[发明专利]一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置

说明书

本发明公开了一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置，由悬臂梁、压电片、圆形截面钝体、永磁铁、弹簧和负载电路组成。放置在流体中，利用流体冲击钝体产生的涡激振动，促使悬臂梁产生往复振动，借助压电片将流体动能转换为电能。本发明利用永磁铁间的非线性磁斥力产生非线性回复力，使该装置产生双稳态振动，增加线性弹性以实现俘能装置内共振现象，本发明将内共振效应和双稳态振动模式结合，应用到涡激振动能量俘获发电领域，有望成为拓宽涡激振动能量俘能装置工作带宽、提高发电效率的有效途径。

技术领域

本发明属于流体发电设备技术领域，涉及一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置。

背景技术

目前，随着低功耗无线传感器件和信息物流网的迅速发展，长期有效供电问题日益成为微型传感器实用化、产业化的一大障碍。化学电池由于寿命短、相对体积较大、需要更换或充电、易造成环境污染等明显缺陷已无法满足其发展的需要。在诸多绿色可再生能源中风能和水能独占鳌头，其流体动能蕴含量十分巨大且分布广泛。海洋流、河流以及各种城市管路中的水流广泛存在于我们生活环境中，这些流体能量不仅触手可及，而且具有分布广泛和绿色可再生性，可作为一种优质的能量来源，存在巨大的开发潜能。因此，将这些流体动能有效地转化为电能，为无线传感器系统或微机电系统实现自供电，具有重要的工程应用价值。

当流体经过圆形截面固体时会对固体表面施加交变的流体力，使固体产生振动，固体振动又改变流体流态，进而改变作用于固体表面的流体力，这种流体与固体相互作用的现象称为涡激振动，如图1所示。充分利用流体动能将涡激振动能量有效地转化为电能并存储，为微电子器件及微型无线传感器等实现自供电，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。但是目前提取涡激振动能量的俘能系统仍存在俘获频带较窄、俘获效率较低等不足，严重影响了其实用化进程。拓宽俘获频率、增大振动幅值，实现流体动能的高效获取与高效转换是今后涡激振动能量俘获研究中迫切需要解决的关键共性问题。本发明基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置正是为适应这一发展需要提出来的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置，解决了现有技术中存在的传统桨叶式发电装置结构难于小型化问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置，包括有悬臂梁，悬臂梁为类十字架结构，悬臂梁横向两端一端为固定端，另一端为移动端，悬臂梁纵向两端为自由端，固定端固接有机架，固定端根部两侧侧壁固接有压电片，机架四周排布有负载电路，压电片与负载电路串联，悬臂梁移动端套接有可移动永磁铁，可移动永磁铁的对面设置有固定永磁铁，悬臂梁自由端均固接有钝体，钝体横截面为圆形。

本发明的特点还在于：

压电片的型号为PZT-5H压电片。

负载电路包括有负载电路，负载电路电性连接有负载电阻。

悬臂梁的移动端端部外壁套接有弹簧，弹簧一端接触可移动永磁铁，弹簧另一端接触悬臂梁中心。

可移动永磁铁与固定永磁铁同极相对。

本发明的有益效果是：

1、解决了传统桨叶式发电装置结构难于小型化问题，本发明装置结构简单紧凑，成本远低于桨叶式发电装置，容易实现小型化并为微型机电设备供电，且工作过程中不会产生任何污染物质，环保安全；

2、基于内共振的双稳态模式，能够充分提高涡激俘能振子振动的幅值并更大程度拓宽俘获频率的带宽，大大提高俘能系统的俘获效率，解决了基于线性共振模式的涡激振动能量俘能装置中普遍存在工作频带较窄、俘获效率较低等问题。

附图说明

图1是涡激振动现象的原理图；

图2是本发明一种基于内共振的双稳态涡激振动能量俘获装置的结构示意图；