CN102678428A - 一种可移动波浪能吸收和转换装置 - Google Patents

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刘柱
董再励
于鹏
周磊
杨洋
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Abstract

本发明涉及一种可移动波浪能吸收和转换装置，具有多自由度惯性摆机构、转向机构、传递增速机构以及能量转换装置和存储装置，其中多自由度惯性摆机构的每个输出端通过转向机构与传递增速机构相连，多自由度惯性摆机构的旋转运动通过转向和传递，在传递增速机构的输出端为连续单方向的旋转输出；传递增速机构的输出端接有能量转换和存储装置。本发明能够在三维空间上运动，使用超越离合器使往复旋转运动转化成单向旋转机械运动，避免克服能量吸收装置的启动力矩而会损失激励能量简化结构的设计，节约成本，减轻整个装置的重量。Delta并联结构的成型设计很多也很成熟，结构上易于实现。

Description

一种可移动波浪能吸收和转换装置
技术领域
本发明涉及海洋移动载体的波浪能吸收和转换技术，具体的说是一种可移动波浪能吸收和转换装置。
背景技术
近年来，随着海洋对人类社会的影响日益增大，对国家安全和经济的作用日益重要，海洋无人系统和自主系统已经成为具有战略意义的前沿研究领域。小型、高效、自主运动的海洋人工系统，例如，AUV系统、水下仿生机器人系统、自主巡航武器系统、海洋环境监测平台等，是世界各国一直在大力研究和开发的科学研究与应用的前沿领域，海洋自主人工系统对海洋资源的开发和探索、对环境的有效监控和利用具有重要的科学意义和战略意义。海洋自主人工系统涉及到的技术有很多，如控制、导航、动力、传感技术等。其中，能源问题是其关键技术之一。而能量自补给问题，对海洋移动人工系统的性能和作业能力的提高具有重要意义。因而海洋可再生能源利用的研究具有其科学意义与实际意义。
目前利用海洋能发电的基本形式为岸基式与锚定式，具有不可移动等局限性，不适合人工移动载体移动中自主获取能量的需要，对于海洋环境中要求长期值守的人工移动载体无法提供能量的自补给。可移动波浪能吸收和转换装置能够对海洋移动人工系统巡航作业能力和生存能力具有关键意义，对海洋科学发展和利用无疑也具有重要意义。目前利用海洋能提供能量的人工移动载体还未见报道。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种实现海洋移动人工系统的能量自补给、提高海洋移动人工系统续航能力的可移动波浪能吸收和转换装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明可移动波浪能吸收和转换装置具有多自由度惯性摆机构、转向机构、传递增速机构以及能量转换装置和存储装置，其中多自由度惯性摆机构的每个输出端通过转向机构与传递增速机构相连，多自由度惯性摆机构的旋转运动通过转向和传递，在传递增速机构的输出端为连续单方向的旋转输出；传递增速机构的输出端接有能量转换和存储装置。
所述多自由度惯性摆机构采用Delta并联惯性摆机构，其以摆锤做为获取波浪能的输入端，以三个旋转副做为三个输出端分别连接各自的转向机构。
所述转向机构具有超越离合器、第一锥齿轮、第二锥齿轮以及轴，超越离合器将Delta并联惯性摆机构的一个旋转副与轴固定连接，绕旋转副转动，第一锥齿轮固定安装在轴上，随轴绕旋转副转动；第二锥齿轮与第一锥齿轮垂直安装啮合，第二锥齿轮与传递增速机构的第一齿轮轴固定连接。
所述传递增速机构包括第一～六直齿轮、输出轴以及第一～三齿轮轴，其中，第一直齿轮通过第一齿轮轴与转向机构的第二锥齿轮固定在一起，随第二锥齿轮一起转动，第一直齿轮与第二直齿轮啮合，带动第二直齿轮和与其固定的第二齿轮轴一起转动；第三直齿轮与第二直齿轮通过第二齿轮轴固定在一起，并随第二直齿轮一起转动，第三直齿轮与第四直齿轮啮合，带动第四直齿轮和与第四直齿轮固定的第三齿轮轴转动；第五直齿轮与第四直齿轮通过第三齿轮轴固定在一起，并随第四直齿轮一起转动，第五直齿轮与第六直齿轮啮合，带动第六直齿轮和与第六直齿轮固定连接的输出轴转动。
所述能量转换装置为大扭矩低转速微型发电机。
可移动波浪能吸收和转换装置整体安装于密闭壳体内，漂浮于洋面上或者悬浮于洋流中。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明可移动波浪能吸收和转换装置能够在三维空间上运动，在海洋环境中任何时间都有能量输出，能更有效的获取外部随机动能或势能激励，使用超越离合器使往复旋转运动转化成单向旋转机械运动，避免克服能量吸收装置的启动力矩而会损失激励能量。
2.本发明装置采用锥齿轮与增速齿轮机构，将不同方向的旋转运动转化到同一个轴上连续旋转输出，简化结构的设计，节约成本，减轻整个装置的重量；Delta并联结构的成型设计很多也很成熟，结构上易于实现。
附图说明
图1为本发明组成及能量传输原理示意图；
图2为本发明装置结构简图；
图3A为本发明装置中Delta并联惯性摆机构的结构示意图；
图3B为图3A的正面视图；
图4A为本发明装置中传递增速机构的结构示意图；
图4B为本发明装置中传递增速机构的俯向视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
如图1、2所示，本发明可移动波浪能吸收和转换装置具有多自由度惯性摆机构、转向机构2、传递增速机构3以及能量转换装置和存储装置4，其中多自由度惯性摆机构1的每个输出端通过转向机构2与传递增速机构3相连，多自由度惯性摆机构的旋转运动通过转向和传递，在传递增速机构3的输出端为连续单方向的旋转输出；传递增速机构3的输出端接有能量转换和存储装置4。
所述多自由度惯性摆机构采用Delta并联惯性摆机构1，其以摆锤101做为获取波浪能的输入端，以三个旋转副做为三个输出端分别连接各自的转向机构。
如图3A所示，Delta并联摆机构主要由摆锤101、第一～二万向副105～106、驱动杆103、从动杆104和第一～三旋转副107～109等部件组成，驱动杆103一端通过第一万向副105与摆锤101连接，另一端通过第二万向副106与从动杆104连接；从动杆104的另外一端通过第一位置旋转副107与固定的摆盘102连接，从动杆104与驱动杆103连接端通过弹簧110与摆盘102连接，被固定成一定的初始姿态，摆盘102在密闭的壳体内部固定连接。当密闭的壳体在波浪力的作用下，摆锤101随摆盘102运动，其运动是多维的，可分解成空间内的三维运动。摆锤101在Z方向运动时，其带动三个位置上的驱动杆拉动从动杆绕旋转副做旋转运动，同时弹簧变形蓄能。同理摆锤在X方向运动时，三个从动杆也绕各自旋转副做旋转运动，只是第一旋转副107的旋转角度较第二、三旋转副108与109的大。当摆锤101在Y方向运动时，第一旋转副107不产生运动，Delta并联摆机构的另外两个输出端的第二、三旋转副108与109做旋转运动。
如图4A所示，转向机构具有超越离合器201、第一锥齿轮202、第二锥齿轮203以及轴204，Delta并联惯性摆机构1一个旋转副从动杆104通过超越离合器201与轴204固定连接，绕旋转副转动，旋转运动只在单方向上有输出，反方向上空转；第一锥齿轮202固定安装在轴204上，随轴204绕旋转副转动；第二锥齿轮203与第一锥齿轮202垂直安装啮合，带动第二锥齿轮203与传递增速机构3的第一齿轮轴308转动。
如图4A、4B所示，传递增速机构3包括第一～六直齿轮301～306、输出轴307以及第一～三齿轮轴308～310，其中，第一直齿轮301通过第一齿轮轴308与转向机构2的第二锥齿轮203固定在一起，随第二锥齿轮203一起转动，第一直齿轮301与第二直齿轮302啮合，带动第二直齿轮302和与其固定的第二齿轮轴309一起转动；第三直齿轮303与第二直齿轮302通过第二齿轮轴309固定在一起，并随第二直齿轮302一起转动，第三直齿轮303与第四直齿轮304啮合，带动第四直齿轮304和与第四直齿轮304固定的第三齿轮轴310转动；第五直齿轮305与第四直齿轮304通过第三齿轮轴310固定在一起，并随第四直齿轮304一起转动，第五直齿轮305与第六直齿轮306啮合，带动第六直齿轮306和与第六直齿轮306固定连接的输出轴307转动。
本实施例以第一旋转副107为例，如图3B所示：摆锤101随摆盘102在波浪力作用下运动，摆锤101带动与其连接的驱动杆103运动，驱动杆103带动与其连接的从动杆104运动，从动杆104通过超越离合器201与轴204固定连接绕旋转副107转动，旋转运动只在单方向上有输出，反方向上空转。第一锥齿轮202也固定安装在轴204上，随轴204绕旋转副107转动，第二锥齿轮203与第一锥齿轮202垂直安装啮合，带动第二锥齿轮203和与其固定连接的第一齿轮轴308转动并改变运动的方向，其他两处从动杆的设计相同，三个方向上的转动转化成同一个平面内的旋转运动。
本发明机构是轴对称的，其他两处的设计也完全相同，最后三处从动杆的旋转运动通过转向和传递，最终在输出轴307处为连续单方向的旋转输出。
当从动杆104产生反方向的旋转转动时，由于带负载工作，从动杆104带动超越离合器绕轴204空转，其他零部件无动作，输出轴307无输出。当其他两处从动杆的旋转运动速度高于第一旋转副107位置处从动杆104的旋转运动速度时，第六直齿轮306与第五直齿轮305啮合，带动其反方向旋转运动。最后该反方向旋转运动在第一锥齿轮202作用下带动轴204产生反方向的运动，绕第一位置旋转副107反方向旋转。由于从动杆104与超越离合器201固定连接，反方向的运动并不能驱动从动杆104运动，从动杆104保持原有姿态不变化。
由此可见，本发明装置能够在三维空间上运动，在海洋环境中任何时间都有能量输出，可将波浪能的随机无序激励转换为连续的单方向旋转机械运动，通过输出末端输出轴307连接发电机401与蓄能电池将机械运动转换为电能存储。

Claims (6)

1.一种可移动波浪能吸收和转换装置，其特征在于：具有多自由度惯性摆机构、转向机构(2)、传递增速机构(3)以及能量转换装置和存储装置(4)，其中多自由度惯性摆机构(1)的每个输出端通过转向机构(2)与传递增速机构(3)相连，多自由度惯性摆机构的旋转运动通过转向和传递，在传递增速机构(3)的输出端为连续单方向的旋转输出；传递增速机构(3)的输出端接有能量转换和存储装置(4)。
2.按权利要求1所述的可移动波浪能吸收和转换装置，其特征在于：所述多自由度惯性摆机构采用Delta并联惯性摆机构(1)，其以摆锤(101)做为获取波浪能的输入端，以三个旋转副做为三个输出端分别连接各自的转向机构。
3.按权利要求1所述的可移动波浪能吸收和转换装置，其特征在于：所述转向机构具有超越离合器(201)、第一锥齿轮(202)、第二锥齿轮(203)以及轴(204)，超越离合器(201)将Delta并联惯性摆机构的一个旋转副与轴(204)固定连接，绕旋转副转动，第一锥齿轮(202)固定安装在轴(204)上，随轴(204)绕旋转副转动；第二锥齿轮(203)与第一锥齿轮(202)垂直安装啮合，第二锥齿轮(203)与传递增速机构(3)的第一齿轮轴(308)固定连接。
4.按权利要求1所述的可移动波浪能吸收和转换装置，其特征在于：所述传递增速机构(3)包括第一～六直齿轮(301～306)、输出轴(307)以及第一～三齿轮轴(308～310)，其中，第一直齿轮(301)通过第一齿轮轴(308)与转向机构(2)的第二锥齿轮(203)固定在一起，随第二锥齿轮(203)一起转动，第一直齿轮(301)与第二直齿轮(302)啮合，带动第二直齿轮(302)和与其固定的第二齿轮轴(309)一起转动；第三直齿轮(303)与第二直齿轮(302)通过第二齿轮轴(309)固定在一起，并随第二直齿轮(302)一起转动，第三直齿轮(303)与第四直齿轮(304)啮合，带动第四直齿轮(304)和与第四直齿轮(304)固定的第三齿轮轴(310)转动；第五直齿轮(305)与第四直齿轮(304)通过第三齿轮轴固(310)定在一起，并随第四直齿轮(304)一起转动，第五直齿轮(305)与第六直齿轮(306)啮合，带动第六直齿轮(306)和与第六直齿轮(306)固定连接的输出轴(307)转动。
5.按权利要求1所述的可移动波浪能吸收和转换装置，其特征在于：所述能量转换装置为大扭矩低转速微型发电机(401)。
6.按权利要求1所述的可移动波浪能吸收和转换装置，其特征在于：所述可移动波浪能吸收和转换装置整体安装于密闭壳体内，漂浮于洋面上或者悬浮于洋流中。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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