CN109185020A - 具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置。该装置是整体对称结构，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，另一端安装在固定轴侧面上的矩形凹槽中，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
本发明属于磁致伸缩振动发电领域，特别涉及一种以超磁致伸缩薄片为核心元件的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置。
背景技术
当今世界，能源问题日趋严重，环境污染不断加剧，波浪能作为清洁无污染的绿色可再生能源，具有储量大、分布广、环境污染小等优点。近年来，伴随着波浪能应用技术的飞速发展，各种有关波浪能的发电装置被研究和开发出来，使波浪能在新能源开发中具有很大的热潮。
具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置是利用磁致伸缩逆效应（Villari效应），即磁致伸缩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特性，实现机械能向电磁能转换的一种振动发电装置。我国对波浪能的研究、利用起步较晚，目前在我国东南沿海的福建、广东等地区已在试验一些波浪发电装置。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，关于利用其他类型的材料和装置提高对波浪能能量获取和转换效率的研究较多。例如，在2012年机械工程学报第48卷第12期的139-143页发表的基于波浪能的海洋浮标发电系统中，宋保维等设计了一套基于波浪能的海洋浮标发电系统，利用永磁直线发电机简化了波能转化装置，提高了波浪能的利用率。在2015年应用基础与工程科学学报第23卷第1期的203-211页发表的浮体绳轮波浪发电系统研究中，王延刚等设计了一种浮体绳轮波浪发电系统，利用合理的浮体结构和能量转换装置大大提高了对波浪能的能量获取及转换效率。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获取及转换效率，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具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，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：
具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，整体为对称结构的波浪发电装置包括固定块，固定块通过过盈配合固定到上端板与下端板之间传动轴上，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，传动轴的下端穿过漂浮体中心位置处的螺纹孔固定在漂浮体上，上端板和下端板通过偶数根中心对称的支撑轴连接，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安装在固定轴侧面上的矩形凹槽中，固定轴固定在上端板和下端板左右两侧的矩形凹槽中，拾取线圈缠绕在超磁致伸缩薄片上。
固定块整体为对称结构，在固定块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带圆柱形通孔的凸耳，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。
呈长方体的上端板与下端板结构相同，在矩形上下面四角处打有数个与支撑轴对应的螺纹通孔，中心位置处打有中心通孔，中心通孔前后两侧对称打有两个通孔，中心通孔左右两侧对称打有两个不完全贯穿的矩形凹槽。
圆柱薄片状的支撑板在中心处打有一个通孔，周向打有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对应。
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。
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。
超磁致伸缩薄片为矩形薄片状，沿其长度方向中心线上的一端打有一个通孔；超磁致伸缩薄片的通孔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。
固定轴为矩形，在固定轴的侧面打有两个矩形凹槽，超磁致伸缩薄片不设有通孔的一端安装在矩形凹槽中；两根固定轴的上下两端分别安装在上端板和下端板中心通孔左右两侧的矩形凹槽中。
漂浮体为圆柱形，在中心处打有一个螺纹孔；传动轴为圆柱形结构，传动轴下端柱面带有螺纹；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，传动轴从下到上依次穿过漂浮体、支撑板、下端板、定位块和上端板中心处的通孔。
优点及效果：
本发明具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置的显著特点是以超磁致伸缩薄片作为核心元件，通过漂浮体带动传动轴和固定块的上下摆动使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。相对压电材料，超磁致伸缩材料不存在去极化引起的失效问题，并且不存在疲劳老化问题，工作性能更可靠。超磁致伸缩材料的机电耦合系数可达 0.75，约为压材料的2~3倍，能量转换效率更高；在静态条件下，超磁致伸缩材料的应变可达到1500-2000ppm，是压电材料的5~8倍，可在小振幅下可产生更多的电能。
附图说明
图1为具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置的装配示意图。
图2为具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置的主视图。
图3为具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置的俯视图。
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为固定轴的主视图。
图11为固定轴的俯视图。
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的剖视图。
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-固定轴，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
以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，本发明的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，以超磁致伸缩薄片为核心元件，通过漂浮体带动传动轴和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是具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置的装配示意图，图2为具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置的主视图，图3为具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置的俯视图。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，由于超磁致伸缩薄片1的一端安装在固定轴7上，所以当超磁致伸缩薄片1受到力的作用产生纵向的弯曲变形时会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。
本发明提出了具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，如图1、图2和图3中所示，整体为对称结构的波浪发电装置包括固定块5，固定块5通过过盈配合固定到上端板4与下端板11之间传动轴3上，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，传动轴3的下端穿过漂浮体13中心位置处的螺纹孔固定在漂浮体13上，上端板4和下端板11通过偶数根中心对称的支撑轴8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的另一端安装在固定轴7侧面上的矩形凹槽中，该安装方法一般采用卡接在固定轴7的矩形凹槽内的方法，也可以采用直接固定在其凹槽内的方法；固定轴7固定在上端板4和下端板11左右两侧的矩形凹槽中，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，固定块5整体为对称结构，在固定块5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前后两端设有带圆柱形通孔的凸耳，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结构相同，在矩形上下面四角处打有数个与支撑轴8对应的螺纹通孔，中心位置处打有中心通孔，中心通孔前后两侧对称打有两个通孔，中心通孔左右两侧对称打有两个不完全贯穿的矩形凹槽。
如图12和13所示，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，超磁致伸缩薄片1为矩形薄片状，沿其长度方向中心线上的一端打有一个通孔；超磁致伸缩薄片1的通孔安装在固定块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，固定轴7为矩形，在固定轴7的侧面打有两个矩形凹槽，超磁致伸缩薄片1不设有通孔的一端安装在矩形凹槽中，该安装方法一般采用卡接在固定轴7的矩形凹槽内的方法，也可以采用直接固定在其凹槽内的方法；两根固定轴7的上下两端分别安装在上端板4和下端板11中心通孔左右两侧的矩形凹槽中。
固定轴7的作用是当超磁致伸缩薄片1固定在固定块5的那一端上下运动时，会使超磁致伸缩薄片1产生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。
如图14和图15所示，漂浮体13为圆柱形，在中心处打有一个螺纹孔；如图9所示，传动轴3为圆柱形结构，传动轴3下端柱面带有螺纹；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，传动轴3从下到上依次穿过漂浮体13、支撑板12、下端板11、定位块和上端板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，不存在去极化引起的失效问题，并且不存在疲劳老化问题，工作性能更可靠；超磁致伸缩材料的机电耦合系数可达 0.75，约为压材料的2~3倍，能量转换效率更高；在静态条件下，超磁致伸缩材料的应变可达到1500-2000ppm，是压电材料的5~8倍，可在小振幅下可产生更多的电能。
Claims (9)
1.具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，其特征在于：整体为对称结构的波浪发电装置包括固定块（5），固定块（5）通过过盈配合固定到上端板（4）与下端板（11）之间传动轴（3）上，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），传动轴（3）的下端穿过漂浮体（13）中心位置处的螺纹孔固定在漂浮体（13）上，上端板（4）和下端板（11）通过偶数根中心对称的支撑轴（8）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）的另一端安装在固定轴（7）侧面上的矩形凹槽中，固定轴（7）固定在上端板（4）和下端板（11）左右两侧的矩形凹槽中，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所述的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，其特征在于：固定块（5）整体为对称结构，在固定块（5）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）前后两端设有带圆柱形通孔的凸耳，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所述的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，其特征在于：呈长方体的上端板（4）与下端板（11）结构相同，在矩形上下面四角处打有数个与支撑轴（8）对应的螺纹通孔，中心位置处打有中心通孔，中心通孔前后两侧对称打有两个通孔，中心通孔左右两侧对称打有两个不完全贯穿的矩形凹槽。
4.根据权利要求1所述的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，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）上的螺纹通孔位置对应。
5.根据权利要求1所述的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，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所述的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，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所述的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，其特征在于：超磁致伸缩薄片（1）为矩形薄片状，沿其长度方向中心线上的一端打有一个通孔；超磁致伸缩薄片（1）的通孔安装在固定块（5）的矩形凹槽中，螺栓依次穿过超磁致伸缩薄片（1）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所述的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，其特征在于：固定轴（7）为矩形，在固定轴（7）的侧面打有两个矩形凹槽，超磁致伸缩薄片（1）不设有通孔的一端安装在矩形凹槽中；两根固定轴（7）的上下两端分别安装在上端板（4）和下端板（11）中心通孔左右两侧的矩形凹槽中。
9.根据权利要求1所述的具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置，其特征在于：漂浮体（13）为圆柱形，在中心处打有一个螺纹孔；传动轴（3）为圆柱形结构，传动轴（3）下端柱面带有螺纹；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，传动轴（3）从下到上依次穿过漂浮体（13）、支撑板（12）、下端板（11）、定位块和上端板（4）中心处的通孔。
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| CN201810921170.1A Pending CN109185020A (zh) | 2018-08-14 | 2018-08-14 | 具有能量输出的磁致伸缩薄片式波浪发电装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109185020A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110112956A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-08-09 | 沈阳工业大学 | 一种超磁致伸缩式瞬时冲击能量收集与警示系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102185521A (zh) * | 2011-05-03 | 2011-09-14 | 大连理工大学 | 一种利用海浪发电的装置 |
| US8330334B2 (en) * | 2009-09-08 | 2012-12-11 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Apparatus employing piezoelectric energy harvester capable of generating voltage to drive power conditioning circuit and method of manufacturing the same |
| CN102986129A (zh) * | 2010-06-18 | 2013-03-20 | 国立大学法人金泽大学 | 发电元件及具备发电元件的发电装置 |
| CN103270686A (zh) * | 2011-01-12 | 2013-08-28 | 株式会社尼康 | 发电机、电子机器及发电装置 |
| CN106026776A (zh) * | 2016-07-15 | 2016-10-12 | 沈阳工业大学 | 磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置 |
-
2018
- 2018-08-14 CN CN201810921170.1A patent/CN109185020A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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