阅读说明：本技术 一种涡激振动俘能器 (Vortex-induced vibration energy harvester ) 是由 张忠华 林仕杰 毛燕飞 陈贤卿 黄芳胜 吴亚奇 曾平 于 2019-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种涡激振动俘能器,属新能源技术领域。支架挡板上下两端设有内壁带滑道的上下梁,下梁的滑道内装有定磁铁；耦合器的钝体外壁上设有耳板,钝体为空心的圆柱或长方形壳体；两个销轴的两端都套有轴套,轴套安装在上梁或下梁的滑道内,销轴中间段设窄缝；簧片的一端固定在耦合器的耳板上、另一端经两个销轴的窄缝穿过后再与两销轴分别固定,耦合器靠近挡板安装；两个限形架的压板固定在一起且其间压接有两个由基板和压电片粘接而成压电振子和一个弹性梁,限形架的压板安装在钝体的顶壁上,悬臂结构的压电振子和弹性梁置于钝体内部,弹性梁自由端装有动磁铁和质量块,动定磁铁相吸；限形架的压板两端都设有带限形面的限形块。(The invention relates to a vortex-induced vibration energy harvester, and belongs to the technical field of new energy. The upper end and the lower end of the bracket baffle are provided with an upper beam and a lower beam with inner walls provided with slideways, and fixed magnets are arranged in the slideways of the lower beams; the outer wall of the blunt body of the coupler is provided with an ear plate, and the blunt body is a hollow cylindrical or rectangular shell; the two ends of the two pin shafts are sleeved with shaft sleeves, the shaft sleeves are arranged in the slide ways of the upper beam or the lower beam, and the middle sections of the pin shafts are provided with narrow slits; one end of the reed is fixed on an ear plate of the coupler, the other end of the reed is fixed with the two pin shafts after passing through a narrow slit of the two pin shafts, and the coupler is arranged close to the baffle; the pressing plates of the two limiting frames are fixed together, two piezoelectric vibrators and an elastic beam which are formed by bonding a substrate and a piezoelectric sheet are pressed between the two limiting frames, the pressing plates of the limiting frames are arranged on the top wall of the blunt body, the piezoelectric vibrators and the elastic beam of the cantilever structure are arranged in the blunt body, the free end of the elastic beam is provided with a movable magnet and a mass block, and the movable magnet and the fixed magnet are attracted; and two ends of the pressure plate of the limiting frame are provided with limiting blocks with limiting surfaces.)

一种涡激振动俘能器

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种涡激振动俘能器，用于构造自供电河流监测系统。

背景技术

我国境内遍布的河流达数千条之多。近年来，由于工业废污水处理力度不够、水土流失及农药和化肥等使用不当等原因，部分河流都存在一定程度的污染问题，无法满足居民生活及农田灌溉的需求。此外，因目前有些区中小河流防洪设施不完善、缺少相关防洪设施，汛期来临之际存在溃堤或漫堤等危险，直接威胁了沿岸群众的生命和财产安全。因此，河流监测已受到国家相关部门的高度重视；同时，国内专家学者也相继提出了相应的监测方法和手段，包括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等多方面，以及为监测系统供电的各类微小型俘能器，但现有的微小型俘能器在可靠性及流速适应性等方面都存在一定的问题，严重地阻碍了其推广应用。

发明内容

本发明提出一种涡激振动俘能器，本发明采用的实施方案是：支架的挡板的上下两端对称设有相互平行的上下梁，上下梁与挡板垂直，上下梁的内壁上都设有滑道，下梁的两端设有支脚，下梁的滑道内经螺钉安装有定磁铁；耦合器的钝体外壁上设有耳板，钝体为空心的圆柱或长方形壳体；两个销轴的两端都套有轴套，轴套经螺钉安装在上梁或下梁的滑道内，销轴中间段的轴心处设窄缝，销轴的轴心位于窄缝的对称中心面内；簧片的一端经螺钉固定在耦合器的耳板上、另一端经两个销轴的窄缝穿过后再经螺钉与两个销轴分别固定在一起，耦合器靠近挡板安装；两个限形架的压板经螺钉固定在一起且其间压接有两个压电振子和一个弹性梁，限形架的压板经螺钉安装在钝体的顶壁上，压电振子和弹性梁置于钝体内部；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近弹性梁安装，压电振子和弹性梁均为悬臂结构，弹性梁自由端两侧经螺钉都安装有动磁铁和质量块，动定磁铁异性磁极相对安装；限形架的压板两端都设有限形块，限形块上设有限形面，限形面为圆弧面，限形面和压板上与压电振子相接触的表面相切；同一限形架上两个限形块的间距比压电片宽、比基板窄，压电振子固定端的基板与限形面接触；非工作时，簧片、弹性梁及压电振子均处于无变形的自然状态；挡板的宽度比和间距比的范围分别为λ＝H/D＝1～3和δ＝L/D＝0～3，其中：D为钝体为圆柱体时的外径或长方体时在簧片厚度方向上的宽度，H为挡板在簧片厚度方向的宽度，L为钝体与挡板相邻表面间的最短距离。

本发明中，水流由钝体流向挡板，水流流经钝体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体前后两侧的水流压力交替变化从而产生使耦合器往复摆动的激振力；耦合器摆动过程中，弹性梁在其自由端质量块的惯性力及动定磁铁间吸引力的作用下产生往复弯曲变形并迫使压电振子向使压电片承受压应力的方向弯曲变形，压电振子的往复弯曲变形过程中即将水流能转换成了电能；水流经过钝体后受到挡板的阻碍时流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值发生变化，振动幅值增大或减小；钝体摆动并使弹性梁幅值达到额定值时，弹性梁将压电振子的基板压靠在限形面上，此时压电片长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。

本发明中，可通过调节销轴两端的轴套位置调节两个销轴的间距、通过调节挡板的安装位置调节挡板与钝体间的距离，改变两个销轴的间距即可改变簧片弯曲刚度及悬臂长度，从而改变钝体与簧片所构成振动系统的基频及钝体的振幅，以便使俘能器的基频与涡激振动频率相适应、实现共振；改变挡板到钝体外表面间的距离即可调节间距比，实现钝体的振幅的有效控制，即使振幅增加或减小。

本发明中，基板和压电片厚度相等，限形面的半径为不使用限形面时压电振子自由端的许用变形量为

其中：l为压电振子的悬臂长度，H为压电振子的总厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板和压电片材料的弹性模量，T_p和k₃₁分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。

优势与特色：①易于通过簧片的刚度调节改变俘能器固有频率，使之与涡激振动频率相互适应，提高响应特性和发电能力；②钝体后方设置的挡板可有效调节钝体的耦合振动响应特性，易于通过调节二者间距、尺度等参数获得所需的钝体振动放大比，流速适应性及发电能力；③压电振子不与水流接触、仅受可控的单向弯曲变形故应力分布均匀，故发电能力强、可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的A-A剖视图；

图4是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图；

图5是本发明一个较佳实施例中限形架的结构示意图；

图6是图5的右视图。

具体实施方式

支架a的挡板a3的上下两端分别设有上梁a1和下梁a2，上梁a1和下梁a2平行且对称配置在挡板a3的上下两侧，上梁a1和下梁a2与挡板a3垂直，上梁a1和下梁a2的内壁上都设有滑道a4，下梁a2的两端设有支脚a5，下梁a2的滑道a4内经螺钉安装有定磁铁f；耦合器d的钝体d1外壁上设有耳板d2，钝体d1为空心的圆柱或长方形壳体；两个销轴b的两端都套有轴套e，轴套e经螺钉安装在上梁a1或下梁a2的滑道a4内，销轴b中间段的轴心处设窄缝，销轴b的轴心位于窄缝的对称中心面内；簧片c的一端经螺钉固定在耦合器d的耳板d2上、另一端经两个销轴b的窄缝b1穿过后再经螺钉与两个销轴b分别固定在一起，耦合器d靠近挡板a3安装；两个限形架g的压板g1经螺钉固定在一起且其间压接有两个压电振子h和一个弹性梁j，限形架g的压板g1经螺钉安装在钝体d1的顶壁上，压电振子h和弹性梁j置于钝体d1的内部；压电振子h由基板h1和压电片h2粘接而成，基板h1靠近弹性梁j安装，压电振子h和弹性梁j均为悬臂结构，弹性梁j的自由端两侧经螺钉都安装有动磁铁k和质量块n，动磁铁k与定磁铁f的异性磁极相对安装；限形架g的压板g1两端都设有限形块g2，限形块g2上设有限形面g3，限形面g3为圆弧面，限形面g3和压板g1上与压电振子h相接触的表面相切；同一限形架g上两个限形块g2的间距比压电片h2宽、比基板h1窄，压电振子h固定端的基板h1与限形面g3接触；非工作时，簧片c、弹性梁j及压电振子h均处于无变形的自然状态；挡板a3的宽度比λ和δ间距比的范围分别为λ＝H/D＝1～3和δ＝L/D＝0～3，其中：D为钝体d1为圆柱体时的外径或长方体时在簧片c厚度方向上的宽度，H为挡板a3在簧片c厚度方向的宽度，L为钝体d1与挡板a3相邻表面间的最短距离。

本发明中，水流由钝体d1流向挡板a3，水流流经钝体d1后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体d1前后两侧的水流压力交替变化从而产生使耦合器d往复摆动的激振力；耦合器d摆动过程中，弹性梁j在其自由端质量块n的惯性力及动磁铁k和定磁铁f间吸引力的作用下产生往复弯曲变形并迫使压电振子h向使压电片h2承受压应力的方向弯曲变形，压电振子h的往复弯曲变形过程中即将水流能转换成了电能；水流经过钝体d1后受到挡板a3的阻碍时流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值发生变化，振动幅值增大或减小；钝体d1摆动并使弹性梁j幅值达到额定值时，弹性梁j将压电振子h的基板h1压靠在限形面g3上，此时压电片h2长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。

本发明中，可通过调节销轴b两端的轴套e位置调节两个销轴b的间距、通过调节挡板a3的安装位置调节挡板a3与钝体d1间的最小间距L，改变两个销轴b的间距即可改变簧片c的弯曲刚度及悬臂长度，从而改变钝体d1与簧片c所构成振动系统的基频及钝体d1的振幅，以便使俘能器的基频与涡激振动频率相适应、实现共振；改变挡板a3到钝体d1外表面间的最小间距L即可调节间距比，实现钝体d1的振幅的有效控制，即使振幅增加或减小。

本发明中，基板h1和压电片h2厚度相等，限形面g3的半径为不使用限形面时压电振子h自由端的许用变形量为

其中：l为压电振子h的悬臂长度，H为压电振子h的总厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板h1和压电片h2材料的弹性模量，T_p和k₃₁分别为压电片h2材料的许用应力和机电耦合系数。