CN107681864B - 复合式旋转能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能量收集器，包括：底座；固定在所述底座内的电磁线圈；固定在所述底座中心的圆盘形定子磁铁；固定在所述底座上的摩擦片固定环；至少一个固定在所述摩擦片固定环内侧面上的摩擦片单元，底部与所述电磁线圈接触的圆盘形转子磁铁，其中，所述圆盘形转子磁铁被所述圆盘形定子磁铁吸住，而且，所述圆盘形转子磁铁的外表面与所述圆盘形定子磁铁的外表面相切；及固定在所述圆盘形转子磁铁上的环状摩擦片；其中，所述环状摩擦片与摩擦片由不同极性的材料制成。上述能量收集器，结构简单、电能输出效率高。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集，特别是涉及能量收集器。
背景技术
无线传感网络技术在军事、智能交通、环境监测等方面得到了广泛的应用。传感器节点部署环境的复杂性和实际应用要求的特殊性，决定了节点电源不能利用正常的电力系统进行供电，采用电池供电的方式又存在着成本高、寿命短、更换麻烦等问题。自然环境中具有各种丰富的能源，能量收集技术是一种从外部环境中获取能量转化为电能的技术，是解决无线传感节点供电问题的潜在方式。收集环境动能并转化成电能，具有绿色环保、来源广泛、能够长期工作的优势。
然而由于环境中的振动源普遍频率低且频带宽，振动幅值、频率和方向的随机性大，当前谐振式振动能量收集器往往具有较窄的工作频带和单一振动方向，因此普遍存在的问题是适用振动范围窄、输出功率密度低，难以满足无线传感节点的自供电需求。
传统技术存在以下技术问题：
目前在振动能量收集装置普遍工作频率高(大于10Hz)，且具有较窄的工作频带和单一振动方向，环境适应性差。装置在小于10Hz的低频振动环境下电量输出低，单一机理的能量收集器输出受到限制，无法满足低功耗传感节点的供电需求。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能量收集器，结构简单、电能输出效率高。
一种能量收集器，其特征在于，包括：
底座；
固定在所述底座内的电磁线圈；
固定在所述底座中心的圆盘形定子磁铁；
固定在所述底座上的摩擦片固定环；
至少一个固定在所述摩擦片固定环内侧面上的摩擦片单元，其中，所述摩擦片单元包括导电金属片和紧贴所述导电金属片一面上的摩擦片或者所述摩擦片单元包括弹性衬底、位于所述弹性衬底一面上的导电金属片和紧贴所述导电金属片的摩擦片或者所述摩擦片单元包括导电金属片和分别紧贴所述导电金属片两面的两个摩擦片或者所述摩擦片单元包括弹性衬底、分别位于所述弹性衬底两面上的两个导电金属片和分别紧贴所述两个导电金属片的两个摩擦片；
底部与所述电磁线圈接触的圆盘形转子磁铁，其中，所述圆盘形转子磁铁被所述圆盘形定子磁铁吸住，而且，所述圆盘形转子磁铁的外表面与所述圆盘形定子磁铁的外表面相切；及
固定在所述圆盘形转子磁铁上的环状摩擦片；
其中，所述环状摩擦片与摩擦片由不同极性的材料制成。
上述能量收集器，结构简单、电能输出效率高。
在另外的一个实施例中，所述摩擦片由氟化乙烯丙烯共聚物制成，所述环状摩擦片由铜制成。
在另外的一个实施例中，所述摩擦片单元的数量为两个或三个或四个，环状均匀分布在所述摩擦片固定环内侧面上。
在另外的一个实施例中，所述底座内环状均匀分布有四个电磁线圈凹槽；所述电磁线圈由4个串联在一起的第一电磁线圈组成；四个所述第一电磁线圈组分别固定在四个所述电磁线圈凹槽内。
在另外的一个实施例中，所述导电金属片是铜片。
在另外的一个实施例中，所述弹性衬底由橡胶或者纸片或者塑料制成。
在另外的一个实施例中，所述摩擦片固定环包括四个固定在一起的摩擦片固定环片；所述摩擦片固定环片包括摩擦片固定环片主体和由所述摩擦片固定环片主体两端分别延伸形成的固定耳朵；所述固定耳朵上具有固定通孔；两个相邻的所述摩擦片固定环片利用螺栓穿过各自的固定耳朵上的固定通孔固定连接。
在另外的一个实施例中，所述摩擦片固定环包括两个固定在一起的摩擦片固定环片；所述摩擦片固定环片包括摩擦片固定环片主体和由所述摩擦片固定环片主体两端分别延伸形成的固定耳朵；所述固定耳朵上具有固定通孔；两个所述摩擦片固定环片利用螺栓穿过各自的固定耳朵上的固定通孔固定连接。
在另外的一个实施例中，所述圆盘形定子磁铁通过螺栓固定在所述固定在所述底座中心或者所述圆盘形定子磁铁通过固定胶粘在所述底座中心。
在另外的一个实施例中，还包括盖住所述摩擦片固定环的顶盖。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种能量收集器的结构示意图(去除顶盖)。
图2为本申请实施例提供的一种能量收集器的结构示意图(去除顶盖、摩擦片固定环和摩擦片单元)。
图3为本申请实施例提供的一种能量收集器中的摩擦片固定环和摩擦片单元的结构示意图。
图4为本申请实施例提供的一种能量收集器中的顶盖的结构示意图。
图5为本申请实施例提供的一种能量收集器工作原理的动态示意图。
图6为本申请实施例提供的一种能量收集器的电磁发电部分的实验测试图。
图7为本申请实施例提供的一种能量收集器的摩擦发电部分的实验测试图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1，一种能量收集器，包括：底座；固定在所述底座内的电磁线圈；固定在所述底座中心的圆盘形定子磁铁；固定在所述底座上的摩擦片固定环；至少一个固定在所述摩擦片固定环内侧面上的摩擦片单元，底部与所述电磁线圈接触的圆盘形转子磁铁，其中，所述圆盘形转子磁铁被所述圆盘形定子磁铁吸住，而且，所述圆盘形转子磁铁的外表面与所述圆盘形定子磁铁的外表面相切；及固定在所述圆盘形转子磁铁上的环状摩擦片；其中，所述环状摩擦片与摩擦片由不同极性的材料制成。
本实施例中不对底座的形状不做限制，图1中的底座只是一个可能的示例，可以根据底座的作用做出适当的变形。
请参阅图1和图2，另外的一个实施例中，所述底座内环状均匀分布有四个电磁线圈凹槽；所述电磁线圈由4个串联在一起的第一电磁线圈组成；四个所述第一电磁线圈组分别固定在四个所述电磁线圈凹槽内。这样的话，这样的线圈分布被圆盘形转子磁铁切割产生的电压大。可以理解，本实施例中只是给出一个可能的例子。例如，电磁线圈是一个整体的电磁线圈或者由2个串联在一起的小电磁线圈组成，本领域技术人员可以根据实际需要作出适当的变形。
在另外的一个实施例中，所述圆盘形定子磁铁通过螺栓固定在所述固定在所述底座中心或者所述圆盘形定子磁铁通过固定胶粘在所述底座中心。当然，所述圆盘形定子磁铁也可以通过其他的方式固定在所述固定在所述底座中心，比如卡扣。
对于固定在所述底座上的摩擦片固定环可以采用胶水把摩擦片固定环固定在所述底座上，当然也可以采用卡扣的方式。
参阅图3，在另外的一个实施例中，所述摩擦片固定环包括四个固定在一起的摩擦片固定环片；所述摩擦片固定环片包括摩擦片固定环片主体和由所述摩擦片固定环片主体两端分别延伸形成的固定耳朵；所述固定耳朵上具有固定通孔；两个相邻的所述摩擦片固定环片利用螺栓穿过各自的固定耳朵上的固定通孔固定连接。这样的话，摩擦片固定环方便拆卸，方便组装。
在另外的一个实施例中，所述摩擦片固定环包括两个固定在一起的摩擦片固定环片；所述摩擦片固定环片包括摩擦片固定环片主体和由所述摩擦片固定环片主体两端分别延伸形成的固定耳朵；所述固定耳朵上具有固定通孔；两个所述摩擦片固定环片利用螺栓穿过各自的固定耳朵上的固定通孔固定连接。这样的话，摩擦片固定环方便拆卸，方便组装。
在另外的一个实施例中，所述摩擦片单元的数量为两个或三个或四个，环状均匀分布在所述摩擦片固定环内侧面上。其中，所述摩擦片单元的数量为两个时发电效果较优。
其中，所述摩擦片单元包括导电金属片和紧贴所述导电金属片一面上的摩擦片(第一种结构，导电金属片-摩擦片)或者所述摩擦片单元包括弹性衬底、位于所述弹性衬底一面上的导电金属片和紧贴所述导电金属片的摩擦片(第二种结构，弹性衬底-导电金属片-摩擦片)或者所述摩擦片单元包括导电金属片和分别紧贴所述导电金属片两面的两个摩擦片(第三种结构，摩擦片-导电金属片-摩擦片)或者所述摩擦片单元包括弹性衬底、分别位于所述弹性衬底两面上的两个导电金属片和分别紧贴所述两个导电金属片的两个摩擦片(第四种结构，摩擦片-导电金属片-弹性衬底-导电金属片-摩擦片)。
对于包含两个摩擦片的结构，对于圆盘形转子磁铁无论是什么方向旋转摩擦时都可以发电。对于只包含一个摩擦片的结构，对于圆盘形转子磁铁只能是与摩擦片可以摩擦的方向进行旋转摩擦时都可以发电，也就是说，只能单方向摩擦发电。
对于包含弹性衬底的结构，由于弹性衬底的作用，摩擦片单元被圆盘形转子磁铁撞击后可以回复到原位置，保证下次撞击摩擦时摩擦的接触面积还是保持最大。
可以理解，当所述摩擦片单元的数量为至少两个时，所述摩擦片单元可以采用把四种结构进行任意组合。
在另外的一个实施例中，所述导电金属片是铜片。
在另外的一个实施例中，所述弹性衬底由橡胶或者纸片或者塑料制成。
所述环状摩擦片与摩擦片由不同极性的材料制成也就意味着环状摩擦片与摩擦片是极性相反的摩擦材料制成。可以理解，所述环状摩擦片可以是正极性摩擦材料，相对地，所述摩擦片是负极性摩擦材料。当然，所述环状摩擦片可以是负极性摩擦材料，相对地，所述摩擦片是正极性摩擦材料。环状摩擦片与摩擦片摩擦时，正极性摩擦材料表面带有正电荷，负极性摩擦材料表面带有负电荷。
另外的一个实施例中，所述正、负极性摩擦材料电极为电阻率小于1mΩ·cm的金属、合金或金属氧化物。另外的一个实施例中，所述正极性摩擦材料为容易失去电子带正电荷的材料，选自氧化硅、玻璃、尼龙、金属铝、金属铜或金属金。另外的一个实施例中，所述负极性摩擦材料为容易得到电子带负电荷的材料，选自聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
在另外的一个实施例中，所述摩擦片由氟化乙烯丙烯共聚物制成，所述环状摩擦片由铜制成。
参阅图4，在另外的一个实施例中，还包括盖住所述摩擦片固定环的顶盖800。可以防止圆盘形转子磁铁绕圆盘形定子磁铁旋转时，由于转速较快飞出底座，也就是说，限制了圆盘形转子磁铁的非圆周位移。顶盖800可以与所述摩擦片固定环固定在一起(固定胶或者卡扣等等固定方式)。也可以通过螺栓穿过顶盖800上的通过然后穿过所述圆盘形定子磁铁上的通孔固定在所述底座上。在包括顶盖800的实施例中，摩擦片固定环与底座的固定方式也可以不采用上述实施例的做法(胶水或者卡扣)，螺栓穿过顶盖800上的通过然后穿过所述圆盘形定子磁铁上的通孔固定在所述底座上，同时顶盖800和底座夹住所述摩擦片固定环，这样的话，复合式旋转能量收集器组装更灵活。
下面介绍本申请实施的一个具体应用场景：
参阅图1到图4，一种能量收集器，包括：底座100；固定在所述底座内的电磁线圈200；固定在所述底座中心的圆盘形定子磁铁300；固定在所述底座上的摩擦片固定环400；环状均匀分布在所述摩擦片固定环内侧面的两个摩擦片单元500，所述摩擦片单元包括弹性衬底、分别位于所述弹性衬底两面上的两个导电金属片和分别紧贴所述两个导电金属片的两个摩擦片，所述弹性衬底由纸片制成，所述导电金属片是铜片，所述摩擦片由氟化乙烯丙烯共聚物制成；底部与所述电磁线圈接触的圆盘形转子磁铁，其中，所述圆盘形转子磁铁被所述圆盘形定子磁铁吸住，而且，所述圆盘形转子磁铁的外表面与所述圆盘形定子磁铁的外表面相切；固定在所述圆盘形转子磁铁上的环状摩擦片700，所述环状摩擦片由铜制成；以及盖住所述摩擦片固定环的顶盖800。所述底座内环状均匀分布有四个电磁线圈凹槽；所述电磁线圈由4个串联在一起的第一电磁线圈组成；四个所述第一电磁线圈组分别固定在四个所述电磁线圈凹槽内。所述摩擦片固定环包括四个固定在一起的摩擦片固定环片；所述摩擦片固定环片包括摩擦片固定环片主体410和由所述摩擦片固定环片主体两端分别延伸形成的固定耳朵420；所述固定耳朵上具有固定通孔421；两个相邻的所述摩擦片固定环片利用螺栓穿过各自的固定耳朵上的固定通孔固定连接。
图5为本申请实施例提供的一种能量收集器工作原理的动态示意图，表示了圆盘形转子磁铁绕圆盘形定子磁铁旋转几乎一整圈的示意图(上半部分从左到右，下半部分从右到左)。
图6和图7为本申请实施例提供的一种能量收集器的实验测试图，为将该装置固定于人的脚踝上时，人在跑步机上以时速2,4,6,8km/h跑步的状态下，电磁发电部分(圆盘形转子磁铁与电磁线圈摩擦发电)和摩擦电效应部分(摩擦片和环状摩擦片摩擦发电)的输出电压图。
本申请复合式旋转能量收集器引入定子磁铁和转子磁铁，在外界低频随机激励下，转子磁铁绕着定子磁铁进行旋转，同时与呈圆周分布的电磁线圈发生相对运动，从而产生电能输出。定子磁铁与转子磁铁皆为有一定厚度的圆盘形结构。定子磁铁位于中心，由于磁铁间的相互吸引力，转子磁铁吸附在定子磁铁的边缘。外界的微小扰动即可激励转子磁铁紧贴定子磁铁边缘做往复(先一个方向转动，再另一方向转动)或圆周运动。该装置转子的转动不需要其他辅助旋转结构，且转动时其摩擦阻力远小于其他间隙配合的旋转结构，如轴承等。复合式旋转能量收集器在转子磁铁上固定了金属铜箔制成的铜环，当转子磁铁快速往复旋转时都可与固定在装置壁上的由氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)铜箔电极和衬底制成的摩擦片发生摩擦，产生摩擦电效应，从而产生电能够输出。以转子磁铁和定子磁铁为媒介，结合电磁发电和摩擦电效应的原理，设计了一种复合式的旋转能量收集器。
本申请复合式旋转能量收集器无需弹簧、轴承等其他额外的辅助振动、旋转结构来实现转子磁铁与线圈的相对运动，利用磁铁间相互吸引力不仅结构简单，且摩擦阻力微小，从而在微小扰动激励下非常容易实现往复和旋转运动；可以实现在不同激振方向的能量收集和不同激振频率的高效输出，工作频率低、频带宽、适用范围广；该装置的振动环境适应性强，应用范围广；不仅可以应用于较复杂振动工况的能量收集，同时也可应用于人体随机动能收集，以及海洋波浪能收集；这些环境动能的特点是振动频率低、振动幅值、频率和方向随机性大的特点；该装置工作时，即转子磁铁旋转时，电磁发电与摩擦电效应同时发生，提高了电能输出效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种能量收集器，其特征在于，包括：
底座；
固定在所述底座内的电磁线圈；
固定在所述底座中心的圆盘形定子磁铁；
固定在所述底座上的摩擦片固定环；
至少一个固定在所述摩擦片固定环内侧面上的摩擦片单元，其中，所述摩擦片单元包括导电金属片和紧贴所述导电金属片一面上的摩擦片或者所述摩擦片单元包括弹性衬底、位于所述弹性衬底一面上的导电金属片和紧贴所述导电金属片的摩擦片或者所述摩擦片单元包括导电金属片和分别紧贴所述导电金属片两面的两个摩擦片或者所述摩擦片单元包括弹性衬底、分别位于所述弹性衬底两面上的两个导电金属片和分别紧贴所述两个导电金属片的两个摩擦片；
底部与所述电磁线圈接触的圆盘形转子磁铁，其中，所述圆盘形转子磁铁被所述圆盘形定子磁铁吸住，而且，所述圆盘形转子磁铁的外表面与所述圆盘形定子磁铁的外表面相切；及
固定在所述圆盘形转子磁铁上的环状摩擦片；
其中，所述环状摩擦片与摩擦片由不同电极性的材料制成；
所述摩擦片由氟化乙烯丙烯共聚物制成，所述环状摩擦片由铜制成；
所述摩擦片单元的数量为两个或三个或四个，环状均匀分布在所述摩擦片固定环内侧面上。
2.根据权利要求1所述的能量收集器，其特征在于，所述底座内环状均匀分布有四个电磁线圈凹槽；所述电磁线圈由4个串联在一起的第一电磁线圈组成；四个所述第一电磁线圈组分别固定在四个所述电磁线圈凹槽内。
3.根据权利要求1所述的能量收集器，其特征在于，所述导电金属片是铜片。
4.根据权利要求1所述的能量收集器，其特征在于，所述弹性衬底由橡胶或者纸片或者塑料制成。
5.根据权利要求1所述的能量收集器，其特征在于，所述摩擦片固定环包括四个固定在一起的摩擦片固定环片；所述摩擦片固定环片包括摩擦片固定环片主体和由所述摩擦片固定环片主体两端分别延伸形成的固定耳朵；所述固定耳朵上具有固定通孔；两个相邻的所述摩擦片固定环片利用螺栓穿过各自的固定耳朵上的固定通孔固定连接。
6.根据权利要求1所述的能量收集器，其特征在于，所述摩擦片固定环包括两个固定在一起的摩擦片固定环片；所述摩擦片固定环片包括摩擦片固定环片主体和由所述摩擦片固定环片主体两端分别延伸形成的固定耳朵；所述固定耳朵上具有固定通孔；两个所述摩擦片固定环片利用螺栓穿过各自的固定耳朵上的固定通孔固定连接。
7.根据权利要求1所述的能量收集器，其特征在于，所述圆盘形定子磁铁通过螺栓固定在所述固定在所述底座中心或者所述圆盘形定子磁铁通过固定胶粘在所述底座中心。
8.根据权利要求1所述的能量收集器，其特征在于，还包括盖住所述摩擦片固定环的顶盖。
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