專利名稱：車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電裝置，尤其是一種利用卡門渦街產(chǎn)生交流電流的裝置，該裝置將流體流動(dòng)過程中產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，適合車輛在包括怠速工況在內(nèi)的全工況下使用。
背景技術(shù)：
描述流體(如空氣、水等)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)常用到一個(gè)無量綱數(shù)，雷諾數(shù)(Reynolds number)，它描述了流體的慣性力和粘性力之比?？蓧嚎s流體的雷諾數(shù)Re可以用下式來表示，Re =-
/" (1)其中，ρ ,V00, μ分別代表流體的密度，速度和動(dòng)力粘性系數(shù)；L代表物體的特征長度尺度。當(dāng)流體繞過非流線形物體時(shí)，由于物體表面的粘性邊界層中存在逆壓梯度，表面邊界層開始分離，經(jīng)過一定時(shí)間的發(fā)展，物體后方的尾跡中，根據(jù)不同的雷諾數(shù)，形成不同流動(dòng)模式。大量的理論和實(shí)驗(yàn)證明，雷諾數(shù)從50到500范圍內(nèi)，尾跡區(qū)域內(nèi)會(huì)形成穩(wěn)定的、成對(duì)的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的、固定間距的，以層流為核心的旋渦。這樣的流動(dòng)模式被稱為卡門渦街。因?yàn)榈聡牧黧w力學(xué)家馮 卡門(1881 1963)率先對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了研究而得名。圖1是卡門渦街形成示意圖。卡門渦街中的旋渦的結(jié)構(gòu)可以用環(huán)量守恒的原理來解釋。即當(dāng)一個(gè)渦從非流線型物體(或稱旋渦發(fā)生體)的邊界層脫落時(shí)，必然有與之環(huán)量相反的渦的存在。在現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)流體流過建筑物、電線、橋墩時(shí)都會(huì)產(chǎn)生卡門渦街?？ㄩT渦街中的旋渦的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，而且旋渦產(chǎn)生頻率和流體流速的關(guān)系是確定的?？ㄩT渦街中還常用到無量綱參數(shù)Mrouhal數(shù)來描述流場的特征，Strouhal數(shù)M定義為= (2)其中，f為旋渦的脫落頻率，其他變量如前所述。Mrouhal數(shù)一般為固定值0.21。 因而流速可以通過測(cè)量旋渦脫落頻率來獲得。廣泛使用的卡門渦街流量計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。在旋渦發(fā)生體后方的卡門渦街中，旋渦會(huì)沿來流方向向后運(yùn)動(dòng)。同時(shí)由于單個(gè)旋渦的環(huán)量的存在，這個(gè)渦會(huì)受到一個(gè)與來流垂直方向上的作用力，即升力。因而在卡門渦街中，流體會(huì)在與來流方向垂直的方向上受到周期性交替變化的作用力。根據(jù)作用力和反作用力原理，流體也會(huì)對(duì)這個(gè)非流線型物體產(chǎn)生一個(gè)周期性交變的、與來流方向垂直的作用力，因而物體會(huì)在來流方向垂直的方向上產(chǎn)生振蕩。某些工程實(shí)踐中應(yīng)該避免這類現(xiàn)象的發(fā)生，因?yàn)檫@種振蕩會(huì)引起物體的疲勞和損壞。例如美國塔科瑪峽谷橋(Tacoma Narrow Bridge)風(fēng)毀事故即是由卡門渦街引起的。如何利用卡門渦街產(chǎn)生的這種振蕩的能量轉(zhuǎn)化成可利用的能量，如電能，是本發(fā)
明解決的一個(gè)技術(shù)問題。為此本發(fā)明中設(shè)計(jì)了一個(gè)裝置。將其安置在形式的車輛中，因?yàn)榭諝馀c車輛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以使用卡門渦街的原理進(jìn)行發(fā)電。在車輛的怠速工況時(shí)，車輛靜止，無法產(chǎn)生空氣的流動(dòng)。針對(duì)這種情況，本發(fā)明特別設(shè)計(jì)了針對(duì)車輛的全工況中是使用的渦街發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，即為車輛用全工況渦街發(fā)電裝置。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決上述技術(shù)問題，并利用上述背景技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種可將流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，而且可以在車輛的多工況條件下使用，包括怠速工況。本發(fā)明卡門渦街發(fā)電裝置通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)，包括，殼體，所述殼體的兩端貫通，其中一端為帶有法蘭的入口端，一端帶有法蘭的為出口端；永磁鐵，分別位于所述殼體內(nèi)的兩對(duì)應(yīng)面，并且所述一面永磁鐵N極與另一面永磁鐵S極對(duì)應(yīng)，在殼體內(nèi)形成磁場；旋渦發(fā)生體，位于殼體內(nèi)；金屬線圈，位于所述磁場中。當(dāng)流體通過旋渦發(fā)生體時(shí)，其后方能產(chǎn)生卡門渦街；金屬線圈在所述卡門渦街作用下規(guī)律性切割磁力線，并使穿過所述金屬線圈的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流。在上述技術(shù)方案中，所述永磁鐵沿殼體底部或頂端設(shè)置在殼體的左右對(duì)應(yīng)面上，
所述永磁鐵的高度h滿足公式h = ^"(// + 1)，其中H為殼體內(nèi)腔的高度，L為
2 2
旋渦發(fā)生體的特征長度；所述金屬線圈設(shè)置在所述旋渦發(fā)生體上。其中，本發(fā)明提供了由彈性高分子材料制成的彈性旋渦發(fā)生體的實(shí)施方式，所述彈性旋渦發(fā)生體的兩端分別固定設(shè)置在左右兩對(duì)應(yīng)面永磁鐵或殼體上，與其上設(shè)置的金屬線圈處于磁場的上端。所述彈性旋渦發(fā)生體是柱狀的、薄壁中空的、兩端敞口的彈性物體， 所述金屬線圈鑲嵌在所述彈性旋渦發(fā)生體的內(nèi)壁上或均勻纏繞在所述彈性旋渦發(fā)生體的外表面上。在上述技術(shù)方案中，所述殼體的縱截面優(yōu)選為圓形或矩形或方形或其他多邊形。使用時(shí)，將該裝置安置在車輛的進(jìn)氣管和空氣濾清器之間。帶有連接法蘭的出口端與進(jìn)氣管相連，帶有連接法蘭的入口端與空氣濾清器的管道相連。也就是將該發(fā)電裝置安裝在車輛原有的進(jìn)氣管和空氣濾清器之間。本發(fā)明的卡門渦街發(fā)電裝置的有益效果是本發(fā)明卡門渦街發(fā)電裝置通過在殼體內(nèi)設(shè)置一個(gè)渦街發(fā)生體，流體流過時(shí)產(chǎn)生的卡門渦街引起旋渦發(fā)生體的振蕩，從而帶動(dòng)或引起處在磁場中的閉合金屬線圈一起運(yùn)動(dòng)， 由于卡門渦街的規(guī)律性振蕩，使穿過閉合線圈的磁通量發(fā)生周期性變化，從而在金屬線圈中產(chǎn)生交流電，將卡門渦街振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，在行駛的車輛和靜止的車輛中都可使用，即全工況下使用。其次，本裝置只有幾個(gè)部件組成，結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，重量輕，對(duì)應(yīng)用環(huán)境要求低；

圖1是卡門渦街形成的示意圖；[0021]圖中，1.來流方向，2.旋渦發(fā)聲體，3.卡門渦街。圖2是本發(fā)明實(shí)施方式的卡門渦街發(fā)電裝置的縱向剖視示意圖；圖3是圖2的A-A，向剖視示意圖；圖4是圖2的立體圖；圖中，1.殼體，2.帶連接法蘭入口端，3.永磁鐵N極，4.旋渦發(fā)生體，5.金屬線圈， 6.永磁鐵S極，7.帶連接法蘭的出口端，11小孔。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路在磁場中安置一個(gè)金屬線圈，當(dāng)閉合金屬線圈在磁場中做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，且讓金屬線圈在磁力線方向的投影面積產(chǎn)生變化，即使穿過線圈的磁通量產(chǎn)生變化。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，閉合的金屬線圈中將產(chǎn)生電流。根據(jù)這個(gè)思路，如果把背景技術(shù)中的卡門渦街這種作用于旋渦發(fā)生體上的周期性的、交替方向的力傳遞給一個(gè)放置在固定的磁場中的金屬線圈，將可以使金屬線圈產(chǎn)生振蕩，只要保證這種周期性的振蕩改變了穿過金屬線圈的磁通量，則在金屬線圈中將會(huì)產(chǎn)生了交流電。如果在行駛的車輛中，空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生上述效果。在車輛的怠速工況下，車輛時(shí)是靜止的，但發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)任然會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)產(chǎn)生空氣的流動(dòng)。一個(gè)在車輛的多工況下使用渦街發(fā)電裝置的途徑是將渦街發(fā)電裝置安置在進(jìn)氣管之前。這樣，只要是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，就有空氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)的殼體，發(fā)電機(jī)就能工作。車輛中已有的連接方式是，進(jìn)氣管前面連接空氣濾清器的管道。所以，一個(gè)在車輛全工況下使用渦街發(fā)電裝置的途徑是將渦街發(fā)電機(jī)安置在進(jìn)氣管和空氣濾清器之間。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，如圖2到3所示，本發(fā)明給了一種卡門渦街發(fā)電裝置，包括殼體1、兩塊永磁鐵(3，6)、旋渦發(fā)生體4以及金屬線圈5，殼體1的兩端設(shè)置有帶有連接法蘭入口端2和帶有連接法蘭出口端7 ；殼體內(nèi)的兩對(duì)應(yīng)面分別設(shè)置有永磁鐵(3，6)，并且一面永磁鐵3的N極與另一面永磁鐵6的S極相對(duì)應(yīng)，從而在兩塊永磁鐵(3，6)中間形成磁場， 殼體內(nèi)靠近入口端處的縱向中間位置設(shè)置有旋渦發(fā)生體4，當(dāng)流體通過時(shí)，其在尾跡區(qū)域能產(chǎn)生卡門渦街；所述金屬線圈5設(shè)置在永磁鐵(3，6)的中間磁場中，其在所述卡門渦街作用下規(guī)律性切割磁力線，并使穿過所述金屬線圈5的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流。金屬線圈5的兩個(gè)端子通過殼體上的小孔11引出。下面通過具體實(shí)施方式
及附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明圖2給出了本發(fā)明實(shí)施方式的卡門渦街發(fā)電裝置的縱向剖視示意圖(即圖3的 B-B'向剖視圖)，圖3為圖2的A-A’向剖視圖，而圖4給出了圖2的立體圖。從圖中可以清楚地看出，本裝置包括具有來由連接法蘭入口端2和帶有連接法蘭出口端7的兩端貫通的殼體1，殼體1的縱截面為矩形，在矩形殼體1內(nèi)部的左右兩對(duì)應(yīng)面沿殼體底部設(shè)置有永磁鐵(3，6)，其中兩塊永磁鐵(3，6)的高度h等于殼體1內(nèi)腔高度H的二分之一，永磁鐵3 的N極與永磁鐵6的S極相對(duì)應(yīng)，并在永磁鐵3和永磁鐵6的中間形成磁場；所述磁場上端設(shè)置有圓柱形彈性旋渦發(fā)生體，所述圓柱形彈性旋渦發(fā)生體4的左右兩端分別卡在左右兩對(duì)應(yīng)面殼體1上。當(dāng)流體通過彈性旋渦發(fā)生體，在流體流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生振蕩時(shí)， 彈性旋渦發(fā)生體能在磁場中發(fā)生上下周期性形變。所述彈性旋渦發(fā)生體4的外表面均勻纏有金屬線圈5，金屬線圈5的兩端子從殼體1上的小孔11引出。為保證不影響流體的正常流動(dòng)方向，纏有金屬線圈5的彈性旋渦發(fā)生體4的外表面應(yīng)盡量平滑。如圖3所示，當(dāng)該裝置置于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管前，則空氣會(huì)通過帶有法蘭的入口端2進(jìn)入殼體1，經(jīng)過彈性旋渦發(fā)生體4時(shí)將在其后部產(chǎn)生卡門渦街，由于本實(shí)施例中的旋渦發(fā)生體4為彈性旋渦發(fā)生體，則卡門渦街會(huì)引起彈性旋渦發(fā)生體4沿來流垂直方向上發(fā)生形變， 從而帶動(dòng)金屬線圈5在永磁鐵(3，6)中間的磁場內(nèi)規(guī)律性切割磁力線；由于彈性旋渦發(fā)生體4位于永磁鐵(3，6)中間的磁場中上端水平方向上，因此，無振蕩情況下，穿過金屬線圈5 的磁通量是固定的，如圖2，圖5所示，在由金屬線圈圍成的封閉面積中，約二分之一部分有磁通量穿過，而其在卡門渦街作用下發(fā)生上下振蕩形變時(shí)，將引起纏繞在彈性旋渦發(fā)生體4 的金屬線圈5部分偏離磁場，然后進(jìn)入磁場，周期性變化，從而使閉合金屬線圈在磁場中發(fā)生切割磁力線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過閉合金屬線圈的磁通量隨之發(fā)生周期性變化，從而不斷產(chǎn)生交流的感應(yīng)電流。在上述技術(shù)方案中，所述彈性旋渦發(fā)生體是由彈性高分子材料制成的，如橡膠，膠皮等，旋渦發(fā)生體的形狀除圖2所示的圓柱形外，還可為橫截面為矩形、菱形、梯形等的柱形，或其他非流線型；所述永磁鐵除圖2所示沿殼體底部設(shè)置外，還可以沿殼體頂端設(shè)置在殼體的左右對(duì)應(yīng)面上。所述彈性旋渦發(fā)生體位于距入口端不小于2L距離處，從而保證從入口端到旋渦發(fā)生體之間的通道能起到導(dǎo)流的作用，使來流保持均勻，平穩(wěn)，通過旋渦發(fā)生體后，產(chǎn)生卡門渦街。其中L代表旋渦發(fā)生體的特征長度，S卩非流線形物體的截面沿入口端流體流動(dòng)方向的投影長度尺寸，當(dāng)旋渦發(fā)生體沿流體方向的截面為圓時(shí)，其特征長度L為圓的直徑(如圖4)，而如圖8所示，當(dāng)截面為梯形時(shí)，其特征長度L為垂直流體流向的較長底邊；當(dāng)截面為矩形時(shí)，其特征長度L為垂直于流體方向上的矩形邊長。所述永磁鐵的高度
h滿足公式h = l<F-I)~|(i/ + Z>，式中H為殼體內(nèi)腔的高度，L為旋渦發(fā)生體的特征長
度，從而保證當(dāng)彈性旋渦發(fā)生體在卡門渦街的作用下發(fā)生形變時(shí)，其上面的金屬線圈隨之發(fā)生切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，保證其磁通量隨之發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。除如圖4所示金屬線圈5可以均勻纏繞在彈性旋渦發(fā)生體的外表面上外，當(dāng)彈性旋渦發(fā)生體4為柱狀的、薄壁中空的、兩端敞口的，金屬線圈5還可以均勻鑲嵌在彈性旋渦發(fā)生體的內(nèi)表面上，從而避免纏繞外表面使其外表面不夠平滑而對(duì)流體流動(dòng)的影響。利用這種裝置產(chǎn)生交流電的前提是必須有流體的流動(dòng)而且流體的雷諾數(shù)應(yīng)在卡門渦街生成范圍內(nèi)。因?yàn)橐话愕倪M(jìn)氣管內(nèi)的空氣流動(dòng)是滿足這個(gè)條件的。例如，進(jìn)氣管內(nèi)空氣流動(dòng)速度2米/秒，空氣的密度和動(dòng)力黏度分別為1. 2千克/立方米和1. SxlO-5帕秒； 旋渦發(fā)生體的特征長度尺度0. 001米，則按照公式(1)計(jì)算的雷諾數(shù)為133?？ㄩT渦街產(chǎn)生后，旋渦發(fā)生體受到升力，&，其大小與來流速度和物體的長度尺度成正比。按照靜力學(xué)分析方法并忽略振蕩物體的重力，可以得到物體在任意時(shí)刻受到的升力與彈性旋渦發(fā)生體的回復(fù)力Fs相等，F(xiàn)L = Fs(3)按照虎克定律，彈性旋渦發(fā)生體的受力和變形可以表示為線形關(guān)系，F(xiàn)s = k · dY(4)其中，k為彈性旋渦發(fā)生體線形變形系數(shù)，dY為物體在與流動(dòng)方向垂直方向上的移動(dòng)量。從公式C3)和(4)可以獲得，這個(gè)移動(dòng)量為[0037]dY = ^(5)
kdY也是考慮振蕩物體的重力時(shí)的最大移動(dòng)量。因而該裝置是可以通過選擇適當(dāng)彈性旋渦發(fā)生體的形狀、變形系數(shù)等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析，可以將物體橫向振動(dòng)產(chǎn)生的隨時(shí)間t變化的位移量y(t)用下面的函數(shù)表示，y (t) = A0Sin (2 π fet)，(6)其中，Atl是振幅；f；是物體的振蕩頻率，它根據(jù)來流流場的具體情況，可以和旋渦的脫落頻率相等或接近。上述實(shí)施方式中，在流體流動(dòng)方向?yàn)樗椒较驎r(shí)，本發(fā)明卡門渦街發(fā)電裝置為水平放置運(yùn)行，除這種使用方式外，安裝后的發(fā)電裝置整體可以根據(jù)流體流動(dòng)方向翻轉(zhuǎn)任何角度使用，使旋渦發(fā)生體與地面成任何角度均可，只需保證流體流動(dòng)的方向與殼體平行，且殼體入口端朝向流體來源的方向放置使用。另外，當(dāng)流體流動(dòng)方向不發(fā)生變化，還可將本發(fā)明卡門渦街發(fā)電裝置以流體流動(dòng)方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)0° 90°角度使用，如轉(zhuǎn)動(dòng)90°時(shí)，本發(fā)明中的金屬線圈的振蕩不受旋渦發(fā)生體和金屬線圈重力的影響。
權(quán)利要求1.一種車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)，包括，殼體，所述殼體的兩端貫通，其中一端為帶有法蘭的入口端，一端帶有法蘭的為出口端；永磁鐵，分別位于所述殼體內(nèi)的兩對(duì)應(yīng)面，并且所述一面永磁鐵N極與另一面永磁鐵S 極對(duì)應(yīng)，在殼體內(nèi)形成磁場；旋渦發(fā)生體，位于所述殼體內(nèi)； 金屬線圈，位于所述磁場中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述永磁鐵沿殼體底部或頂端設(shè)置在殼體的左右對(duì)應(yīng)面上，所述永磁鐵的高度h滿足公式h = i(/i-jO~l(/i + i)，其中H為殼體內(nèi)腔的高度，L為旋渦發(fā)生體的特征長度；所述金屬線圈設(shè)置在所述旋渦發(fā)生體上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述旋渦發(fā)生體為由彈性高分子材料制成的彈性旋渦發(fā)生體，所述彈性旋渦發(fā)生體的兩端分別固定設(shè)置在對(duì)應(yīng)面的永磁鐵或殼體上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述彈性旋渦發(fā)生體是柱狀的、薄壁中空的、兩端敞口的彈性物體，所述金屬線圈鑲嵌在所述彈性旋渦發(fā)生體的內(nèi)壁上或均勻纏繞在所述彈性旋渦發(fā)生體的外表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述殼體的縱截面為圓形或多邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述帶有法蘭的入口端與車輛的空氣濾清器相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述帶有法蘭的出口端與車輛的進(jìn)氣管相連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)，它包括殼體、永磁鐵、旋渦發(fā)生體和金屬線圈，其中所述殼體的兩端設(shè)置有帶有連接法蘭的入口端和帶有連接法蘭的出口端，永磁鐵分別位于所述殼體內(nèi)的兩對(duì)應(yīng)面，一面永磁鐵N極與另一面永磁鐵S極對(duì)應(yīng)，在殼體內(nèi)形成磁場；所述旋渦發(fā)生體位于殼體內(nèi)靠近入口端處的縱向中間位置；所述金屬線圈位于所述磁場中。從而將流體通過旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的卡門渦街振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。本實(shí)用新型車輛用全工況渦街發(fā)電機(jī)安置在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和空氣濾清器之間，不僅可以再運(yùn)動(dòng)車輛上進(jìn)行發(fā)電，也可以在車輛怠速工況下進(jìn)行發(fā)電。
文檔編號(hào)H02K35/04GK202190202SQ20112026374
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者路明 申請(qǐng)人:天津空中代碼工程應(yīng)用軟件開發(fā)有限公司