CN106812666B - 风力摆动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种风力摆动能量收集装置，所述能量收集装置包括上部结构和下部结构，所述下部结构包括底座、下永磁体、感应线圈和下磁轭，所述底座的中部设有中心孔，所述底座上设有底座阶梯盲孔，每个底座阶梯盲孔内均安装有下永磁体，所述下永磁体与底座阶梯盲孔的底部之间设有弹性垫片，所述感应线圈套装在下永磁体上，所述下磁轭位于所述下永磁体的上方并固定在底座上，所述下磁轭为扇形，所述下磁轭的底面上设有下磁轭阶梯盲孔，所述下永磁体的上部和感应线圈插入到所述下磁轭阶梯盲孔内；所述上部结构包括上磁轭、上永磁体和风摆，所述上磁轭悬浮在所述下磁轭的上方。本发明提供一种减少了能量消耗、能量收集效率较高的风力摆动能量收集装置。

Description

风力摆动能量收集装置

技术领域

本发明涉及能量收集装置，尤其是涉及一种风力摆动能量收集装置。

背景技术

自然环境中振动无处不在，如人行走时产生上下振动、汽车颠簸、树枝随风摇摆、海浪波动等，其振动能量通常被忽略，或者被减震器等设备吸收。

如果把上述振动产生的能量收集起来，替代电池为一些低功耗设备如微型传感器网络节点或物联网节点供电，既减少电池造成的环境污染又突破了电池寿命对上述节点造成的使用寿命限制。

通过观察，自然环境中多数振动有以下特点可供设计振动能量收集装置时参考：

1.振动频率低。自然环境中的振动最大的特点为低频，其典型振动频率一般在2Hz以下。例如步行频率约为1Hz，慢跑约为2Hz，海面波浪振动周期为0.4秒到数十秒。而目前研究的多数振动能量收集装置的工作频率多数在几十Hz到几百Hz，仅个别可低至2Hz左右。

2.波幅相对大。步行在竖直方向能产生几厘米的振动，海面波高从十几厘米到十几米。其波幅相对一般的高频振动能量收集装置来说过大，远超过其运动部件的运动极限，波浪产生的振动能量多数无法收集。

3.振动参数存在时变和随机性。树枝在多变的风向、风速下，其振幅、周期均发生变动；车辆的颠覆则受路面状况和车速的影响；海浪的振动参数随海况变化很大，以波高为例，在2级海况时波高平均值大约为1.1英尺到1.6英尺；4级海况为5.9英尺到6.6英尺；6级海况为8.9英尺到11.6英尺。而目前多数振动能量收集装置仅能工作在谐振频率附近。

4.多维振动。柔软树枝顺风摆动通常为2维振动；近岸浪由岸底对波浪的阻碍，使得波浪向岸边倒卷形成，为2维振动；风浪是波浪形成区域的海浪，表现为3维振动。设计多维波浪振动能量收集装置的目的在于同时捕获多个方向的振动能量。

发明内容

为了克服已有振动能量收集装置存在能量损耗、能量收集效率较低的不足，本发明提供一种减少了能量消耗、能量收集效率较高的风力摆动能量收集装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种风力摆动能量收集装置，所述能量收集装置包括上部结构和下部结构，所述下部结构包括底座、下永磁体、感应线圈和下磁轭，所述底座的中部设有中心孔，所述底座上设有底座阶梯盲孔，所述底座阶梯盲孔设置有2N+2个，N为正整数，2N+2个底座阶梯盲孔等圆弧且相互间隔的布置在中心孔外一周上，每个底座阶梯盲孔内均安装有下永磁体，所述下永磁体与底座阶梯盲孔的底部之间设有弹性垫片，所述感应线圈套装在下永磁体上，所述下磁轭位于所述下永磁体的上方并固定在底座上，所述下磁轭为扇形，所述下磁轭的底面上设有下磁轭阶梯盲孔，所述下永磁体的上部和感应线圈插入到所述下磁轭阶梯盲孔内，所述下永磁体顶部平面与所述下磁轭阶梯盲孔最深处的平面贴合，所述下磁轭也设置有2N+2个，N为正整数，2N+2个下磁轭的上表面组成一个下凹的圆锥面；

所述上部结构包括上磁轭、上永磁体和风摆，所述上磁轭悬浮在所述下磁轭的上方，所述上磁轭的中部设有上磁轭盲孔，所述上永磁体安装在所述上磁轭盲孔内，所述上永磁体底部平面与所述上磁轭盲孔最深处的平面贴合，所述上磁轭的下表面为一个下凸的圆锥面，所述上磁轭的圆锥面与2N+2个下磁轭组成的圆锥面大小相同并相互匹配，所述风摆通过细柱固定在上永磁体的正上方；所述下永磁体的上端磁极与上永磁体的下端磁极的磁性相同；

所述底座、弹性垫片、细柱、风摆均为非磁性材料制成。

进一步，所述上磁轭、下磁轭均为软磁材料制成；所述上永磁体、下永磁体均采用高矫顽力永磁材料制成。

再进一步，所述底座阶梯盲孔与所述底座的中心孔之间通过引线槽连通。

再进一步，所述底座阶梯盲孔设置有四个，所述下永磁体设置有四个，所述感应线圈设置有四个，所述弹性垫片设置有四片，所述下磁轭设置有四个，一个感应线圈对应一个下永磁体，一个下永磁体对应一个下底座阶梯盲孔，一个底座阶梯盲孔对应一片弹性垫片，一个下磁轭对应一个下永磁体，四个下磁轭的上表面组成一个下凹的圆锥面。

再进一步，所述下磁轭粘接在所述底座上。

再进一步，相对两个下永磁体的感应线圈的异名端串联。

更进一步，所述风摆包括底圆板和摆叶，所述摆叶固定在所述底圆板的顶面，所述底圆板的底面与细柱的上端面固定连接，所述细柱的下端面与上磁轭的上表面固定连接，所述底圆板的外径与上磁轭的外径相同。

本发明的有益效果主要表现在：一方面利用非固定联接的磁悬浮结构获得两个方向上的转动自由度，实现摆动能量的捕获；另一方面，利用磁悬浮方式消除了摩擦、减少了能量损耗；另外，通过将相对的两个感应线圈异名端串联，提高能量收集效率。

附图说明

图1是风力摆动能量收集装置的结构示意图，其中未显示其中一个下磁轭。

图2是底座在一个方向上的立体图。

图3是底座在另一个方向上的立体图。

图4是下磁轭在一个方向上的立体图。

图5是下磁轭在另一个方向上的立体图。

图6是上磁轭的结构示意图。

图7是风摆的结构示意图。

图8是弹性垫片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种风力摆动能量收集装置，所述能量收集装置包括上部结构和下部结构，所述下部结构包括底座1、下永磁体3、感应线圈2和下磁轭4，所述底座1的中部设有中心孔，所述底座1上设有底座阶梯盲孔，所述底座阶梯盲孔设置有2N+2个，N为正整数，2N+2个底座阶梯盲孔等圆弧且相互间隔的布置在中心孔外一周上，每个底座阶梯盲孔内均安装有下永磁体3，所述下永磁体3与底座阶梯盲孔的底部之间设有弹性垫片8，所述感应线圈2套装在下永磁体上，所述下磁轭4位于所述下永磁体3的上方并固定在底座1上，所述下磁轭4为扇形，所述下磁轭4的底面上设有下磁轭阶梯盲孔，所述下永磁体3的上部和感应线圈2插入到所述下磁轭阶梯盲孔内，所述下永磁体3顶部平面与所述下磁轭4阶梯盲孔最深处的平面贴合，所述下磁轭4也设置有2N+2个，N为正整数，2N+2个下磁轭的上表面组成一个下凹的圆锥面；

所述上部结构包括上磁轭5、上永磁体6和风摆7，所述上磁轭5悬浮在所述下磁轭4的上方，所述上磁轭5的中部设有上磁轭盲孔，所述上永磁体6安装在所述上磁轭盲孔内，所述上永磁体6底部平面与所述上磁轭5盲孔最深处的平面贴合，所述上磁轭5的下表面为一个下凸的圆锥面，所述上磁轭5的圆锥面与N个下磁轭组成的圆锥面大小相同并相互匹配，所述风摆7通过细柱固定在上永磁体6的正上方；所述下永磁体3的上端磁极与上永磁体6的下端磁极的磁性相同；

所述底座1、弹性垫片8、细柱、风摆7均为非磁性材料制成。

进一步，所述上磁轭5、下磁轭4均为软磁材料制成；所述上永磁体6、下永磁体3均采用高矫顽力永磁材料制成。

再进一步，所述底座阶梯盲孔与所述底座1的中心孔之间通过引线槽连通。

再进一步，所述底座阶梯盲孔设置有四个，所述下永磁体3设置有四个，所述感应线圈2设置有四个，所述弹性垫片8设置有四片，所述下磁轭4设置有四个，一个感应线圈对应一个下永磁体，一个下永磁体对应一个下底座阶梯盲孔，一个底座阶梯盲孔对应一片弹性垫片，一个下磁轭对应一个下永磁体，四个下磁轭的上表面组成一个下凹的圆锥面。

再进一步，所述下磁轭4粘接在所述底座上。

再进一步，相对两个下永磁体的感应线圈的异名端串联。

更进一步，所述风摆7包括底圆板和摆叶，所述摆叶固定在所述底圆板的顶面，所述底圆板的底面与细柱的上端面固定连接，所述细柱的下端面与上磁轭5的上表面固定连接，所述底圆板的外径与上磁轭5的外径相同。

所述弹性垫片8共四片，分别置于底座1上四个底座阶梯盲孔的底部；所述下永磁体3共有相同的四个，分别置于底座上四个底座阶梯盲孔之内以及弹性垫片8之上，四个下永磁体3均有N极和S极，四个下永磁体3的N极均朝上或者朝下；感应线圈2有相同的四个，感应线圈2位于底座1上四个底座阶梯盲孔的阶梯位置上，感应线圈2的进线和出线可沿底座阶梯盲孔侧面的引线槽引出自底座的中心孔之下；所述四个下永磁体3和四个感应线圈2之上分别安置四个下磁轭4；同时下磁轭4也置于底座1之上，通过粘接等方式实现连接；由于所述弹性垫片8具有弹性，同时实现下永磁体3的下部与所述底座阶梯盲孔内的弹性垫片8贴合，下永磁体3的上部与所述下磁轭阶梯盲孔的底部贴合；在其安装位置上，四个下磁轭4的上表面位于同一圆锥面上；上磁轭5的下表面也呈一圆锥面上，与所述四个下磁轭4的上表面组成的圆锥面有相同形状和尺寸；所述上永磁体6有N极和S极，如果所述下永磁体3的N极在上则所述上永磁体6的N极在下；如果所述下永磁体3的S极在上则所述上永磁体6的S极在下；所述上磁轭5通过粘接等方式与上方风摆7固定连接，风摆7在风力作用下产生摆动，便于能量收集。

本发明的技术构思为：本发明静止时，处于其平衡位置，上磁轭5与下磁轭4由于各自所连接的上永磁体6和下永磁体3的作用，形成斥力，该斥力平衡了装置上部的上磁轭5、上永磁体6和风摆7的重力，并且上磁轭5与四个下磁轭4的间隔相等。在外界振动、扰动作用下，装置上部与装置下部的相对位置发生变化，发生转动或者移动，由于上磁轭5与下磁轭4较接近，此相对运动以转动为主，形成与上磁轭5圆锥面轴线垂直的两个方向上的摆动。在摆动作用下，使得上磁轭5与四个下磁轭4之间的间隔变化，间隔增大处，斥力下降；间隔减小处，斥力上升，形成与其偏移平衡位置相反的力矩，使其运动减速，进而使其发生相反方向的转动，形成摆动。由于高矫顽力永磁体间相互接近时的斥力往往可达其重量的百倍以上，故所述装置上部具有很强的在平衡位置附近摆动振荡的倾向，不会轻易倾倒。为摆动时线圈2磁通的变化，考虑下面四种情形：

1)上磁轭5居于各下磁轭4之中，也就是处于平衡位置。上磁轭5与各下磁轭4之间的气隙宽度均相等时。各下磁轭4上的磁感应强度相等，各感应线圈2磁通相等，各下磁轭4对上磁轭5的斥力相等。

2)摆动使得上磁轭5圆锥面与各下磁轭4组成圆锥面的相距最近处位于某个下磁轭4中间位置。相较平衡位置，安装于该下磁轭4中的感应线圈2的磁通下降；安装于该磁轭相对位置的下磁轭4中的感应线圈2磁通上升；另两个下磁轭4中的感应线圈2上的磁通由于其退磁曲线的非线性可能上升也可能下降，但变化幅度远小于前两下磁轭4的变化幅度。

3)摆动使得上磁轭5圆锥面与各下磁轭4组成圆锥面的相距最近处位于某两个下磁轭4间隙的中间位置。相较平衡位置，安装于该两下磁轭4中的感应线圈2的磁通下降；安装于另两下磁轭4中的感应线圈2磁通上升。

4)摆动使得上磁轭5圆锥面与各下磁轭4组成圆锥面的相距最近处位于某个下磁轭4中间到包含该下磁轭4的某两个下磁轭4间隙中间之间的位置，这种情形为情形2)和3)的中间情形。相较平衡位置，该两下磁轭4中，安装于前者的感应线圈2的磁通下降，安装与后者的感应线圈2的磁通根据其退磁曲线可能下降也可能上升，如果上升其变化幅度应很小，并说明此时接近与情形2)。与上述两下磁轭4中前者相对的下磁轭4，安装其中的感应线圈2磁通上升；与上述两下磁轭4中后者相对的下磁轭4，安装其中的感应线圈2磁通根据其退磁曲线可能下降也可能上升，如果下降其变化幅度应很小，并说明此时接近与情形2)。

根据上述分析，设计两种感应线圈2间连接的方案：

1)由于在摆动过程中各感应线圈2磁通均有变化，可将各感应线圈2感应电动势独立整流以后在叠加，这样获得的电压有较大的整流损耗。

2)综合以上四种情形下各感应线圈2磁通的分析，如果两相对线圈2上的磁通变化较另外两感应线圈2明显显著，则此两相对感应线圈2上产生相反电动势；而另外两感应线圈2的电动势虽然由于退磁曲线的非线性可能不是相反的，但产生的电动势绝对值远小于前两感应线圈2的电动势绝对值。于是，将相对两个磁轭上的感应线圈2异名端串联，得到的两个串联后的电动势，分别进行整流后叠加，相对前一种方案可减少整流造成的电压损耗，有利于提高能量收集效率。

本发明利用相距越近，相斥永磁体磁感应强度均越明显下降的物理特性；进一步采取提高系统内部能量转换效率的措施，使其能在风力导致的低频、慢速、多维摆动下产生较高输出功率；该微型装置可利用风力导致摆动，并通过摆动收集能量为传感器网络节点等小型电子设备供电。

本发明一是结构简单，各个零件制造比较方便；二是设计比较合理，安装比较方便，三是实现风力导致的二维摆动能量收集；四是通过消除摩擦和合理连接感应线圈2提高能量收集效率。

Claims (7)

1.一种风力摆动能量收集装置，其特征在于：所述能量收集装置包括上部结构和下部结构，所述下部结构包括底座、下永磁体、感应线圈和下磁轭，所述底座的中部设有中心孔，所述底座上设有底座阶梯盲孔，所述底座阶梯盲孔设置有2N+2个，N为正整数，2N+2个底座阶梯盲孔等圆弧且相互间隔的布置在中心孔外一周上，每个底座阶梯盲孔内均安装有下永磁体，所述下永磁体与底座阶梯盲孔的底部之间设有弹性垫片，所述感应线圈套装在下永磁体上，所述下磁轭位于所述下永磁体的上方并固定在底座上，所述下磁轭为扇形，所述下磁轭的底面上设有下磁轭阶梯盲孔，所述下永磁体的上部和感应线圈插入到所述下磁轭阶梯盲孔内，所述下永磁体顶部平面与所述下磁轭阶梯盲孔最深处的平面贴合，所述下磁轭也设置有2N+2个，N为正整数，2N+2个下磁轭的上表面组成一个下凹的圆锥面；

所述上部结构包括上磁轭、上永磁体和风摆，所述上磁轭悬浮在所述下磁轭的上方，所述上磁轭的中部设有上磁轭盲孔，所述上永磁体安装在所述上磁轭盲孔内，所述上永磁体底部平面与所述上磁轭盲孔最深处的平面贴合，所述上磁轭的下表面为一个下凸的圆锥面，所述上磁轭的圆锥面与2N+2个下磁轭组成的圆锥面大小相同并相互匹配，所述风摆通过细柱固定在上永磁体的正上方；所述下永磁体的上端磁极与上永磁体的下端磁极的磁极相同；

所述底座、弹性垫片、细柱、风摆均为非磁性材料制成。

2.如权利要求1所述的风力摆动能量收集装置，其特征在于：所述上磁轭、下磁轭均为软磁材料制成；所述上永磁体、下永磁体均采用高矫顽力永磁材料制成。

3.如权利要求1或2所述的风力摆动能量收集装置，其特征在于：所述底座阶梯盲孔与所述底座的中心孔之间通过引线槽连通。

4.如权利要求1或2所述的风力摆动能量收集装置，其特征在于：所述底座阶梯盲孔设置有四个，所述下永磁体设置有四个，所述感应线圈设置有四个，所述弹性垫片设置有四片，所述下磁轭设置有四个，一个感应线圈对应一个下永磁体，一个下永磁体对应一个下底座阶梯盲孔，一个底座阶梯盲孔对应一片弹性垫片，一个下磁轭对应一个下永磁体，四个下磁轭的上表面组成一个下凹的圆锥面。

5.如权利要求1或2所述的风力摆动能量收集装置，其特征在于：所述下磁轭粘接在所述底座上。

6.如权利要求1或2所述的风力摆动能量收集装置，其特征在于：相对两个下永磁体的感应线圈的异名端串联。

7.如权利要求1或2所述的风力摆动能量收集装置，其特征在于：所述风摆包括底圆板和摆叶，所述摆叶固定在所述底圆板的顶面，所述底圆板的底面与细柱的上端面固定连接，所述细柱的下端面与上磁轭的上表面固定连接，所述底圆板的外径与上磁轭的外径相同。