一种隧道气流致振发电机的制作方法

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种隧道气流致振发电机。

背景技术：

隧道已成为目前公路及铁路网络的重要组成部分。为确保汽车及火车能够正常安全通行、实现隧道环境及通行车辆的实时监测，隧道中需要安装各类仪器设备及照明设施，因此隧道中也要有相应的供电设施。如采用传统的电缆供电，电缆的铺设及后续维护的难度较大、成本较高；如采用电池供电，因电池寿命有限、需经常更换，使用极其不便，尤其是在偏远山区。

技术实现要素：

本发明提出一种隧道气流致振发电机，本发明采用的实施方案是：支架上设有带上滑道的上梁、带下滑道的下梁及连接上下梁的挡板，下梁的两端设有支脚，挡板置于上下梁的一端且上下滑道相对安装；定销和动销的两端都套有销套，定销和动销与销套铰接，销套经螺钉安装在上下滑道中；压电振子套在动销的阶梯槽中，压电振子的一端经螺钉固定在定销的阶梯槽中、另一端经螺钉与钝体的耳板连接，钝体靠近挡板一侧安装，钝体为空心圆柱壳体且其中心线位于垂直面内；非工作时，压电振子厚度方向的对称中心层、定销和动销的中心线、钝体的中心线以及挡板的宽度方向的对称中心层位于同一垂直平面内；挡板的宽度与钝体直径的比值即宽径比为1～3，钝体外表面到挡板的最小间距与钝体直径的比值即间径比为0～3；压电振子由基板及其两侧或一侧所粘接的压电片构成，基板与压电片的长度相等，基板比压电片宽，基板与动销的阶梯槽两端窄的部分接触但无相互作用力，压电片置于动销的阶梯槽中间较宽的部分但不与阶梯槽的内壁接触。

本发明中，其它参数确定的情况下，移动动销的销套时调节压电振子的刚度和发电机的固有频率，移动定销的销套时调节间径比。

工作中，气流由定销流向钝体和挡板，气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气体压力交替变化从而产生使钝体及压电振子绕动销往复摆动的激振力，压电振子的往复弯曲变形过程中即将气流能转换成了电能；气流经过钝体后受到挡板的阻碍时，气流的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大幅度增加或减小；此外，因激励频率即漩涡的脱落频率随气流流速的增加而增加，当激励频率与发电机的固有频率相同或相近时，钝体的振幅最大、压电振子受激强度及发电量都较大，故本发明可根据使用环境的流速调节定销和动销间的距离，从而调节压电振子的弯曲刚度和发电机的固有频率，以便使发电机的固有频率与激励频率相适应、提高发电能力；特别地，当动销与钝体的耳板接触或距离很近时，钝体的振幅及压电振子的弯曲变形量都较小，可避免压电振子因变形过大而损毁。

本发明中，根据气流速度范围调节间径比以确保压电振子d的变形量不超过其许用值，压电振子为两叠片的单晶或三叠片的双晶振子，压电振子为单晶振子且其基板和压电片厚度相等时其自由端的许用变形量为其中l为压电振子的悬臂长度、即为动销与钝体之间压电振子的非夹持部分的长度，h为压电振子d的总厚度，β＝em/ep，em和ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。

优势与特色：①压电振子的刚度及发电机的固有频率可调，易于使发电机基频与流体涡激振动频率相适应，故可适应的有效频带宽、流速适应能力强；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、尺度等参数调节钝体放大比，进一步提高发电机的可靠性、流速适应性及发电能力；③本发明中压电振子是通过铰接安装的外伸梁，弯曲变形时压电片长度方向上的应力分布均匀、可靠性高，且同一压电片的表面仅产生同一种正或负电荷、不致因异性电荷同时存在并相互抵消而影响发电量。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2是图1的a-a剖视图；

图3是图1的b-b剖视图；

图4是图1的c-c剖视图；

图5是本发明一个较佳实施例中定销的结构示意图；

图6是本发明一个较佳实施例中动销的结构示意图；

图7是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图；

图8图7的左视图；

图9为钝体外表面到挡板最小间距不同时输出电压与流速的关系曲线。

具体实施方式

支架a上设有带上滑道a4的上梁a1、带下滑道a5的下梁a2及连接上梁a1和下梁a2的挡板a3，下梁a2的两端设有支脚a6，挡板a3置于上梁a1和下梁a2的一端且上滑道a4和下滑道a5相对安装；定销b和动销c的两端都套有销套f，定销b和动销c与销套f铰接，销套f经螺钉安装在上滑道a4和下滑道a5中；压电振子d套在动销c的阶梯槽c1中，压电振子d的一端经螺钉固定在定销b的阶梯槽b1中、另一端经螺钉与钝体e的耳板e1连接，钝体e靠近挡板a3一侧安装，钝体e为空心圆柱壳体且其中心线位于垂直面内；非工作时压电振子d厚度方向的对称中心层、定销b和动销c的中心线、钝体e的中心线以及挡板a3的宽度方向的对称中心层位于图1中的同一垂直平面内，即图1中的同一垂直平面内、亦即图2中水平面z内；挡板a3的宽度h与钝体e的直径d的比值即宽径比为h/d＝1～3，钝体e的外表面到挡板a3的最小间距l与钝体e的直径d的比值即间径比为l/d＝0～3；压电振子d由基板d1及其两侧或一侧所粘接的压电片d2构成，基板d1与压电片d2的长度相等，基板d1比压电片d2宽，基板d1与动销c的阶梯槽c1两端窄的部分接触但无相互作用力，压电片d2置于动销c的阶梯槽c1中间较宽的部分但不与阶梯槽c1的内壁接触。

本发明中，其它参数确定的情况下，移动动销c的销套f时调节压电振子d的刚度和发电机的固有频率，移动定销b的销套f时调节间径比。

工作中，气流由定销b流向钝体e和挡板a3，气流流经钝体e后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体e前后两侧的气体压力交替变化从而产生使钝体e及压电振子d绕动销c往复摆动的激振力，压电振子d的往复弯曲变形过程中即将气流动能转换成了电能；气流经过钝体e后受到挡板a3的阻碍时，气流的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大幅度增加或减小；此外，因激励频率即漩涡的脱落频率随气流流速的增加而增加，当激励频率与发电机的固有频率相同或相近时，钝体e的振幅最大、压电振子d受激强度及发电量都较大，故本发明可根据使用环境的流速调节定销b和动销c间的距离，从而调节压电振子d的弯曲刚度和发电机的固有频率，以便使发电机的固有频率与激励频率相适应、提高发电能力；特别地，当动销c与钝体e的耳板e1接触或距离很近时，钝体e的振幅及压电振子d的弯曲变形量都较小，可避免压电振子d因变形过大而损毁。

本发明中，根据气流速度范围调节间径比以确保压电振子d的变形量不超过其许用值，压电振子d为两叠片的单晶或三叠片的双晶振子，压电振子d为单晶振子且其基板d1和压电片d2厚度相等时其自由端的许用变形量为其中l为压电振子d的悬臂长度、即为动销c与钝体e之间压电振子d的非夹持部分的长度，h为压电振子d的总厚度，β＝em/ep，em和ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。