[发明专利]一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器

说明书

本发明公布了一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器，涉及清洁能源和压电发电领域。本发明由基座、L型卡板、U型挡板、伸缩弹簧、条形挡板、90°扭簧、直线滑动导轨、转动轴、凹坑振子、机翼、轴承、轴承座、轴承盖以及滑块组成，具体组成三部分：移动部分、扭转部分以及翼面凹坑振子发电部分。移动部分和扭转部分实现了风速下翼型结构发生颤振的俯仰振动形式。翼型结构在风流激励下产生气动弹性振动；进而使壁面凹坑产生局部气动力和惯性力作用，使凹坑产生局域振动，通过翼面凹坑压电振子将气动弹性振动能转化为电能。本装置将翼型结构在空气中飞行时产生的气动弹性振动能转化为电能，为提高翼型飞行器续航能力提供了良好的解决方案。

技术领域

本发明涉及清洁能源和压电发电领域，具体是一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器。

背景技术

近年来，小型翼型飞行器（无人机）在航拍、探测、侦察、救援等方面应用十分广泛，在民品和军品领域也有着重要的应用价值和战略意义，已然成为国内外科技发展的热点。各国研究机构致力于小型翼型飞行器的研究，轻量化、自动化、智能化的设计层出不穷，然而，当前小型翼型飞行器续航和机载电子设备的持续供能问题是制约飞行器发展的关键因素。传统的供能方式主要以电池为主，要想提高小型翼型飞行器的续航能力，就得携带更多的功能电池，但是小型翼型飞行器的载荷能力有限，体积受到应用背景的限制。目前，收集环境能量，将其转化为电能的微型能量转化技术已经取得了一定的研究成果。若想进一步提高小型翼型飞行器的续航能力，可以收集飞行过程周围环境中的能量将其转化为电能为飞行器供能。

翼型飞行器在空气中飞行的过程中机翼会产生气动弹性振动，既影响飞行的稳定性，又造成了能量浪费。研究表明，在非定常空气动力、惯性力和弹性力的相互作用下，会使机翼振动持续进行，发生颤振。对于翼型飞行器而言，当飞行速度高于临界颤振速度时，振动是发散的。由于翼型结构的颤振振动响应发散，机翼振动剧烈，振动能较大，可以将其收集转化为电能，为飞行器设备供电。

目前，将环境振动能转化为电能的方式主要有压电式，电磁式和静电式，其中压电式能量收集技术具有无电磁干扰、结构简单、寿命长和易于微型化等优点。因此，面向翼型结构的颤振响应，基于压电俘能机理，本发明提出了一种收集翼型壁面凹坑的局域气动弹性振动能的压电俘能器。

发明内容

为了解决翼型飞行器续航能力低的问题，本发明根据翼型飞行器机翼的结构特点以及飞行过程中机翼的振动特征，充分利用飞行过程中环境所致的机翼振动能，提供了一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器以及实现翼型飞行器自主供能的技术方案，使得原本耗散的能量回收再利用。

一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器，由基座、L型卡板、U型挡板、伸缩弹簧、条形挡板、90°扭簧、直线滑动导轨、转动轴、机翼、凹坑振子、滚动轴承、轴承座、轴承盖以及滑块等结构组成。整个装置的组成分为三部分，分别为移动部分、扭转部分和翼面凹坑压电振子发电部分。移动部分包含基座、L型卡板、U型挡板、伸缩弹簧、直线滑动导轨、轴承座、轴承盖以及滑块等构件；扭转部分包含条形挡板、90°扭簧、转动轴、滚动轴承；翼面凹坑压电振子发电部分包括：机翼、柔性凹坑支撑层、柔性凹坑压电层以及质量块等构件。

进一步的，移动部分：所述直线滑动导轨通过螺栓联接整个装置的基座，并在直线滑动导轨上装配与其相适应的滑块；所述滑块，也就是滑动平台上，通过螺栓联接轴承座和条形挡板；所述的U型挡板通过两对L型卡板夹紧定位，并于装置的基座联接固定；所述的U型挡板和轴承座之间通过伸缩弹簧固定联接。上述的几种机构的合理组合，构成了俘能器的移动部分。

进一步的，扭转部分：所述转动轴一端与滚动轴承过盈配合，另一端固定着机翼；所述90°扭簧两端分别联接着转动轴和条形挡板。上述几种构件的组合，构成了俘能器的扭转部分。