)，并且一面永磁铁3的N极与另一面永磁铁6的S极相对应，从而在两块永磁铁(3，6)中间形成磁场，壳体内靠近入口端处的纵向中间位置设置有旋涡发生体4，当流体通过时，其在尾迹区域能产生卡门涡街；所述金属线圈5设置在永磁铁(3，6)的中间磁场中，其在所述卡门涡街作用下规律性切割磁力线，并使穿过所述金属线圈5的磁通量发生变化，产生感应电流。金属线圈5的两个端子通过壳体上的小孔11引出。下面通过具体实施方式及附图，对本发明做进一步说明：

图2给出了本发明实施方式的卡门涡街发电装置的纵向剖视示意图(即图3的B-B’向剖视图)，图3为图2的A-A’向剖视图，而图4给出了图2的立体图。从图中可以清楚地看出，本装置包括具有入口端2和出口端7的两端贯通的壳体1，壳体1的纵截面为矩形，在矩形壳体1内部的左右两对应面沿壳体底部设置有永磁铁(3，6)，其中两块永磁铁(3，6)的高度h等于壳体1内腔高度H的二分之一，永磁铁3的N极与永磁铁6的S极相对应，并在永磁铁3和永磁铁6的中间形成磁场；所述磁场上端设置有圆柱形弹性旋涡发生体，所述圆柱形弹性旋涡发生体4的左右两端分别卡在左右两对应面壳体1上。当流体通过弹性旋涡发生体，在流体流动方向垂直的方向上产生振荡时，弹性旋涡发生体能在磁场中发生上下周期性形变。所述弹性旋涡发生体4的外表面均匀缠有金属线圈5，金属线圈5的两端子从壳体1上的小孔11引出。为保证不影响流体的正常流动方向，缠有金属线圈5的弹性旋涡发生体4的外表面应尽量平滑。

如图5的原理图所示，当该装置置于一定方向的流体中，例如风场中，或者将该装置一定速度运动，则流体会通过入口端2进入壳体1，经过弹性旋涡发生体4时将在其后部产生卡门涡街，由于本实施例中的旋涡发生体4为弹性旋涡发生体，则卡门涡街会引起弹性旋涡发生体4沿来流垂直方向上发生形变，从而带动金属线圈5在永磁铁(3，6)中间的磁场内规律性切割磁力线；由于弹性旋涡发生体4位于永磁铁(3，6)中间的磁场中上端水平方向上，因此，无振荡情况下，穿过金属线圈5的磁通量是固定的，如图2，图5所示，在由金属线圈围成的封闭面积中，约二分之一部分有磁通量穿过，而其在卡门涡街作用下发生上下振荡形变时，将引起缠绕在弹性旋涡发生体4的金属线圈5部分偏离磁场，然后进入磁场，周期性变化，从而使闭合金属线圈在磁场中发生切割磁力线的相对运动时，通过闭合金属线圈的磁通量随之发生周期性变化，从而不断产生交流的感应电流。

在上述技术方案中，所述弹性旋涡发生体是由弹性高分子材料制成的，如橡胶，胶皮等，旋涡发生体的形状除图2所示的圆柱形外，还可为横截面为矩形、菱形、梯形等的柱形，或其他非流线型；所述永磁铁除图2所示沿壳体底部设置外，还可以沿壳体顶端设置在壳体的左右对应面上。所述弹性旋涡发生体位于距入口端不小于2L距离处，从而保证从入口端到旋涡发生体之间的通道能起到导流的作用，使来流保持均匀，平稳，通过旋涡发生体后，产生卡门涡街。其中L代表旋涡发生体的特征长度，即非流线形物体的截面沿入口端流体流动方向的投影长度尺寸，当旋涡发生体沿流体方向的截面为圆时，其特征长度L为圆的直径(如图4)，而如图8所示，当截面为梯形时，其特征长度L为垂直流体流向的较长底边；如图11所示，当截面为矩形时，其特征长度L为垂直于流体方向上的矩形边长。所述永磁铁的高度h满足公式：

式中H为壳体内腔的高度，L为旋涡发生体的特征长度，从而保证当弹性旋涡发生体在卡门涡街的作用下发生形变时，其上面的金属线圈随之发生切割磁力线的运动，保证其磁通量随之发生变化，从而产生感应电流。除如图4所示金属线圈5可以均匀缠绕在弹性旋涡发生体的外表面上外，当弹性旋涡发生体4为柱状的、薄壁中空的、两端敞口的，金属线圈5还可以均匀镶嵌在弹性旋涡发生体的内表面上，从而避免缠绕外表面使其外表面不够平滑而对流体流动的影响。

利用这种装置产生交流电的前提是必须有流体的流动而且流体的雷诺数应在卡门涡街生成范围内。因为一般的风场在工程实践中是满足这个条件的。例如，风速0.02米/秒，空气的密度和动力黏度分别为1.2千克/立方米和1.8x10^-5帕秒；旋涡发生体的特征长度尺度0.1米，则按照公式(1)计算的雷诺数为133。卡门涡街产生后，旋涡发生体受到升力，F_L，其大小与来流速度和物体的长度尺度成正比。按照静力学分析方法并忽略振荡物体的重力，可以得到物体在任意时刻受到的升力与弹性旋涡发生体的回复力Fs相等，

F_L＝F_s       (3)

按照虎克定律，弹性旋涡发生体的受力和变形可以表示为线形关系，

F_s＝k·dY    (4)

其中，k为弹性旋涡发生体线形变形系数，dY为物体在与流动方向垂直方向上的移动量。从公式(3)和(4)可以获得，这个移动量为

$\mathrm{dY}=\frac{F_L}{k}---\left(5\right)$

dY也是考虑振荡物体的重力时的最大移动量。因而该装置是可以通过选择适当弹性旋涡发生体的形状、变形系数等参数来实现的。进一步的动力学分析，可以将物体横向振动产生的随时间t变化的位移量y(t)用下面的函数表示，

y(t)＝A₀sin(2πf_et)，(6)

其中，A₀是振幅；f_e是物体的振荡频率，它根据来流流场的具体情况，可以和旋涡的脱落频率相等或接近。

将该装置置于一定方向的流体中，例如风场中，或者将该装置以一定速度运动，则流体会通过壳体1的入口端2，进入壳体1。流体绕过旋涡发生体4，在其后部会产生卡门涡街。卡门涡街中的旋涡成对、反向流经金属线圈5，金属线圈5绕转动轴10产生振荡。无振荡情况下，穿过金属线圈5的磁通量是固定的。在金属线圈5振荡时，磁通量随之发生周期性变化，于是金属线圈5中产生了交流电。金属线圈5的两个端子通过壳体1上的小孔11引出。

当用电量大时，可以将多个本发明卡门涡街发电装置组合使用，优选壳体为纵截面为正面六边形的柱形壳体，可将六棱柱壳体的各侧面对应排列成蜂窝状，若干个本发明卡门涡街发电装置单元之间的线路连接属于本领域技术人员公知的技术，在此不做赘述。通过上述组合的卡门涡街发电系统，具有占用空间小，且安装方便的优点，同时满足了大用电量的需要。

上述实施方式中，在流体流动方向为水平方向时，本发明卡门涡街发电装置为水平放置运行，除这种使用方式外，安装后的发电装置整体可以根据流体流动方向翻转任何角度使用，使旋涡发生体与地面成任何角度均可，只需保证流体流动的方向与壳体平行，且壳体入口端朝向流体来源的方向放置使用。如流体流动方向为自上而下垂直流动，则可以将本发明的发电装置以壳体入口端朝上的放置方式使用；另外，当流体流动方向不发生变化，还可将本发明卡门涡街发电装置以流体流动方向为轴转动0°～90°角度使用，如转动90°时，本发明卡门涡街发电装置金属线圈的振荡不受旋涡发生体和金属线圈重力的影响。

Claims (5)

1.一种车辆用涡街发电机，包括，

壳体，所述壳体的两端贯通，其中一端为入口端，一端为出口端；

永磁铁，分别位于所述壳体内的两对应面，并且所述一面永磁铁N极与另一面永磁铁S极对应，在壳体内形成磁场；

旋涡发生体，位于壳体内，当流体通过时，能产生卡门涡街；

金属线圈，位于所述磁场中，并在所述卡门涡街作用下规律性切割磁力线，并使穿过所述金属线圈的磁通量发生变化，产生感应电流。

2.根据权利要求1所述的车辆用涡街发电机，其特征在于，所述永磁铁沿壳体底部或顶端设置在壳体的左右对应面上，所述永磁铁的高度h满足公式：

其中H为壳体内腔的高度，L为旋涡发生体的特征长度；所述金属线圈设置在所述旋涡发生体上。

3.根据权利要求2所述的车辆用涡街发电机，其特征在于，所述旋涡发生体为由弹性高分子材料制成的弹性旋涡发生体，所述弹性旋涡发生体的两端分别固定设置在对应面的永磁铁或壳体上。

4.根据权利要求3所述的车辆用涡街发电机，其特征在于，所述弹性旋涡发生体是柱状的、薄壁中空的、两端敞口的弹性物体，所述金属线圈镶嵌在所述弹性旋涡发生体的内壁上或均匀缠绕在所述弹性旋涡发生体的外表面上。

5.根据权利要求1所述的车辆用涡街发电机，其特征在于，所述壳体的纵截面为圆形或多边形。

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