渦致振動磁電式發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】一種渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其包含本體和支撐件，所述本體包含下底板、導(dǎo)軌、圓柱發(fā)生體、引出桿、彈簧、導(dǎo)桿、永磁體、線圈繞組和上底板，所述上底板和下底板的兩側(cè)分別固定有兩根導(dǎo)軌，兩側(cè)導(dǎo)軌之間橫向設(shè)有圓柱發(fā)生體，所述圓柱發(fā)生體的兩端分別連接有從導(dǎo)軌之間向外延伸的引出桿；各所述引出桿的伸出端連接有縱向向上延伸的導(dǎo)桿，各所述導(dǎo)桿上端貫穿所述上底板，且所述上底板的上表面設(shè)有供所述導(dǎo)桿貫穿的線圈繞組；所述導(dǎo)桿為內(nèi)設(shè)有永磁體的中空桿；在引出桿和上底板之間設(shè)有彈簧，由此，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，不僅解決了橋梁檢測系統(tǒng)的供電問題，還可以避免因用化學(xué)電池對環(huán)境造成的污染。
【專利說明】渦致振動磁電式發(fā)電裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及水流發(fā)電裝置的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種應(yīng)用于橋梁檢測系統(tǒng)的連續(xù)供電的水流渦致振動磁電式發(fā)電裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，橋梁交通量迅猛增長，對橋梁的檢測能力要求越來越高。目前的橋梁檢測設(shè)備主要使用電池供電，比如動態(tài)應(yīng)變儀，但這種供電方式存在易腐蝕、更換困難、危害環(huán)境等缺點。更重要的是，電池電量一旦耗盡并且未及時更換，檢測系統(tǒng)將無法正常工作，這無疑給橋梁監(jiān)測裝置的應(yīng)用帶來很大障礙。
[0003]為此，本實用新型的設(shè)計者有鑒于上述缺陷，通過潛心研究和設(shè)計，研究設(shè)計出一種應(yīng)用于橋梁檢測系統(tǒng)的連續(xù)供電的水流發(fā)電設(shè)備，以克服上述缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于提供一種應(yīng)用于橋梁檢測系統(tǒng)的水流渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，能夠給橋梁檢測系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)提供清潔能源，環(huán)保性能更好，提高了橋梁檢測系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還避免了傳統(tǒng)供電存在的易腐蝕、更換困難、危害環(huán)境等缺點。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型公開了一種渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其包含本體和支撐件，所述本體通過支撐件安裝于橋梁，其特征在于:
[0006]所述本體包含下底板、導(dǎo)軌、圓柱發(fā)生體、引出桿、彈簧、導(dǎo)桿、永磁體、線圈繞組和上底板，所述上底板和下底板的兩側(cè)分別固定有兩根導(dǎo)軌，兩側(cè)導(dǎo)軌之間橫向設(shè)有圓柱發(fā)生體，所述圓柱發(fā)生體的兩端分別連接有從導(dǎo)軌之間向外延伸的引出桿；
[0007]各所述引出桿的伸出端連接有縱向向上延伸的導(dǎo)桿，各所述導(dǎo)桿的下端固定于所述引出桿，上端貫穿所述上底板，且所述上底板的上表面設(shè)有兩個分別供所述導(dǎo)桿貫穿的線圈繞組；
[0008]所述導(dǎo)桿為內(nèi)設(shè)有永磁體的中空桿；
[0009]在各所述弓I出桿和上底板之間設(shè)有提供彈性回復(fù)力的彈簧。
[0010]其中:所述底座上間隔設(shè)有上三腳架和下三腳架，所述本體固定于上三腳架和下三腳架之間；所述下底板固定于下三腳架，所述上底板固定于上三腳架。
[0011]其中:所述下底板、導(dǎo)軌、圓柱發(fā)生體、引出桿、彈簧、導(dǎo)桿、永磁體和上底板由不銹鋼制成，且均在表面涂覆有機油漆層。
[0012]其中:所述線圈繞組還連接有整流電路。
[0013]其中:所述彈簧的兩端分別通過不銹鋼片固定于上底板和引出桿上。
[0014]其中:所述彈簧位于導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)。
[0015]其中:該永磁體的材料為NdFe40SH。
[0016]其中:所述圓柱發(fā)生體的長度為Im,直徑為0.06m。
[0017]通過上述結(jié)構(gòu)，本實用新型具有以下技術(shù)效果:
[0018]1、結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，維護便利，成本較低，應(yīng)用范圍廣；
[0019]2、不需要齒輪傳動機構(gòu)等裝置，直接使用連桿將圓柱體的往復(fù)運動狀態(tài)傳遞給永磁體，提高了能量利用率；
[0020]3、就近為橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)供電，解決了監(jiān)測系統(tǒng)可能存在的因電池供能中斷而不能正常工作，致使橋梁安全監(jiān)測存在隱患的問題；
[0021]4、采用水能為橋梁檢測系統(tǒng)的動力來源，采用渦致振動磁電式發(fā)電裝置作為供電來源完全符合國家節(jié)能減排的政策要求，同時又綠色環(huán)保。
[0022]本實用新型將通過下面的具體實施例進行進一步的詳細描述，且進一步結(jié)合對附圖的說明將得到更加清楚和明顯的了解。
[0023]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1顯示了本實用新型支撐件的側(cè)視圖。
[0025]圖2顯示了本實用新型支撐件的正視圖。
[0026]圖3顯示了本實用新型本體的正視圖。
[0027]圖4顯示了本實用新型本體的側(cè)視圖。
[0028]附圖標記:
[0029]101、本體;102、底座;103、上三腳架;104、下三腳架;1、下底板；2、導(dǎo)軌；3、圓柱發(fā)生體；4、引出桿；5、彈簧；6、導(dǎo)桿；7、永磁體；8、線圈繞組；9、上底板。

【具體實施方式】
[0030]參見圖1-4，顯示了本實用新型的渦致振動磁電式發(fā)電裝置的具體結(jié)構(gòu)，其包含本體101和支撐件，所述本體101通過支撐件安裝于橋墩等橋梁的結(jié)構(gòu)上。
[0031]其中，所述支撐件包含固定于橋墩等結(jié)構(gòu)上的底座102，所述底座102上間隔設(shè)有上三腳架103和下三腳架104，所述本體101固定于上三腳架103和下三腳架104之間。
[0032]參見圖3和圖4，所述本體包含下底板1、導(dǎo)軌2、圓柱發(fā)生體3、引出桿4、彈簧5、導(dǎo)桿6、永磁體7、線圈繞組8和上底板9，所述下底板I固定于下三腳架104，所述上底板9固定于上三腳架103，通過三腳架的堅固支撐，可有效提高裝置的穩(wěn)定支撐，避免主體本身的振動，提高工作性能。
[0033]所述上底板9和下底板I的兩側(cè)分別固定有兩根導(dǎo)軌2，一共四根導(dǎo)軌2，所述導(dǎo)軌2通過焊接固定于上底板9和下底板I之間，兩側(cè)導(dǎo)軌2之間橫向設(shè)有圓柱發(fā)生體3，所述圓柱發(fā)生體3的兩端分別連接有從導(dǎo)軌2之間向外延伸的引出桿4，由此，圓柱發(fā)生體3可通過兩端引出桿4在導(dǎo)軌2之間進行上下滑動。
[0034]各所述引出桿4的伸出端連接有縱向向上延伸的導(dǎo)桿6，各所述導(dǎo)桿6的下端固定于所述引出桿4，上端貫穿所述上底板9，且所述上底板9的上表面設(shè)有兩個分別供所述導(dǎo)桿6貫穿的線圈繞組8，所述導(dǎo)桿6為中空桿，其中空桿內(nèi)設(shè)有永磁體7，由此，在圓柱發(fā)生體3上下滑動時，導(dǎo)桿6內(nèi)的永磁體7線圈繞組8進行上下移動，實現(xiàn)發(fā)電。
[0035]其中，為了實現(xiàn)振動，在各所述弓丨出桿4和上底板9之間設(shè)有彈簧5，以提供彈性回復(fù)力。
[0036]其中，所述下底板1、導(dǎo)軌2、圓柱發(fā)生體3、引出桿4、彈簧5、導(dǎo)桿6、永磁體7和上底板9由不銹鋼制成，且在表面涂覆有機油漆層，從而在本裝置位于水面以下，避免長時間浸泡在自然界的水體中必然會出現(xiàn)氧化腐蝕等方面的問題，因此，裝置的耐氧化腐蝕能力顯著增強，安全使用壽命延長。
[0037]其中，所述線圈繞組8還可連接有整流電路。
[0038]其中，所述彈簧5的兩端分別通過不銹鋼片固定于上底座9和引出桿4上，可選的是，所述彈簧5可位于導(dǎo)軌2的內(nèi)側(cè)(即圖3所示)，也可位于外側(cè)及其它合適的位置。
[0039]其中，該永磁體7的材料為NdFe40SH。
[0040]下面介紹一下本裝置的具體應(yīng)用，在進行正常工作期間，受到來自前方的水流沖擊和水面波浪等不確定因素的影響，將會產(chǎn)生振動，這直接影響裝置的安全性和工作性能，而三角形的支撐架并將其固定在橋墩迎流面，然后把裝置的底板和三角支撐架固定在一起，減弱裝置的振動，提高其工作性能。
[0041 ] 在具體設(shè)置中，還需要在在繞組線圈的接口相接部分設(shè)置防水件，即在接口處纏上防水膠布，防水效果更佳。
[0042]優(yōu)選的是，只有裝置的自振頻率與圓柱發(fā)生體兩側(cè)的漩渦脫體頻率接近時，才會出現(xiàn)穩(wěn)定振動現(xiàn)象，此時裝置才能正常工作。裝置參數(shù)設(shè)定的參考公式見公式1，當I為4.0-9.0時，便可發(fā)生鎖定，即穩(wěn)定振動?？紤]到裝置所受阻力及水的沖擊力須小于裝置所能承受的最大應(yīng)力值，因此一般設(shè)計中，應(yīng)使振動頻率約為2Hz。
[0043]優(yōu)選的是，圓柱發(fā)生體長度直接影響圓柱發(fā)生體的迎流面積，在相同能量轉(zhuǎn)換效率下，應(yīng)流面積與發(fā)電量成正比關(guān)系，因此，在保證裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量增加圓柱發(fā)生體長度?？紤]到裝置固定于橋墩上，為保證裝置固定效果，且不影響行船，可優(yōu)選為圓柱發(fā)生體長度等于橋墩寬度，雖然在附圖中未顯示，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解并實施。
[0044]優(yōu)選的是，該裝置本質(zhì)上是通過圓柱發(fā)生體阻礙流體的流動，并將流動能轉(zhuǎn)化為圓柱發(fā)生體自身振動進而發(fā)電，因此，圓柱發(fā)生體表面阻尼是影響能量轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素。在圓柱發(fā)生體表面開有徑向延伸槽和/或設(shè)置阻尼橡膠層可以有效增加發(fā)電量。
[0045]通過本實用新型，可以實現(xiàn)如下優(yōu)點:
[0046]1、裝置結(jié)構(gòu)簡單，不易損壞；省去了一般水力發(fā)電的大量傳動齒輪，簡化結(jié)構(gòu)，減少傳遞環(huán)節(jié)，提聞了發(fā)電效率。
[0047]2、橋梁處需要進行安全監(jiān)測、夜間航道照明等，該清潔能源直接利用，既可以避免并網(wǎng)損失，又可以節(jié)省現(xiàn)有能源，達到節(jié)能減排效果。
[0048]以湘江為例，湘江水流流速冬季為0.5m/s，夏季為lm/s。取平均流速為0.8m/s進行設(shè)計，使模型參數(shù)與實際工況相適應(yīng)。
[0049]流體繞過圓柱發(fā)生體時，將發(fā)生分離，從而在結(jié)構(gòu)后面形成尾流區(qū)，并在一定條件下從發(fā)電裝置兩側(cè)周期性地發(fā)生旋渦泄放現(xiàn)象。對于彈性圓柱發(fā)生體，當渦泄頻率接近于發(fā)電裝置的固有頻率時旋渦的泄放過程被發(fā)電裝置的振動所控制，而使旋渦泄放和發(fā)電裝置的振動具有相同的頻率，從而產(chǎn)生渦激振動。渦激振動的幅值受無量綱參數(shù)折算速度I的控制，一般在水流中，當I為4.0—9.0時，發(fā)生頻率的鎖定現(xiàn)象。振動穩(wěn)定時，系統(tǒng)振動頻率f約為結(jié)構(gòu)自振頻率fns，振幅A約為發(fā)生體當量直徑D的兩倍。
[0050]Vr =公式 I

J I1、
[0051]式中—系統(tǒng)無量綱折算速度；
[0052]V——流體流動速度，m/s;
[0053]fns—不考慮流體附加質(zhì)量的結(jié)構(gòu)自振頻率，Hz ；
[0054]D-發(fā)生體當量直徑，m。
[0055]/”、士公式 2
21 V m
[0056]式中:fns——不考慮流體附加質(zhì)量的結(jié)構(gòu)自振頻率，Hz ；
[0057]Ks——彈簧彈性系數(shù)，N/m ；
[0058]m——發(fā)生體及其他振動部分總質(zhì)量，kg。
[0059]考慮到實際工況下的工作穩(wěn)定性與適應(yīng)性，故控制系統(tǒng)振動頻率約為2Hz，振幅為0.12m,選擇發(fā)生體I直徑為0.06m,長度為Im,發(fā)生體、連桿和永磁體的質(zhì)量和為9.5kg,彈簧的彈性系數(shù)為1500N/m。
[0060]利用該發(fā)生體的振動帶動永磁體做往復(fù)直線運動，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，運動時會改變永磁體和繞組的相對位置，引起穿過繞組的磁通量的改變，從而產(chǎn)生交變感應(yīng)電動勢。本發(fā)電裝置依靠發(fā)生體呈正弦規(guī)律的往復(fù)運動而產(chǎn)生正弦交流電，因此感應(yīng)電動勢為:
[0061 ] e = Blvm cos wt - 4?Ε cos \\? 公式 3
[0062]式中Vni——動子運動速度的幅值，m/s ；
[0063]E——為電動勢的有效值，V ；
[0064]w-角頻率，rad/s。
[0065]已有的相關(guān)研究給出，當選用繞組、永磁體等參數(shù)與實際工況相適應(yīng)時，發(fā)生體振動范圍內(nèi)，即在L*4D的矩形截面內(nèi)的來流動能與該模型引出并轉(zhuǎn)化出的電能存在一定的比例關(guān)系:
[0066]能量轉(zhuǎn)化率將近似為下式:
[0067]P = 0.l03x^^x4DxZ.公式 4

2
[0068]式中P——發(fā)電裝置最大輸出功率，W ;
[0069]P-運動流體密度，kg/m3 ；
[0070]V——流體流動速度，m/s;
[0071]經(jīng)過實地考察，湘江橘子洲段截面平均流速u = 0.8m/So在具體設(shè)計中，可設(shè)置為:發(fā)生體長度L = lm，發(fā)生體直徑D = 0.06m,由此，可得每個裝置發(fā)電量為:
[0072]/> = 0.103x 1Q00xQ.8 x4x0.06xl =6.33w

2
[0073]以湘江橘子洲大橋為例，可以用作固定該裝置的橋墩共有12個，每個橋墩在豎直方向上可固定5個發(fā)電裝置，共計60個?？偟墓β蔖為:
[0074]P = 6.33X60 = 0.38kff
[0075]顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本實用新型的公開內(nèi)容、應(yīng)用或使用。雖然已經(jīng)在實施例中描述過并且在附圖中描述了實施例，但本實用新型不限制由附圖示例和在實施例中描述的作為目前認為的最佳模式以實施本實用新型的教導(dǎo)的特定例子，本實用新型的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權(quán)利要求的任何實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其包含本體和支撐件，所述本體通過支撐件安裝于橋梁，其特征在于: 所述本體包含下底板、導(dǎo)軌、圓柱發(fā)生體、引出桿、彈簧、導(dǎo)桿、永磁體、線圈繞組和上底板，所述上底板和下底板的兩側(cè)分別固定有兩根導(dǎo)軌，兩側(cè)導(dǎo)軌之間橫向設(shè)有圓柱發(fā)生體，所述圓柱發(fā)生體的兩端分別連接有從導(dǎo)軌之間向外延伸的引出桿； 各所述引出桿的伸出端連接有縱向向上延伸的導(dǎo)桿，各所述導(dǎo)桿的下端固定于所述引出桿，上端貫穿所述上底板，且所述上底板的上表面設(shè)有兩個分別供所述導(dǎo)桿貫穿的線圈繞組； 所述導(dǎo)桿為內(nèi)設(shè)有永磁體的中空桿； 在各所述引出桿和上底板之間設(shè)有提供彈性回復(fù)力的彈簧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其特征是；該支撐件的底座上間隔設(shè)有上三腳架和下三腳架，所述本體固定于上三腳架和下三腳架之間；所述下底板固定于下三腳架，所述上底板固定于上三腳架。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其特征是；該本體的下底板、導(dǎo)軌、圓柱發(fā)生體、引出桿、彈簧、導(dǎo)桿、永磁體和上底板由不銹鋼制成，且均在表面涂覆有機油漆層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其特征是；該本體的線圈繞組還連接有整流電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其特征是；該本體的彈簧兩端分別通過不銹鋼片固定于上底座和引出桿上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其特征是；該本體的彈簧位于導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其特征是；該本體的永磁體的材料為 NdFe40SH。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其特征是；該本體的圓柱發(fā)生體長度為lm，直徑為0.06m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦致振動磁電式發(fā)電裝置，其特征是；該本體的圓柱發(fā)生體表面開有徑向延伸槽和/或設(shè)置阻尼橡膠層。
【文檔編號】H02K35/02GK204119002SQ201420198960
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】李樹浩, 宋東興, 朱曉涵, 金俊偉, 陳亞煒, 譚馨 申請人:李樹浩, 宋東興, 朱曉涵