CN109026508A - 一种磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，该装置整体结构为对称结构，包括固定块，传动轴从下到上依次穿过漂浮体、支撑板、下端板、固定块和上端板，固定块通过过盈配合固定在传动轴上，上端板和下端板通过中心对称的支撑轴连接，两根导杆分别穿过固定块两端的通孔，上弹簧、下弹簧垂直套在导杆上，超磁致伸缩薄片的一端固定在固定块侧面上的矩形凹槽中，超磁致伸缩薄片的另一端上安装有质量块，拾取线圈缠绕在超磁致伸缩薄片上。本发明通过传动轴带动固定块的上下摆动为超磁致伸缩薄片提供振动，用拾取线圈来拾取发电过程产生的电能，实现了将波浪起伏运动过程产生的振动能量转化为电能输出的能量收集过程。
Description
技术领域
本发明属于振动发电领域，具体涉及一种将波浪振动转化为电能的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置。
背景技术
人类社会快速发展，能源问题已经成为21世纪人类面临的最大挑战。海洋作为地球上最大的资源宝库，其蕴含的潮汐能、波浪能、风能都是可再生能源。波浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一，且是能量密度较高的能源，对于波浪能的开发已经成为新能源开发的热潮。
磁致伸缩材料是20世纪70年代出现的新型稀土功能材料，是一种具有磁致伸缩效应的磁（电）机转换材料，它的饱和磁致伸缩系数通常为 10-6。维拉里发现铁磁材料在发生形变或受到外力作用时会导致材料内部的磁化状态发生改变，这一现象称为磁致伸缩逆现象，也叫Villari效应。
磁致伸缩材料可以实现机械能与电（磁）能间的双向转换，利用磁致伸缩材料受到外力作用时发生Villari效应这一特性，对波浪中的振动能量进行收集，将振动机械能转化为变化的磁能，再根据法拉第电磁效应，可以实现将振动机械能转换为电能。磁致伸缩材料的机电耦合系数可达0.75，因而能量转换效率更高；它在室温下有高达0.15%的应变量，相同振幅下可产生更高的电压。目前在针对波浪振动能量收集装置的研究中，关于利用压电材料实现对无线传感网络节点供能的研究较多。例如，在2014年海洋技术学报第33卷第6期的90-95页发表的浮标式波浪能压电发电技术研究中，杜小振等设计了凸轮机构进行机械动力传递，利用压电功能材料的压电效应将波浪能转换为电能输出。在2011年水力发电学报第30卷第5期的145-148页发表的海洋波浪压电发电装置的进展研究中，张永良和林政设计了具有独立功能的分离式浮体组合，提高了波能的吸收效率。但是目前尚无有关利用磁致伸缩材料实现波浪振动能量收集的报道。
发明内容
发明目的：
为了进一步提高对波浪振动能量的吸收效率以提高对无线传感网络节点的供能，设计了以磁致伸缩材料为核心元件，通过传动轴带动固定块的上下摆动为超磁致伸缩薄片提供振动，用拾取线圈拾取磁通变化而产生电能的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，从而达到将波浪起伏运动过程中的振动能量转化为电能的目的。
技术方案：
一种磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，该轴对称结构波浪振动发电装置包括固定块，传动轴从下到上依次穿过漂浮体、支撑板、下端板、固定块和上端板，固定块通过过盈配合固定在上端板与下端板之间的传动轴上，上端板和下端板通过偶数跟中心对称的支撑轴固定连接；两根导杆从上到下依次穿过上端板、固定块和下端板前后两端的通孔，上弹簧、下弹簧垂直套在导杆上，超磁致伸缩薄片的一端固定在固定块侧面上的矩形凹槽中，超磁致伸缩薄片的另一端上安装有质量块，拾取线圈缠绕在超磁致伸缩薄片上。
所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，中间为长方体、两侧带有薄片凸耳的固定块整体为对称结构，固定块在中心位置处沿高度方向打有贯穿的圆柱形孔，传动轴穿过固定块中心位置处的圆柱形孔通过过盈配合固定，固定块前后两端设有通孔的凸耳，固定块左右两侧面设有四个矩形凹槽，在矩形凹槽上沿高度方向打有贯穿的螺纹孔。
所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，呈长方体的上端板与下端板的结构相同，长方体上下面四角处设有数个与支撑轴对应的螺纹通孔，中心位置处设有中心通孔，中心通孔前后两侧对称打有两个通孔。
所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，圆柱薄片状的支撑板在中心处打有一个通孔，周向打数个与支撑轴对应的螺纹孔，支撑板的螺纹孔与下端板上的螺纹通孔位置一一对应。
所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，圆柱状导杆的上端带有外螺纹，两根导杆的下端分别安装在下端板上中心通孔两侧的两个通孔中，两根导杆的上端分别安装在上端板上中心通孔两侧的两个通孔中，通过螺母使导杆上端固定在上端板上。
所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，圆杆状支撑轴的上端和下端都带有外螺纹，支撑轴下端依次穿过下端板的螺纹通孔和支撑板的螺纹孔，通过螺母将下端板和支撑板固定连接；支撑轴的上端穿过上端板的螺纹通孔，通过螺母与上端板固定连接。
所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，矩形薄片状的超磁致伸缩薄片在长度方向的中心线上各对称打有两个通孔；超磁致伸缩薄片的一端安装在固定块的矩形凹槽中，螺栓依次穿过超磁致伸缩薄片该端的通孔和固定块的矩形凹槽上的螺纹孔，将超磁致伸缩薄片固定在固定块上的矩形凹槽内；四片超磁致伸缩薄片呈左右对称固定在固定块的两侧，每侧的两片超磁致伸缩薄片在垂直方向对应。
所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，质量块的中心处打有螺纹孔；螺栓依次穿过超磁致伸缩薄片外侧的通孔和质量块的螺纹孔，将超磁致伸缩薄片和质量块固定连接。
所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，圆柱形的漂浮体中心处打有一个螺纹孔；圆杆状的传动轴下端螺帽处设有螺纹，传动轴的一端垂直穿过漂浮体的螺纹孔并通过螺母固定连接，另一端依次穿过支撑板、下端板、固定块和上端板中心处的通孔。
优点及效果：
本发明是一种磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，具有如下优点和有益效果：
本发明以超磁致伸缩薄片为核心元件，通过传动轴带动固定块的上下摆动带动超磁致伸缩薄片振动，用拾取线圈拾取产生的电能，实现了将波浪起伏运动过程产生的振动能量转化为电能输出。本发明与基于压电材料的发电装置相比，不存在疲劳、老化和去极化失效问题，工作性能更可靠；超磁致伸缩材料的机电耦合系数约为压材料的2~3倍，因而能量转换效率更高，高达70%；它在室温下的磁致伸缩应变值很大（1500-2000ppm），是压电材料的5~8倍，因此较小振幅条件也可输出更高的电压。磁致伸缩薄片上安装的质量块增大了磁致伸缩薄片振动时的振幅，因此会产生更高的电压。
附图说明
图1为磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置的装配示意图。
图2为磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置的主视图。
图3为磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置的俯视图。
图4为固定块的俯视图。
图5为固定块的主视图。
图6为超磁致伸缩薄片的示意图。
图7为下端板的主视图。
图8为下端板的俯视图。
图9为传动轴的示意图。
图10为质量块的俯视图。
图11为质量块B-B剖视图。
图12为支撑板的主视图。
图13为支撑板的俯视图。
图14为漂浮体的俯视图。
图15为漂浮体A-A剖视图。
图16为支撑轴的示意图。
图17为导杆的主视图。
图18为导杆的俯视图。
附图标记说明：
1-超磁致伸缩薄片，2-拾取线圈，3-传动轴，4-上端板，5-固定块，6-上弹簧，7-质量块，8-支撑轴，9-下弹簧，10-导杆，11-下端板，12-支撑板，13-漂浮体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，以超磁致伸缩薄片为核心元件，通过传动轴带动固定块的上下摆动为超磁致伸缩薄片提供振动，采用拾取线圈将磁通变化转化为电压，实现了将波浪起伏运动过程中振动能量转换为电能输出的过程。本发明装置的工作原理是：当漂浮体在波浪作用下上下摆动时会使传动轴运动，并带动固定块上下运动，同时使超磁致伸缩薄片也会发生振动，根据超磁致伸缩材料的逆效应（Villari效应），振动会导致超磁致伸缩薄片内部的磁化状态发生变化即内部的磁通量发生变化，根据法拉第电磁定律，变化的磁场会产生电场，因此在拾取线圈中会产生感应电动势，实现了通过吸收波浪振动而进行发电的过程。
图1是磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置的装配示意图，图2为磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置的主视图，图3为磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置的俯视图。工作时漂浮体13的上下摆动会使传动轴3带动固定块5的上下运动传递到与之连接的超磁致伸缩薄片1上，由于惯性力的作用质量块7会来回摆动，振动通过质量块7放大传递到与之相连的超磁致伸缩薄片1上；超磁致伸缩薄片1由于受到力的作用产生纵向的弯曲变形引起超磁致伸缩薄片1内部的磁化状态发生变化即磁通发生变化，变化的磁通通过缠绕在超磁致伸缩薄片1上的拾取线圈2产生感应电压，感应电压通过导线传递到外界。其余各零件的结构图见图4-图18。
本发明提出了一种磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，如图1、图2和图3中所示，该轴对称结构的装置包括固定块5，传动轴3从下到上依次穿过漂浮体13、支撑板12、下端板11、固定块5和上端板4，固定块5通过过盈配合固定在上端板4与下端板11之间的传动轴3上，上端板4和下端板11通过偶数根中心对称的支撑轴8固定连接；该中心对称是指传动轴3为对称点；两根导杆10从上到下依次穿过上端板4、固定块5和下端板11前后两端的通孔，上弹簧6、下弹簧9垂直套在导杆10上，超磁致伸缩薄片1的一端固定在固定块5侧面上的矩形凹槽中，超磁致伸缩薄片1的另一端上安装有质量块7，拾取线圈2缠绕在超磁致伸缩薄片1上。
支撑轴8固定在上端板4、下端板11和支撑板12上，因此上端板4和下端板11上的螺纹通孔以及支撑板12上的螺纹孔的数量和位置是与支撑轴8相匹配的。
如图4和图5所示，中间为长方体、两侧带有薄片凸耳的固定块5整体为对称结构，固定块5在中心位置处沿高度方向打有贯穿的圆柱形孔，传动轴3穿过固定块5中心位置处的圆柱形孔通过过盈配合固定，固定块5前后两端设有通孔的凸耳，固定块5左右两侧面设有四个矩形凹槽，在矩形凹槽上沿高度方向打有贯穿的螺纹孔。
如图7和图8所示，呈长方体的上端板4与下端板11的结构相同，长方体上下面四角处设有数个与支撑轴8对应的螺纹通孔，中心位置处设有中心通孔，中心通孔前后两侧对称打有两个通孔。
如图12和图13所示，圆柱薄片状的支撑板12在中心处也是圆心处打有一个通孔，周向打有数个与支撑轴8对应的螺纹孔，支撑板12的四个螺纹孔与下端板11上的四个螺纹通孔位置对应。
如图17和图18所示，圆柱状导杆10的上端带有外螺纹，两根导杆10的下端分别安装在下端板11上中心通孔两侧的两个通孔中，两根导杆10的上端分别安装在上端板4上中心通孔两侧的两个通孔中，通过螺母使导杆10上端固定在上端板4上，而导杆10下端固定在下端板11的中心通孔前后两侧的通孔中。
如图16所示，圆杆状支撑轴8的上端和下端都带有外螺纹，并且支撑轴8下端设有固定的六角头部，也可以是圆头或者其它形状的用于固定下端端部的形状，支撑轴8下端依次穿过下端板11的螺纹通孔和支撑板12的螺纹孔，通过螺母将下端板11和支撑板12固定连接；支撑轴8的下端的螺纹与下端板11的螺纹通孔和支撑板12的螺纹孔相匹配，而支撑轴8的上端的螺纹与上端板4的螺纹通孔相匹配；支撑轴8的上端穿过上端板4的螺纹通孔，通过螺母与上端板4固定连接。根据经验、实验效果以及成本的考量，对于支撑轴8最优化的设置个数是4个，本领域的技术人员可以根据需要对支撑轴8的个数进行偶数个数量调整，例如可以是2个、4个、6个、8个等，说明书附图为支撑轴8个数是4个时的示意图。
如图6所示，矩形薄片状的超磁致伸缩薄片1在长度方向的中心线上各对称打有两个通孔；超磁致伸缩薄片1的一端安装在固定块5的矩形凹槽中，螺栓依次穿过超磁致伸缩薄片1该端的通孔和固定块5的矩形凹槽上的螺纹孔，将超磁致伸缩薄片1固定在固定块5上的矩形凹槽内；四片超磁致伸缩薄片1呈左右对称固定在固定块5的两侧，每侧的两片超磁致伸缩薄片1在垂直方向对应。
如图10和图11所示，质量块7的中心处打有螺纹孔；螺栓依次穿过超磁致伸缩薄片1外侧的通孔和质量块7的螺纹孔，将超磁致伸缩薄片1和质量块7固定连接。质量块7的作用是可以改变超磁致伸缩薄片1的固有频率，同时加大超磁致伸缩薄片1的振动幅度以产生更多的电压。
如图14和图15所示，圆柱形的漂浮体13中心处打有一个螺纹孔；如图9所示，圆杆状的传动轴3下端螺帽处设有螺纹，传动轴3的一端垂直穿过漂浮体13的螺纹孔并通过螺母固定连接，另一端依次穿过支撑板12、下端板11、固定块5和上端板4中心处的通孔。
结论：本发明所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动能量收集装置能够通过收集波浪起伏运动的振动能量实现发电的过程。
本发明与基于压电材料的发电装置相比，不存在疲劳、老化和去极化失效问题，工作性能更可靠；超磁致伸缩材料的机电耦合系数约为压材料的2~3倍，因而能量转换效率更高，高达70%；它在室温下的磁致伸缩应变值很大（1500-2000ppm），是压电材料的5~8倍。
Claims (9)
1.一种磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，其特征在于：该轴对称结构波浪振动发电装置包括固定块（5），传动轴（3）从下到上依次穿过漂浮体（13）、支撑板（12）、下端板（11）、固定块（5）和上端板（4），固定块（5）通过过盈配合固定在上端板（4）与下端板（11）之间的传动轴（3）上，上端板（4）和下端板（11）通过偶数根中心对称的支撑轴（8）固定连接；两根导杆（10）从上到下依次穿过上端板（4）、固定块（5）和下端板（11）前后两端的通孔，上弹簧（6）、下弹簧（9）垂直套在导杆（10）上，超磁致伸缩薄片（1）的一端固定在固定块（5）侧面上的矩形凹槽中，超磁致伸缩薄片（1）的另一端上安装有质量块（7），拾取线圈（2）缠绕在超磁致伸缩薄片（1）上。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，其特征在于：中间为长方体、两侧带有薄片凸耳的固定块（5）整体为对称结构，固定块（5）在中心位置处沿高度方向打有贯穿的圆柱形孔，传动轴（3）穿过固定块（5）中心位置处的圆柱形孔通过过盈配合固定，固定块（5）前后两端设有通孔的凸耳，固定块（5）左右两侧面设有四个矩形凹槽，在矩形凹槽上沿高度方向打有贯穿的螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，其特征在于：呈长方体的上端板（4）与下端板（11）结构相同，长方体上下面四角处设有数个与支撑轴（8）对应的螺纹通孔，中心位置处设有中心通孔，中心通孔前后两侧对称打有两个通孔。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，其特征在于：圆柱薄片状的支撑板（12）在中心处打有一个通孔，周向打有数个与支撑轴（8）对应的螺纹孔，支撑板（12）的螺纹孔与下端板（11）上的螺纹通孔位置一一对应。
5.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，其特征在于：圆柱状导杆（10）的上端带有外螺纹，两根导杆（10）的下端分别安装在下端板（11）上中心通孔两侧的两个通孔中，两根导杆（10）的上端分别安装在上端板（4）上中心通孔两侧的两个通孔中，通过螺母使导杆（10）上端固定在上端板（4）上。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，其特征在于：圆杆状支撑轴（8）的上端和下端都带有外螺纹，支撑轴（8）下端依次穿过下端板（11）的螺纹通孔和支撑板（12）的螺纹孔，通过螺母将下端板（11）和支撑板（12）固定连接；支撑轴（8）的上端穿过上端板（4）的螺纹通孔，通过螺母与上端板（4）固定连接。
7.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，其特征在于：矩形薄片状的超磁致伸缩薄片（1）在长度方向的中心线上各对称打有两个通孔；超磁致伸缩薄片（1）的一端安装在固定块（5）的矩形凹槽中，螺栓依次穿过超磁致伸缩薄片（1）该端的通孔和固定块（5）的矩形凹槽上的螺纹孔，将超磁致伸缩薄片（1）固定在固定块（5）上的矩形凹槽内；四片超磁致伸缩薄片（1）呈左右对称固定在固定块（5）的两侧，每侧的两片超磁致伸缩薄片（1）在垂直方向对应。
8.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，其特征在于：质量块（7）的中心处打有螺纹孔；螺栓依次穿过超磁致伸缩薄片（1）外侧的通孔和质量块（7）的螺纹孔，将超磁致伸缩薄片（1）和质量块（7）固定连接。
9.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置，其特征在于：圆柱形的漂浮体（13）中心处打有一个螺纹孔；圆杆状的传动轴（3）下端螺帽处设有螺纹，传动轴（3）的一端垂直穿过漂浮体（13）的螺纹孔并通过螺母固定连接，另一端依次穿过支撑板（12）、下端板（11）、固定块（5）和上端板（4）中心处的通孔。
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