CN113054870B - 一种复合式旋转能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合式旋转能量收集器，其特征在于，包括壳体、导管、磁铁小球、线圈、阶梯轴、压电悬臂梁以及磁铁；阶梯轴位于壳体的几何中心并垂直连接于壳体的上下两个端面，压电悬臂梁一端与阶梯轴配合连接，压电悬臂梁的另一端固定连接磁铁，导管固定安装在壳体周向上，磁铁小球放置于导管内部，所述线圈的中轴线与导管的中轴线重合从而套在导管上；壳体的中心线水平布置，安装在旋转机构的转动部件上做同心或偏心旋转，导管、线圈、阶梯轴、压电悬臂梁以及末端磁铁同壳体一起做同心或偏心旋转。应用本技术方案可实现直接将能量收集器安装在旋转机构的转动部件上实现高效的旋转能量收集，特别适用于无法额外安装定子转子结构的场合。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集领域，具体是指一种复合式旋转能量收集器。
背景技术
无线传感器网络在国防、医疗、交通、环境等领域发挥着越来越重要的作用。未来，将会有更多的传感器网络节点投入使用，这些传感器主要依靠电池供电，而电池存在寿命有限，替换困难，容易造成环境污染等缺点，这些问题严重限制了传感器技术的发展。为了解决传感器节点的自供能问题，研究人员提出了收集环境中的能量为传感器供能的技术方案。
振动作为环境中广泛存在的能量形式，具有绿色无污染、分布广泛、稳定可靠等优点，收集环境中的振动能量为传感器供能的技术成为研究的热点。按照能量的转化方式，振动能量收集可以分为压电式、电磁式、静电式、摩擦式、复合式等，它们各自有不同的优缺点，其中复合式振动能量收集结合了两种或两者以上的发电机理，有望更为充分地收集振动能量，提高能量转化效率。
旋转作为振动能量形式中的一种，广泛存在于日常生活中，比如汽车车轮的滚动、风车叶片的转动等等。同时，在一些旋转部件上需要安装传感器来实时监测部件的工作状态，比如涡轮发动机叶片的结构健康监测、汽车轮胎的胎压监测系统等，收集旋转振动能量为这些传感器供能具有十分重要的现实意义。目前，传统的旋转能量收集器需要有一个转子结构安装在转动部件上，而定子结构固定在不会转动的部件上，当部件旋转时定子与转子结构形成相对运动发电。在实际应用中，比如像汽车的车轮，在出厂时已经安装完成，整个轴系结构在前期已经设计定型，安装额外的定子转子结构十分不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合式旋转能量收集器，实现直接将能量收集器安装在旋转机构的转动部件上实现高效的旋转能量收集，特别适用于无法额外安装定子转子结构的场合。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复合式旋转能量收集器，包括壳体、导管、磁铁小球、线圈、阶梯轴、压电悬臂梁以及磁铁；
所述阶梯轴位于壳体的几何中心并垂直连接于壳体的上下两个端面，所述压电悬臂梁一端与阶梯轴配合连接，所述压电悬臂梁的另一端固定连接磁铁，所述导管固定安装在壳体周向上，所述磁铁小球放置于导管内部并与所述导管的内壁保留一定间隙，所述线圈的中轴线与导管的中轴线重合从而套在导管上；
所述壳体的中心线水平布置，安装在旋转机构的转动部件上做同心或偏心旋转，与壳体配合固定的导管、线圈、阶梯轴、压电悬臂梁以及末端磁铁同壳体一起做同心或偏心旋转。
在一较佳的实施例中，当导管位于右侧呈竖直朝向时，导管内的磁铁小球在重力的作用下位于导管底部；当壳体逆时针转过90度时，导管内的磁铁小球在重力作用下开始从导管的一端移动到另一端，在移动过程中磁铁小球产生的磁感线与绕在导管上的线圈相互切割从而利用电磁感应原理发电，同时磁铁小球与压电悬臂梁的末端固定的磁铁产生磁力作用从而对压电悬臂梁施加一次激励，导致压电悬臂梁发生弯曲变形，利用贴附在悬臂梁上压电材料的压电效应发电。
在一较佳的实施例中，当壳体逆时针转至180度时，导管位于左侧呈竖直朝向，磁铁小球在重力作用下位于导管的底部也就是相对于右侧初始位置的另一端；当壳体逆时针转过270度时，导管内的磁铁小球在重力作用下开始从导管的一端移动到另一端，同之前的过程一样，磁铁小球的运动会使线圈切割磁感线发电，使压电悬臂梁产生弯曲变形从而发电；当壳体转至360度时，导管回到右侧竖直朝向的初始位置，磁铁小球在重力作用下位于导管底部，然后壳体继续转动开始下一个周期。
在一较佳的实施例中，所述导管以壳体的中轴线中心对称分布。
在一较佳的实施例中，所述压电悬臂梁的一端固定在所述阶梯轴上，以阶梯轴的中轴线为中心旋转对称设置，并与所述导管一一对应。
在一较佳的实施例中，所述磁铁固定安装在所述压电悬臂梁的自由端，磁铁与导管内的磁铁小球保持的间距能够使磁铁小球对磁铁产生足够的磁力又不会因为磁力太大而被吸住无法运动。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明的目的在于提供一种复合式旋转能量收集器，不需要额外安装定子和转子结构，只需要将能量收集器同心或偏心安装在转动部件的适当位置就可以正常工作，实现直接将能量收集器安装在旋转机构的转动部件上实现高效的旋转能量收集，特别适用于无法额外安装定子转子结构的场合以及不方便重复拆装部件的场合。采用压电与电磁复合式的能量收集技术，能够从导管内磁铁小球的滚落过程中俘获更多的能量，提高器件的输出。
附图说明
图1为本发明优选实施例中复合式旋转能量收集器的结构示意图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种复合式旋转能量收集器，参考图1，包括壳体1、导管2、磁铁小球3、线圈4、阶梯轴5、压电悬臂梁6以及磁铁7；
所述阶梯轴5位于壳体1的几何中心并垂直连接于壳体的上下两个端面，阶梯轴5与壳体1配合固定，所述压电悬臂梁6的一端与阶梯轴5配合连接，所述压电悬臂梁6的另一端固定磁铁7，所述导管2固定安装在壳体1周向上，所述磁铁小球3放置于导管2内部与内壁保留一定间隙，所述线圈4的中轴线与导管2的中轴线重合从而套在导管2上。
所述壳体1的中心线水平布置，安装在旋转机构的转动部件上做同心或偏心旋转，与壳体1配合固定的导管2、线圈4、阶梯轴5、压电悬臂梁6以及末端磁铁7同壳体1一起做同心或偏心旋转。
当导管2位于右侧呈竖直朝向时，导管2内的磁铁小球3在重力的作用下位于导管2底部；当壳体1逆时针转过90度时，导管2内的磁铁小球3在重力作用下开始从导管2的一端移动到另一端，在移动过程中磁铁小球3产生的磁感线与绕在导管上的线圈4相互切割从而利用电磁感应原理发电，同时磁铁小球3与压电悬臂梁6末端的固定磁铁7产生磁力作用从而对压电悬臂梁6施加一次激励，导致压电悬臂梁6发生弯曲变形，利用贴附在悬臂梁上压电材料的压电效应发电。
当壳体1逆时针转至180度时，导管2位于左侧呈竖直朝向，磁铁小球3在重力作用下位于导管底部也就是相对于右侧初始位置的另一端；当壳体1逆时针转过270度时，导管2内的磁铁小球3在重力作用下开始从导管的一端移动到另一端，同之前的过程一样，磁铁小球3的运动会使线圈4切割磁感线发电，使压电悬臂梁6产生弯曲变形从而发电；当壳体1转至360度时，导管2回到右侧竖直朝向的初始位置，磁铁小球4在重力作用下位于导管底部，然后壳体继续转动开始下一个周期。
具体来说，所述导管2设置有4个，并且以壳体1的中轴线中心对称分布。所述压电悬臂梁6的一端固定在所述阶梯轴5上，以阶梯轴5的中轴线为中心旋转对称设置，并与所述导管2一一对应。磁铁固定安装在所述压电悬臂梁的自由端，磁铁7与导管2内的磁铁小球3保持的间距能够使磁铁小球3对磁铁7产生足够的磁力又不会因为磁力太大而被吸住无法运动。
本发明的目的在于提供一种复合式旋转能量收集器，不需要额外安装定子和转子结构，只需要将能量收集器同心或偏心安装在转动部件的适当位置就可以正常工作，实现直接将能量收集器安装在旋转机构的转动部件上实现高效的旋转能量收集，特别适用于无法额外安装定子转子结构的场合以及不方便重复拆装部件的场合。采用压电与电磁复合式的能量收集技术，能够从导管内磁铁小球的滚落过程中俘获更多的能量，提高器件的输出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (5)
1.一种复合式旋转能量收集器，其特征在于，包括壳体、导管、磁铁小球、线圈、阶梯轴、压电悬臂梁以及磁铁；
所述阶梯轴位于壳体的几何中心并垂直连接于壳体的上下两个端面，所述压电悬臂梁一端与阶梯轴配合连接，所述压电悬臂梁的另一端固定连接磁铁，所述导管固定安装在壳体周向上，所述磁铁小球放置于导管内部并与所述导管的内壁保留一定间隙，所述线圈的中轴线与导管的中轴线重合从而套在导管上；
所述壳体的中心线水平布置，安装在旋转机构的转动部件上做同心或偏心旋转，与壳体配合固定的导管、线圈、阶梯轴、压电悬臂梁以及末端磁铁同壳体一起做同心或偏心旋转；
当导管位于右侧呈竖直朝向时，导管内的磁铁小球在重力的作用下位于导管底部；当壳体逆时针转过90度时，导管内的磁铁小球在重力作用下开始从导管的一端移动到另一端，在移动过程中磁铁小球产生的磁感线与绕在导管上的线圈相互切割从而利用电磁感应原理发电，同时磁铁小球与压电悬臂梁的末端固定的磁铁产生磁力作用从而对压电悬臂梁施加一次激励，导致压电悬臂梁发生弯曲变形，利用贴附在悬臂梁上压电材料的压电效应发电。
2.根据权利要求1所述的复合式旋转能量收集器，其特征在于，当壳体逆时针转至180度时，导管位于左侧呈竖直朝向，磁铁小球在重力作用下位于导管的底部也就是相对于右侧初始位置的另一端；当壳体逆时针转过270度时，导管内的磁铁小球在重力作用下开始从导管的一端移动到另一端，同之前的过程一样，磁铁小球的运动会使线圈切割磁感线发电，使压电悬臂梁产生弯曲变形从而发电；当壳体转至360度时，导管回到右侧竖直朝向的初始位置，磁铁小球在重力作用下位于导管底部，然后壳体继续转动开始下一个周期。
3.根据权利要求2所述的复合式旋转能量收集器，其特征在于，所述导管以壳体的中轴线中心对称分布。
4.根据权利要求3所述的复合式旋转能量收集器，其特征在于，所述压电悬臂梁的一端固定在所述阶梯轴上，以阶梯轴的中轴线为中心旋转对称设置，并与所述导管一一对应。
5.根据权利要求4所述的复合式旋转能量收集器，其特征在于，所述磁铁固定安装在所述压电悬臂梁的自由端，磁铁与导管内的磁铁小球保持的间距能够使磁铁小球对磁铁产生足够的磁力又不会因为磁力太大而被吸住无法运动。
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