CN112072851B - 能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量回收装置，其包括：发电机、固定件、导向圆盘、单向轴承、传动轴、绕线轴、钢丝绳、第一外壳体、第一导向环、第一深沟球轴承、第一内盘体、固定环、扭簧、第二内盘体、第二深沟球轴承、第二导向环、固定芯和第二外壳体。本发明高效地回收了高压线的全向振动能量，而且，本发明回收的能量不仅可以并转换为电能存储起来为高压线无线传感器进行永久供电，从而可以利用自供电传感器对智能电网中的电力铁塔周围环境进行长期监测，又可以对高压线起到减振效果。

Description

能量回收装置

技术领域

本发明涉及一种基于高压线摆动的全向能量回收装置，属于振动能量俘获技术领域。

背景技术

电力行业是国家经济建设的命脉行业，智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、支持系统技术的应用，智能电网的发展适应了社会发展的潮流。

但是智能电网在恶劣的室外环境影响下，螺栓等易损件失效加快，机械和电气系统故障率大幅上升，并经受台风、严寒、腐蚀、雷暴的考验。因此，在对智能电网系统方面进行研究时，为了确保其运行状况良好性，则需要充分考虑传感器的应用。

传感器有利于提高这类系统运行稳定性、安全性，更好地适应实践中的形势变化，满足智能电网科学应用要求。目前化学电池是传感器主要的能量供电方式，但是其寿命比较短、储能少，使用过程中需要定期的更换或者周期性充电，而且废旧电池处理不当将造成环境污染。因此，能够将周围环境中的能量转化为电能为电子器件供能，有望实现长期、稳定地为电子设备供电的可能，正受到国内外学者的广泛关注。

但是在大多数情况下，自然环境中的振动不可能总是沿着单一方向，例如行进的汽车转向机构的振动，人的手腕关节处的振动，高压线的振动，这些振动均包含有竖直方向和水平方向的振动。多数振动发电装置只能收集一个方向上的振动能量，装置的方向选择性较强，而环境中的振动方向是多变的，当振动方向发生改变时，只能在某些离散的频率点输出高性能，从而不能进行有效收集，大大降低了环境能量的收集效率，在已知的全向振动能量收集器通常在单方向振动能量收集器的基础上增设附属结构，会在一定程度上增大器件的体积和重量，是一个不利因素。

输电线路是电力网络的基础设施之一，直接影响电力系统的安全性、可靠性和稳定性。架空输电线路受风、冰、低温等气象条件的作用，使线路产生振动；导线在一年中的振动时间是比较长的，通常可以达到全年时间的30％-50％，在这振动过程中有巨大的能量消耗。因此，许多研究集中在高压线振动能量收集的研究上。但与传统的振动不同，高压线的振动既包括风力作用下的随机振动，也包括导线间的电流相互作用力和静电相互作用力产生的振动，这两种运动的耦合产生了多方向的随机振动，这种振动不仅产生时间长而且对输电线路产生极大的危害。

因此，提供一种能量回收装置，其能高效地对高压线摆动能量进行回收是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种能量回收装置，其解决了上述技术问题中的至少一个。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种能量回收装置，其包括：发电机、固定件、导向圆盘、单向轴承、传动轴、绕线轴、钢丝绳、第一外壳体、第一导向环、第一深沟球轴承、第一内盘体、固定环、扭簧、第二内盘体、第二深沟球轴承、第二导向环、固定芯和第二外壳体；

所述第二外壳体内形成有容置空间，在所述第二外壳体上形成有开口；所述第一外壳体固定于所述第二外壳体的开口端上；

所述第一外壳体内设置有第一深沟球轴承，所述第二外壳体内设置有第二深沟球轴承；所述第一深沟球轴承的外环的外壁面与所述第一外壳体的内壁面接触，所述第二深沟球轴承的外环的外壁面与所述第二外壳体的内壁面接触；

所述第一深沟球轴承和第二深沟球轴承之间设置有固定环，所述固定环的上端与所述第一深沟球轴承的外环的下端部接触，所述固定环的下端与所述第二深沟球轴承的外环的上端部接触；

所述第二外壳体的内壁面形成有台阶，所述第二深沟球轴承的下端部设置在所述第二外壳体的台阶上；

所述第一外壳体的内壁面上设置有台阶，所述第一深沟球轴承的上端部设置在所述第一外壳体的台阶上；

所述固定芯固定于所述第二外壳体的底壁上；所述固定芯的轴线与所述第二外壳体的轴线重合，并且所述固定芯的上部开设有用于固定扭簧的卡槽；

所述第一深沟球轴承内设置有第一内盘体，所述第一内盘体的外壁面上形成有法兰，所述第一深沟球轴承的内环的下端部设置于所述法兰上；所述第一内盘体上固定有第一导向环；所述第一深沟球轴承的内环的上端部与所述第一导向环接触；

所述第一内盘体的下端固定有第二内盘体，所述第二内盘体的外壁面上形成有环形凸起，所述第二深沟球轴承的内环的上端部设置于所述环形凸起上；所述第二内盘体的下端固定有第二导向环，所述第二深沟球轴承的内环的下端部与所述第二导向环接触；

所述第二内盘体内设置有活动腔，所述第二内盘体的底壁上开设有通孔，所述固定芯的上端穿过所述通孔，位于所述活动腔内；

所述扭簧设置于所述活动腔内，所述扭簧的内端固定于所述固定芯的上端的凹槽内，所述扭簧的外端固定于所述第二内盘体的内壁上；

所述第一内盘体上固定有绕线轴，所述钢丝绳的一端固定在绕线轴的卡槽内；并且部分钢丝绳缠绕在绕线轴上；

所述绕线轴上形成有轴肩，并且所述绕线轴的上端形成有外螺纹；所述导向圆盘套设于所述绕线轴上，并且位于所述绕线轴的轴肩上；

所述传动轴的下端形成为螺纹孔，所述绕线轴的上端拧入所述传动轴的下端，并由此将所述导向圆盘固定在所述绕线轴的轴肩和传动轴之间；

所述传动轴的上端固定在单向轴承的内环，所述单向轴承的外环固定在固定件上；所述固定件通过联轴器与发电机连接。

可选的，所述第一外壳体和第二外壳体通过止口和螺栓连接在一起。

可选的，所述第一内盘体和第二内盘体通过止口定心和螺栓固定连接。

可选的，所述第一导向环与第一外壳体之间形成有间隙；所述第二导向环与第二外壳体之间形成有间隙。

可选的，所述第二内盘体的活动腔的内壁上开设有竖槽，所述扭簧的外端固定于所述竖槽内。

可选的，所述单向轴承在钢丝绳被拉伸，且扭簧储能时，允许传动轴向固定件传动。

本发明具有如下有益效果：本发明高效地回收了高压线的全向振动能量，而且，本发明回收的能量不仅可以并转换为电能存储起来为高压线无线传感器进行永久供电，从而可以利用自供电传感器对智能电网中的电力铁塔周围环境进行长期监测，又可以对高压线起到减振效果。

附图说明

图1为本发明的能量回收装置的结构示意图；

图2为本发明的能量回收装置的爆炸结构示意图；

图3为本发明的能量回收装置的剖视图；

图中标记示意为：1-发电机；3-固定件；4-导向圆盘；5-单向轴承；6-传动轴；7-绕线轴；8-钢丝绳；9-第一外壳体；10-第一导向环；11-第一深沟球轴承；12-第一内盘体；13-固定环；14-扭簧；15-第二内盘体；16-第二深沟球轴承；17-第二导向环；18-固定芯；19-第二外壳体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种能量回收装置，尤其是一种全向能量回收装置，用于收集高压线摆动的能量；其包括：第一外壳体9、第二外壳体19、第一深沟球轴承11、第二深沟球轴承16、固定芯18、第一内盘体12、第二内盘体15、第一导向环10、第二导向环17、扭簧14、固定环13、绕线轴7、钢丝绳8、传动轴6、单向轴承5、导向圆盘4、固定件3和发电机1。

所述第二外壳体19内沿其轴向方向形成有容置空间，在所述第二外壳体19上形成有开口；所述第一外壳体9固定于所述第二外壳体19的开口端上。优选地，所述第一外壳体9和第二外壳体19通过止口连接和定心。

所述第一外壳体9内设置有第一深沟球轴承11，所述第二外壳体19内设置有第二深沟球轴承16，即，所述第一深沟球轴承11的外环的外壁面与所述第一外壳体9的内壁面接触，所述第二深沟球轴承16的外环的外壁面与所述第二外壳体19的内壁面接触。

所述第一深沟球轴承11和第二深沟球轴承16之间设置有固定环13，本实施例中，所述固定环的上端与所述第一深沟球轴承11的外环的下端部接触，所述固定环13的下端与所述第二深沟球轴承16的外环的上端部接触。

本实施例中，所述第二外壳体19的内壁面形成有台阶，所述第二深沟球轴承16设置于所述台阶上，即所述第二深沟球轴承16的下端部设置在所述第二外壳体19的台阶上。

相似地，所述第一外壳体9的内壁面上设置有台阶，所述第一深沟球轴承11设置于所述台阶上，即所述第一深沟球轴承11的上端部设置在所述第一外壳体9的台阶上。

所述固定芯18固定于所述第二外壳体19的底壁上，并且优选地，所述固定芯的下端通过螺栓固定于所述第二外壳体19的底壁上；所述固定芯18的轴线与所述第二外壳体19的轴线重合，并且所述固定芯的上部开设有用于固定扭簧14的卡槽。

所述第一深沟球轴承11内设置有第一内盘体12，即所述第一内盘体12的外壁面上形成有法兰，所述第一深沟球轴承11的内环的下端部设置于所述法兰上；所述第一内盘体12上固定有第一导向环10，作为一种实现形式，所述第一导向环10可以通过螺钉固定于所述第一内盘体12上，并且所述第一深沟球轴承11的内环的上端部与所述第一导向环10接触，此时，通过第一导向环10一方面能够使得第一内盘体12的位置相对于第一深沟球轴承11保持固定，另一方面所述第一导向环10能够对钢丝绳8起到导向作用，防止钢丝绳8缠绕至第一深沟球轴承11上。

所述第一内盘体12的下端固定有第二内盘体15，并且优选地，所述第一内盘体12和第二内盘体15通过止口定心和螺栓固定连接。

所述第二内盘体15的外壁面上形成有环形凸起，所述第二深沟球轴承16的内环的上端部设置于所述环形凸起上；所述第二内盘体15的下端固定有第二导向环17，所述第二深沟球轴承16的内环的下端部与所述第二导向环17接触，从而通过第二导向环17使得第二内盘体15的位置相对于第二深沟球轴承16保持固定。

本实施例中，所述第一导向环10与第一外壳体9之间形成有间隙；所述第二导向环17与第二外壳体19之间形成有间隙。

所述第二内盘体15内设置有活动腔，所述第二内盘体15的底壁上开设有通孔，所述固定芯18的上端穿过所述通孔，位于所述活动腔内；所述扭簧14设置于所述活动腔内，所述扭簧14的内端固定于所述固定芯18的上端，所述扭簧14的外端固定于所述第二内盘体15的内壁上，例如，所述第二内盘体15的活动腔的内壁上可以开设有竖槽，以实现弹性蓄能元件，即扭簧14的固定。

也就是说，当所述第二内盘体15相对于固定芯18转动时，扭簧14能够实现蓄能或释能。本实施例中，当外力作用下使第二内盘体15相对固定芯18正向转动时，外力的作用可转化成扭簧14的弹性势能。而当扭簧14释能时，扭簧14可驱动第二内盘体15相对固定芯18反向转动，势能转化成第二内盘体的动能。

所述第一内盘体12上固定有绕线轴7，所述绕线轴7上固定有钢丝绳8，即所述钢丝绳8的一端固定在绕线轴7的卡槽内；所述绕线轴7的下端与第一导向环10之间存在间隙。当本发明的能量回收装置工作时，所述钢丝绳的另一端固定在电缆上，并且部分钢丝绳缠绕在绕线轴7上。

所述绕线轴7上形成有轴肩，并且所述绕线轴7的上端形成有外螺纹；所述导向圆盘4套设于所述绕线轴7上，并且位于所述绕线轴7的轴肩上。

所述传动轴6的下端形成为螺纹孔，所述绕线轴7的上端拧入所述传动轴的下端，并由此将所述导向圆盘4固定在所述绕线轴7的轴肩和传动轴6之间，以通过导向圆盘4对钢丝绳8起到导向作用，防止钢丝绳8缠绕在旋转的传动轴6上。

所述传动轴6的上端固定在单向轴承5的内环，所述单向轴承5的外环固定在固定件3上，例如可以通过卡簧实现单向轴承5的固定。

所述固定件3通过联轴器与发电机1连接，以通过发电机1产生电能；作为一个优选方案，所述发电机1还连接有储能模块，以将发电机1所产生电能储存起来。本实施例中，所述储能模块包括稳压电路和超级电容，该稳压电路可以通过本领域常见的电路结构实现，在此不再一一赘述。

众所周知，高压线缆在高空中受风的摆动属于无序摆动，即高压线缆受风摆动方向和幅度均为随机值，本发明的能量回收装置旨在对具有任意摆动方向和幅度的高压线缆所产生的振动能量进行有效回收。

在能量回收装置工作前需要对能量回收装置进行固定，即将能量回收装置本体固定在电力铁塔上，能量回收装置中钢丝绳自由端固定在高压线缆上，且满足能量回收装置本体与钢丝绳自由端之间的距离小于钢丝绳完全展开时的最大距离。

当发明的能量回收装置处在工作状态时，无论电缆摆动方向和幅度如何，只要使钢丝绳产生横向拉力时，缠绕有钢丝绳的绕线轴就会产生旋转运动，与绕线轴固定的传动轴、第一内盘体和第二内盘体都会产生绕轴心的旋转运动，此时外力作用可转换为第二内盘体内扭簧的势能，单向轴承和发电机也会跟着传动轴做旋转运动，由此发电机发电，并经过整流装置后存入到蓄能装置储存，完成一次完整的能量收集。当由电缆摆动产生横向压力逐渐消失时，扭簧自然释能，扭簧驱动第二内盘体和传动轴反向转动，而单向轴承可以保持传动轴始终输出单向逆时针旋转运动，从而保持发电机的单向旋转。

由此，本发明高效地回收了高压线的全向振动能量，而且，本发明回收的能量不仅可以并转换为电能存储起来为高压线无线传感器进行永久供电，从而可以利用自供电传感器对智能电网中的电力铁塔周围环境进行长期监测，又可以对高压线起到减振效果。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种能量回收装置，其特征在于，包括：发电机、固定件、导向圆盘、单向轴承、传动轴、绕线轴、钢丝绳、第一外壳体、第一导向环、第一深沟球轴承、第一内盘体、固定环、扭簧、第二内盘体、第二深沟球轴承、第二导向环、固定芯和第二外壳体；

所述第二外壳体内形成有容置空间，在所述第二外壳体上形成有开口；所述第一外壳体固定于所述第二外壳体的开口端上；

所述第一外壳体内设置有第一深沟球轴承，所述第二外壳体内设置有第二深沟球轴承；所述第一深沟球轴承的外环的外壁面与所述第一外壳体的内壁面接触，所述第二深沟球轴承的外环的外壁面与所述第二外壳体的内壁面接触；

所述第一深沟球轴承和第二深沟球轴承之间设置有固定环，所述固定环的上端与所述第一深沟球轴承的外环的下端部接触，所述固定环的下端与所述第二深沟球轴承的外环的上端部接触；

所述第二外壳体的内壁面形成有台阶，所述第二深沟球轴承的下端部设置在所述第二外壳体的台阶上；

所述第一外壳体的内壁面上设置有台阶，所述第一深沟球轴承的上端部设置在所述第一外壳体的台阶上；

所述固定芯固定于所述第二外壳体的底壁上；所述固定芯的轴线与所述第二外壳体的轴线重合，并且所述固定芯的上部开设有用于固定扭簧的卡槽；

所述第一深沟球轴承内设置有第一内盘体，所述第一内盘体的外壁面上形成有法兰，所述第一深沟球轴承的内环的下端部设置于所述法兰上；所述第一内盘体上固定有第一导向环；所述第一深沟球轴承的内环的上端部与所述第一导向环接触；

所述第一内盘体的下端固定有第二内盘体，所述第二内盘体的外壁面上形成有环形凸起，所述第二深沟球轴承的内环的上端部设置于所述环形凸起上；所述第二内盘体的下端固定有第二导向环，所述第二深沟球轴承的内环的下端部与所述第二导向环接触；

所述第二内盘体内设置有活动腔，所述第二内盘体的底壁上开设有通孔，所述固定芯的上端穿过所述通孔，位于所述活动腔内；

所述扭簧设置于所述活动腔内，所述扭簧的内端固定于所述固定芯的上端的凹槽内，所述扭簧的外端固定于所述第二内盘体的内壁上；

所述第一内盘体上固定有绕线轴，所述钢丝绳的一端固定在绕线轴的卡槽内；并且部分钢丝绳缠绕在绕线轴上；

所述绕线轴上形成有轴肩，并且所述绕线轴的上端形成有外螺纹；所述导向圆盘套设于所述绕线轴上，并且位于所述绕线轴的轴肩上；

所述传动轴的下端形成为螺纹孔，所述绕线轴的上端拧入所述传动轴的下端，并由此将所述导向圆盘固定在所述绕线轴的轴肩和传动轴之间；

所述传动轴的上端固定在单向轴承的内环，所述单向轴承的外环固定在固定件上；所述固定件通过联轴器与发电机连接。

2.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述第一外壳体和第二外壳体通过止口和螺栓连接在一起。

3.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述第一内盘体和第二内盘体通过止口定心和螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述第一导向环与第一外壳体之间形成有间隙；所述第二导向环与第二外壳体之间形成有间隙。

5.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述第二内盘体的活动腔的内壁上开设有竖槽，所述扭簧的外端固定于所述竖槽内。

6.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述单向轴承在钢丝绳被拉伸，且扭簧储能时，允许传动轴向固定件传动。

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