CN110635620B - 一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，属于新能源和微小型发电技术领域，其特征是：至少包括底座、支撑圆柱、顶盖、弹簧、转子、线绳、导杆、四个磁铁、四个线圈；所述支撑圆柱包括大沉孔、小沉孔和四个支撑圆柱凹槽；所述大沉孔位于支撑圆柱的底面，与支撑圆柱同轴；所述小沉孔位于支撑圆柱的顶面，与支撑圆柱同轴；所述四个支撑圆柱凹槽均匀分布在支撑圆柱的侧面；所述弹簧的下端与支撑圆柱的小沉孔固定连接，同时支撑圆柱的大沉孔外套于底座的圆柱筒上，将弹簧与底座连接。本发明通过线绳驱动转子，可将外界的低频振动、线性往复运动、按压运动等激励转化为转子的高速旋转运动，具有工作频带宽、输出功率大、应用范围广等特点。

Description

一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器
技术领域
本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，适用于便携式电子设备、可穿戴式系统、微小型传感器等需要捕获周围的超低频机械能进行能量补充的低功耗器件。
背景技术
现代微电子和微制造技术的快速发展使得各种低功耗的微小型器件不断涌现。虽然传统的电化学电池可以驱动这些微小型器件正常工作，但电池存在的诸多缺陷，例如有限的储能、有害的化学成分、定期更换的高昂成本等迫使人们寻求新的能源技术。理想的供电方案是将环境中存在的可再生能源转化为可供低功耗微小型器件使用的电能。
环境中的可再生能源包括太阳能、风能、热能、机械能等。与太阳能、风能、热能不同，机械能的产生不受天气、时间、地域等因素的限制，在环境中以振动或线性往复运动的形式广泛存在，因而成为研究人员关注的热点。目前，已有学者提出基于电磁感应、压电效应、摩擦电效应等的俘能器，其普遍利用机械振子的振动将机械能转化为电能。然而，机械振子的谐振频率通常高于自然环境中激励的频率，导致输出功率很低。解决这一问题的一个有效途径是将低频的振动或直线往复运动转化为更高频的振动或旋转运动，使俘能器工作在谐振频率附近，从而提高输出功率。
典型的将直线往复运动转换为更高频振动的俘能器如Kangqi Fan, Qinxue Tan在《Smart Materials and Structures》28（2019）：07LT01撰文“Harvesting energy fromtwisting vibration of a rotor suspended by a piece of string”（“通过线绳悬挂的转子的扭摆振动收集能量”《智能材料和结构》），提出了一种将按压运动转换为转子扭摆振动的能量收集技术，并基于该技术设计了一种电磁式俘能器。该俘能器存在的问题包括：（1）转子的扭摆角度小，输出功率低；（2）需竖直放置，并且只能在竖直方向的激励作用下才能工作；（3）转子与筒壁间存在摩擦、碰撞，能量损耗大。
典型的将直线往复运动转换为高速旋转运动的俘能器如Kangqi Fan, MeilingCai, Fei Wang在《Energy Conversion and Management》198（2019）：111820撰文的“Astring-suspended and driven rotor for efficient ultra-low frequencymechanical energy harvesting”（“一种用于高效超低频机械能收集的绳索悬挂和驱动的转子”《能源转换与管理》），提出了一种用绳索悬挂和驱动的转子，能够将直线运动转化为转子的旋转运动，并利用这种转子设计了一种电磁式俘能器。当拉力作用于该俘能器时，转子能够高速旋转并感应线圈阵列输出电能。该俘能器存在的问题包括：（1）俘能器的单自由度特性导致工作频带较窄；（2）只能在竖直方向的激励作用下才能工作，限制了该俘能器的工作环境；（3）转子与筒壁的碰撞、摩擦会导致较大的能量损耗，降低了俘能器的输出功率。
发明内容
本发明的目的是针对现有俘能技术的不足，提供一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，以便将环境中的超低频振动、线性往复运动、按压运动等激励转换为转子的高速旋转运动，克服现有俘能器存在的输出功率低、频带窄等缺点。
本发明的技术方案是：一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，其特征是：至少包括底座、支撑圆柱、顶盖、弹簧、转子、线绳、导杆、四个磁铁、四个线圈；所述支撑圆柱包括大沉孔、小沉孔和四个支撑圆柱凹槽；所述大沉孔位于支撑圆柱的底面，与支撑圆柱同轴；所述小沉孔位于支撑圆柱的顶面，与支撑圆柱同轴；所述四个支撑圆柱凹槽均匀分布在支撑圆柱的侧面；所述弹簧的下端与支撑圆柱的小沉孔固定连接，同时支撑圆柱的大沉孔外套于底座的圆柱筒上，将弹簧与底座连接；所述弹簧的上端固定到顶盖的大盲孔中，以支撑顶盖的直线往复运动；所述导杆的下端嵌入底座中，上端穿过转子的大通孔，对转子起导向作用；所述四个磁铁分别内嵌于转子中；所述四个线圈缠绕于底座上；所述线绳依次穿过底座、支撑圆柱、顶盖、弹簧将转子悬吊于顶盖和底座之间；所述线绳被转子分为上段部分和下段部分，上段部分与下段部分相对旋转一定角度。
所述底座包括圆形底板、圆柱筒、四个圆柱形凸起、第一小通孔、第二小通孔和小盲孔；所述圆柱筒垂直于底板，并与底板同轴；所述圆柱筒外圆柱面均匀分布四个圆柱形凸起；所述圆柱形凸起的轴向垂直于圆柱筒的轴向；所述第一小通孔和第二小通孔相对于底板的中心对称分布；所述小盲孔位于底板中心，并与底板同轴。
所述顶盖包括顶板、四个顶盖凸起、大盲孔、第三小通孔和第四小通孔；所述四个顶盖凸起均匀分布在顶板的底面；所述四个顶盖凸起分别插入支撑圆柱的四个支撑圆柱凹槽中，且凸起和凹槽之间留有一定缝隙，使凸起可沿凹槽运动；所述大盲孔与顶板同轴；所述第三小通孔和第四小通孔相对于顶板的中心对称分布。
所述弹簧的下端与支撑圆柱的小沉孔固定连接，同时支撑圆柱的大沉孔外套于底座的圆柱筒上，将弹簧与底座连接；所述弹簧的上端固定到顶盖的大盲孔中，以支撑顶盖的直线往复运动。
所述转子为圆盘形，包括第五小通孔、第六小通孔、大通孔和四个转子凹槽；所述第五小通孔和第六小通孔相对于转子的中心对称分布；所述大通孔位于转子中心，并与转子同轴；所述四个转子凹槽均匀分布于转子的侧面。
所述导杆的下端嵌入底座的小盲孔中，上端穿过转子的大通孔，对转子起导向作用。
所述四个磁铁分别内嵌于转子的四个转子凹槽中；所述磁铁的磁极化方向沿着转子的径向。
所述四个线圈缠绕于底座的四个圆柱形凸起以输出电能。
本发明的工作原理及优点是：
当外界的超低频振动、线性往复运动、按压运动等激励施加于顶盖时，顶盖向下运动，线绳所受拉力减小，从而将线绳中储存的扭转势能释放并驱动转子围绕导杆在底座的圆筒内旋转，假定此时转子的旋转方向为顺时针方向；转子的旋转运动会将部分动能转化为线绳的扭转势能；此时当外界激励反向时，顶盖在弹簧的弹性回复力的作用下向上运动，线绳所受拉力增大，从而将线绳中的扭转势能再次释放并驱动转子反向旋转。外界激励周期性的施加于顶盖时，线绳驱动转子周期性地改变旋转方向。转子的旋转导致转子内嵌的磁铁与底座上缠绕的线圈产生相对运动，从而通过电磁感应原理使线圈输出电能；转子持续的旋转运动使线圈产生持续的电能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明通过线绳驱动转子，可将外界的低频振动、线性往复运动、按压运动等激励转化为转子的高速旋转运动，有效缓解了外界激励频率与现有振动式俘能器谐振频率不匹配的问题，提高了俘能器的输出功率。
（2）本发明的两自由度特性，拓宽了工作频带，使俘能器能在更宽的频率范围内工作。
（3）本发明中俘能器沿任意方向放置均能工作，应用范围广泛。
（4）本发明通过导杆既消除了转子与筒壁间的碰撞，又减小了摩擦力矩，降低了碰撞和摩擦所带来的能量损耗。
附图说明
下面结合附图，对本发明具体实施方式作进一步的详细描述：
图1为本发明实施例结构分解示意图；
图2为底座结构示意图；
图3为支撑圆柱结构仰视图；
图4为支撑圆柱结构俯视图；
图5为顶盖结构示意图；
图6为转子结构示意图；
图7为本发明的整体组装示意图。
图中：1、底座；2、支撑圆柱；3、顶盖；4、弹簧；5、转子；6、线绳；7、导杆；8、磁铁；9、线圈。
具体实施方式
如图1、图2、图7所示一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，至少包括底座1、支撑圆柱2、顶盖3、弹簧4、转子5、线绳6、导杆7、四个磁铁8、四个线圈9；所述支撑圆柱2包括大沉孔2-1、小沉孔2-2和四个支撑圆柱凹槽2-3；所述大沉孔2-1位于支撑圆柱2的底面，与支撑圆柱2同轴；所述小沉孔2-2位于支撑圆柱2的顶面，与支撑圆柱2同轴；所述四个支撑圆柱凹槽2-3均匀分布在支撑圆柱2的侧面；所述弹簧4的下端与支撑圆柱2的小沉孔2-2固定连接，同时支撑圆柱2的大沉孔2-1外套于底座1的圆柱筒1-2上，将弹簧4与底座1连接；所述弹簧4的上端固定到顶盖3的大盲孔3-3中，以支撑顶盖3的直线往复运动；所述导杆7的下端嵌入底座1中，上端穿过转子5的大通孔5-2，对转子5起导向作用；所述四个磁铁8分别内嵌于转子5中；所述四个线圈9缠绕于底座1上；所述线绳6依次穿过底座1、支撑圆柱2、顶盖3、弹簧4将转子5悬吊于顶盖3和底座1之间；所述线绳6被转子分为上段部分和下段部分，上段部分与下段部分相对旋转一定角度。
如图2所示，所述底座1包括圆形底板1-1、圆柱筒1-2、四个圆柱形凸起1-3、第一小通孔1-4-1、第二小通孔1-4-2和小盲孔1-5；所述圆柱筒1-2垂直于底板1-1，并与底板1-1同轴；所述圆柱筒1-2外圆柱面均匀分布四个圆柱形凸起1-3；所述圆柱形凸起1-3的轴向垂直于圆柱筒1-2的轴向；所述第一小通孔1-4-1和第二小通孔1-4-2相对于底板1-1的中心对称分布；所述小盲孔1-5位于底板1-1中心，并与底板1-1同轴。
如图3和图4所示，所述支撑圆柱2包括大沉孔2-1、小沉孔2-2和四个支撑圆柱凹槽2-3；所述大沉孔2-1位于支撑圆柱2的底面，与支撑圆柱2同轴；所述小沉孔2-2位于支撑圆柱2的顶面，与支撑圆柱2同轴；所述四个支撑圆柱凹槽2-3均匀分布在支撑圆柱2的侧面。
如图5所示，所述顶盖3包括顶板3-1、四个顶盖凸起3-2、大盲孔3-3、第三小通孔3-4-1和第四小通孔3-4-2；所述四个顶盖凸起3-2均匀分布在顶板3-1的底面；所述四个顶盖凸起3-2分别插入支撑圆柱2的四个支撑圆柱凹槽2-3中，且凸起和凹槽之间留有一定缝隙，使凸起可沿凹槽运动；所述大盲孔3-3与顶板3-1同轴；所述第三小通孔3-4-1和第四小通孔3-4-2相对于顶板3-1的中心对称分布；
所述弹簧4的下端与支撑圆柱2的小沉孔2-2固定连接，同时支撑圆柱2的大沉孔2-1外套于底座1的圆柱筒1-2上，将弹簧与底座连接；所述弹簧4的上端固定到顶盖3的大盲孔3-3中，以支撑顶盖3的直线往复运动。
如图6所示，所述转子5为圆盘形，包括第五小通孔5-1-1、第六小通孔5-1-2、大通孔5-2和四个转子凹槽5-3；所述第五小通孔5-1-1和第六小通孔5-1-2相对于转子5的中心对称分布；所述大通孔5-2位于转子中心，并与转子同轴；所述四个转子凹槽5-3均匀分布于转子5的侧面；
所述线绳6依次穿过第一小通孔1-4-1、第五小通孔5-1-1、第三小通孔3-4-1、第四小通孔3-4-2、第六小通孔5-1-2、第二小通孔1-4-2将转子5悬吊于顶盖3和底座1之间；所述线绳6被转子分为上段部分和下段部分，上段部分与下段部分相对旋转一定角度。
所述导杆7的下端嵌入底座的小盲孔1-5中，上端穿过转子5的大通孔5-2，对转子5起导向作用。
所述四个磁铁8分别内嵌于转子的四个转子凹槽5-3中；所述磁铁8的磁极化方向沿着转子5的径向。
所述四个线圈9缠绕于底座1的四个圆柱形凸起1-3以输出电能。
本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，其特征是：至少包括底座(1)、支撑圆柱(2)、顶盖(3)、弹簧(4)、转子(5)、线绳(6)、导杆(7)、四个磁铁(8)、四个线圈(9)；所述支撑圆柱(2)包括大沉孔(2-1)、小沉孔(2-2)和四个支撑圆柱凹槽(2-3)；所述大沉孔(2-1)位于支撑圆柱(2)的底面，与支撑圆柱(2)同轴；所述小沉孔(2-2)位于支撑圆柱(2)的顶面，与支撑圆柱(2)同轴；所述四个支撑圆柱凹槽(2-3)均匀分布在支撑圆柱(2)的侧面；所述弹簧(4)的下端与支撑圆柱(2)的小沉孔(2-2)固定连接，同时支撑圆柱(2)的大沉孔(2-1)外套于底座(1)的圆柱筒(1-2)上，将弹簧(4)与底座(1)连接；所述弹簧(4)的上端固定到顶盖(3)的大盲孔(3-3)中，以支撑顶盖(3)的直线往复运动；所述导杆(7)的下端嵌入底座(1)中，上端穿过转子(5)的大通孔(5-2)，对转子(5)起导向作用；所述四个磁铁(8)分别内嵌于转子(5)中；所述四个线圈(9)缠绕于底座(1)上；所述线绳(6)依次穿过底座(1)、支撑圆柱(2)、顶盖(3)、弹簧(4)将转子(5)悬吊于顶盖(3)和底座(1)之间；所述线绳(6)被转子分为上段部分和下段部分，上段部分与下段部分相对旋转一定角度。
2.根据权利要求1所述的一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，其特征是：所述底座（1）包括圆形底板(1-1)、圆柱筒(1-2)、四个圆柱形凸起(1-3)、第一小通孔(1-4-1)、第二小通孔(1-4-2)和小盲孔(1-5)；所述圆柱筒(1-2)垂直于底板(1-1)，并与底板(1-1)同轴；所述圆柱筒(1-2)外圆柱面均匀分布四个圆柱形凸起(1-3)；所述圆柱形凸起(1-3)的轴向垂直于圆柱筒(1-2)的轴向；所述第一小通孔(1-4-1)和第二小通孔(1-4-2)相对于底板(1-1)的中心对称分布；所述小盲孔(1-5)位于底板(1-1)中心，并与底板(1-1)同轴。
3.根据权利要求1所述的一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，其特征是：所述顶盖(3)包括顶板(3-1)、四个顶盖凸起(3-2)、大盲孔(3-3)、第三小通孔(3-4-1)和第四小通孔(3-4-2)；所述四个顶盖凸起(3-2)均匀分布在顶板(3-1)的底面；所述四个顶盖凸起(3-2)分别插入支撑圆柱(2)的四个支撑圆柱凹槽(2-3)中，且凸起和凹槽之间留有一定缝隙，使凸起可沿凹槽运动；所述大盲孔(3-3)与顶板(3-1)同轴；所述第三小通孔(3-4-1)和第四小通孔(3-4-2)相对于顶板(3-1)的中心对称分布。
4.根据权利要求1所述的一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，其特征是：所述弹簧（4）的下端与支撑圆柱（2）的小沉孔（2-2）固定连接，同时支撑圆柱（2）的大沉孔（2-1）外套于底座（1）的圆柱筒（1-2）上，将弹簧与底座连接；所述弹簧（4）的上端固定到顶盖（3）的大盲孔（3-3）中，以支撑顶盖（3）的直线往复运动。
5.根据权利要求1所述的一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，其特征是：所述转子（5）为圆盘形，包括第五小通孔（5-1-1）、第六小通孔（5-1-2）、大通孔（5-2）和四个转子凹槽（5-3）；所述第五小通孔（5-1-1）和第六小通孔（5-1-2）相对于转子（5）的中心对称分布；所述大通孔（5-2）位于转子中心，并与转子同轴；所述四个转子凹槽（5-3）均匀分布于转子（5）的侧面。
6.根据权利要求1所述的一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，其特征是：所述导杆（7）的下端嵌入底座的小盲孔（1-5）中，上端穿过转子（5）的大通孔（5-2），对转子（5）起导向作用。
7.根据权利要求1所述的一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，其特征是：所述四个磁铁（8）分别内嵌于转子的四个转子凹槽（5-3）中；所述磁铁（8）的磁极化方向沿着转子（5）的径向。
8.根据权利要求1所述的一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，其特征是：所述四个线圈（9）缠绕于底座（1）的四个圆柱形凸起（1-3）以输出电能。
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