一种用于回收流体冲击射流能量的压电俘能器

技术领域

本发明属于气动能量回收领域，特别是一种用于回收流体冲击射流能量的压电俘能器。

背景技术

气压传动系统因其动力来源广、无污染、反应快、可靠性高等优点广泛应用于各行各业的制造工厂，作为实现生产自动化的一种重要手段。但是气动系统与液压系统和电气系统相比效率低很多，由于排气浪费等问题导致能量利用效率低，因此气动系统节能潜力巨大。气动系统中需要频繁的进排气，而做完功的压缩空气通常都未进行再利用，而是直接排入大气。虽然压缩空气取自大气，来源广泛，但是这部分排出的压缩空气仍具有做功的能力，应对其进行再利用，避免浪费。

气动系统中为了实现精确控制需要大量的传感器，如压力传感器，流量传感器，磁性开关等。传统的为这些元器件供能的方式主要有化学电池供能和电源直接供能两种方式，化学电池寿命短，需要频繁更换，会造成环境污染，电源直接供能方式则布线复杂，若能对排出的压缩空气进行二次利用，将动能转换为电能为这些元器件供电，则可以降低成本和电能的损耗，达到节能的效果。

目前气动能量的回收方式主要有气罐回收和将排气转换为真空能量利用，这些能量回收方式为产生背压，影响气动系统的正常工作，在气动系统的排气端接入流致振动式压电俘能器则不会产生背压。而现有的流致振动式压电俘能器多用于自然界中风能和潮汐能等的回收利用，自然场域能够完全包覆俘能器，已有的俘能器能够产生较大的耦合振动，但是气动系统中的排气流场为细小射流状，传统俘能器无法正常工作，振动效果不明显，因此设计一种用于气动能量回收的射流冲击式压电俘能器为气动系统中低功耗设备供能成为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于回收流体冲击射流能量的压电俘能器，以解决传统气动排气回收会产生背压的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于回收流体冲击射流能量的压电俘能器，包括腔体、扰流柱和柔性压电悬臂梁；

所述腔体前端端面中心设有与排气管路连接的进气口，后端端面与大气连通；所述腔体内设有固定板；所述柔性压电悬臂梁一端与固定板相连，另一端与扰流柱相连，用于产生电能；所述扰流柱的截面形状为开式圆弧，扰流柱的弧形开口正对射流，用于增大耦合效应；所述柔性压电悬臂为悬臂梁式结构，柔性压电悬臂和扰流柱在气体来流作用下产生正弦曲线的振动，以产生正弦曲线的电压。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

在不产生背压影响气动系统正常工作的前提下，对气动排气能量进行回收，所设计结构简单便于微型化和集成化，所设计的带有开式半圆截面扰流柱的压电俘能器比单一柔性压电悬臂梁的输出电压最高能提升4倍以上，在气动排气等射流能量回收领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的压电俘能器的结构示意图。

图2为本发明的压电俘能器的俯视图。

图3为本发明的压电俘能器的右视图。

图4为本发明的压电俘能器的扰流柱与柔性压电悬臂梁连接示意图。

图5为本发明的压电俘能器的柔性压电悬臂梁与右腔体连接示意图。

图6为本发明在40kpa气压下的振动位移仿真曲线图。

图7为本发明的压电俘能器与单一柔性压电悬臂梁(无扰流柱)输出电压对比。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

本实施方式提供了一种用于回收流体冲击射流能量的压电俘能器的具体实施方案，如图1～3所示，所述的压电俘能器包括左腔体1、扰流柱2、柔性压电悬臂梁3和右腔体4；所述左腔体1和右腔体4之间采用螺栓螺母固定连接，扰流柱2和柔性压电悬臂梁3连接后固定在右腔体4内部，左腔体1前端中心设有与排气管路连接的进气口11，右腔体4内部有固定板41，用来固定扰流柱2和柔性压电悬臂梁3，右腔体4后端排向大气，左腔体1和右腔体4的中心轴在同一直线上。所述扰流柱2的截面形状为开式圆弧，用于增大耦合效应和固定柔性压电悬臂梁3，扰流柱2的进气口方向正对射流。

结合图4、图5，柔性压电悬臂梁3一端嵌入扰流柱2后端的凹槽，二者通过胶水进行固定，扰流柱2和柔性压电悬臂梁3一端固定连接，柔性压电悬臂梁3另一端通过右腔体4内部固定板41的凹槽嵌入右腔体4后，用胶水进行粘接固定。

所述的压电俘能器其转换产生的电能可以通过能量转换电路与蓄电池或者超级电容连接，将装置产生的电能储存起来。产生的振幅曲线为正弦曲线，如图6所示，因此产生的电压曲线也近似为正弦曲线，能量转换电路需要将其转换为更便于储存和回收的电能。更为具体的本发明设计的压电俘能器可以采用桥式整流电路对产生的电能进行转换回收处理，通过蓄电池或者超级电容对产生的电能进行储存。

更为具体的本发明设计的压电俘能器其左腔体1与排气管路连接，作为该俘能器的进气口，右腔体4内部有带凹槽的固定板41，用来固定扰流柱2和柔性压电悬臂梁3，右腔体4另一端与大气相连接。左腔体1轴线、扰流柱2、柔性压电悬臂梁3和右腔体4轴线都在同一中心线上。

更为具体的本发明设计的压电俘能器其可以通过改变不同的左腔体1进而改变扰流柱2到左腔体1的内壁距离。扰流柱2的截面形状为开式半圆形板与矩形板组合而成，开式半圆形板用于增大耦合效应，矩形板设置凹槽，用于固定柔性压电悬臂梁3一端，柔性压电悬臂梁3与扰流柱2连接的一端为自由端，另一端与右腔体4内部固定板41连接为固定端，柔性压电悬臂梁3为悬臂梁式结构，右腔体4内部设置有带凹槽的固定板41，该固定板41与右腔体4为一体成型，左腔体1、扰流柱2和右腔体4采用聚乳酸(PLA)材料制作而成，所述的压电俘能器其柔性压电悬臂梁3采用内阻较低的压电材料制作而成，更为具体的，所述柔性压电悬臂梁3采用PVDF压电薄膜制作而成。

更为具体的本发明设计的压电俘能器左腔体1的进气口尺寸为

更为具体的本发明设计压电俘能器与现有的单一柔性压电悬臂梁(无扰流柱)的输出对比如图7所示，从图中可以看出，本发明可以有效增大俘能器的输出电压，最高可达4倍以上。

工作原理：气动排气经左腔体1进入俘能器内腔，排气射流冲击到扰流柱引起振动，绕过扰流柱的气流会在扰流柱后方产生涡街增大耦合振动，由于扰流柱与柔性压电悬臂梁是固定的，柔性压电悬臂梁也随之产生周期性的往复振动，在正压电效应的作用下，压电材料产生电荷的积聚，形成电势差产生电能，通过导线与储能元件如超级电容等相连接实现气动排气能量的回收。

综上所述，本发明设计的一种用于气动能量回收的射流冲击式压电俘能器能够增大俘能器在排气射流下的耦合振动，提升能量转换效率并且不会产生背压影响气动系统的正常工作。本发明设计的压电俘能器与气动系统通过