CN113224906B - 基于旋转陀螺的自供电随体发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，该装置含有微能量收集器﹑第一电源管理电路﹑第一可充电电池﹑加速度传感器﹑中央处理器﹑继电器驱动电路﹑继电器﹑旋转陀螺发电机﹑第二电源管理电路和第二可充电电池，微能量收集器输出的电能进入第一电源管理电路，第一电源管理电路输出的电能通过继电器的触点进入旋转陀螺发电机的输入端，旋转陀螺发电机的输出端与第二电源管理电路的输入端连接；第一﹑二可充电电池分别与第一﹑二电源管理电路的电池端连接，加速度传感器的输出端与中央处理器的倾角信号输入端连接，中央处理器的输出端通过继电器驱动电路与继电器的线圈连接；本发明不仅可以实现自供电，而且对环境的适应性强。

Description

基于旋转陀螺的自供电随体发电装置

（一）、技术领域：

本发明涉及一种随体发电装置，特别涉及一种基于旋转陀螺的自供电随体发电装置。

（二）、背景技术：

基于旋转陀螺的随体发电装置属于一种能量收集器，其可俘获环境中的机械能，提供给相关的设备来使用，例如，在海上航行的航行器可通过基于旋转陀螺的随体发电装置不断俘获波浪能，供航行器上的一些设备使用。目前，基于旋转陀螺的随体发电装置均需外部供电使旋转陀螺产生自旋转，旋转陀螺存在旋转速率较低，俘能灵敏度低等问题，而且在环境振动较弱的情况下，旋转陀螺消耗的能量大于俘获的能量，由于旋转陀螺需要外部电池给其供电，维持其自转，一旦电池的电量耗尽，整个能量收集装置随即失效，因此，现有基于旋转陀螺的随体发电装置并未完全摆脱电池寿命的限制，给人们的使用造成不便，特别是在无人操作的工作场景中。

（三）、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，该随体发电装置不仅可以实现自供电，而且对环境的适应性强。

本发明的技术方案：

一种基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，含有微能量收集器﹑第一电源管理电路﹑第一可充电电池﹑加速度传感器﹑中央处理器﹑继电器驱动电路﹑继电器﹑旋转陀螺发电机﹑第二电源管理电路和第二可充电电池，微能量收集器输出的电能进入第一电源管理电路的输入端，第一电源管理电路的输出端输出的电能通过继电器的触点进入旋转陀螺发电机的输入端，旋转陀螺发电机的输出端与第二电源管理电路的输入端连接，第二电源管理电路的输出端即为该基于旋转陀螺的自供电随体发电装置的输出端；第一可充电电池与第一电源管理电路的电池端连接，第二可充电电池与第二电源管理电路的电池端连接，加速度传感器的输出端与中央处理器的倾角信号输入端连接，中央处理器的控制信号输出端通过继电器驱动电路与继电器的线圈连接；第一电源管理电路的输出端输出的电能还给加速度传感器﹑中央处理器和继电器驱动电路供电。

旋转陀螺发电机含有支撑框架﹑陀螺电机﹑陀螺转子﹑方形框﹑内环﹑外环﹑两个上铰链﹑两个下铰链和两个直线发电机，陀螺电机的电源输入端即为该旋转陀螺发电机的输入端，两个直线发电机的电源输出端即为该旋转陀螺发电机的输出端；外环的内径大于内环的外径，内环的内径大于陀螺转子的外径；外环的外侧面左﹑右两边通过两个外环转轴分别与支撑框架的内侧左﹑右两边连接，两个外环转轴的轴线位于外环的同一个直径上，当环境中的机械能使支撑框架的位置发生变化时，外环绕外环转轴转动；内环的外侧面前﹑后两边通过两个内环转轴分别与外环的内侧面前﹑后两边连接，两个内环转轴的轴线位于内环的同一个直径上，当环境中的机械能使支撑框架的位置发生变化时，内环绕内环转轴转动；外环转轴的轴线与内环转轴的轴线垂直；两个直线发电机的下端分别通过两个下铰链与内环的上端面左﹑右两边连接，两个直线发电机的上端分别通过两个上铰链与支撑框架的内顶面连接，两个下铰链的中心的连线与内环转轴的轴线垂直；方形框的正﹑反两个表面之间的中间面穿过内环的中心线，且该中间面与内环转轴的轴线的夹角为45°，方形框的上框边和下框边分别位于内环的上方和下方，方形框的两个侧框边与内环的中心线平行，且该两个侧框边的中部均与内环固定连接；陀螺电机的转轴的轴线与内环的中心线重合，陀螺电机的转轴从方形框的下面穿过方形框的下框边后到达上框边，陀螺电机的转轴上端通过上轴承与方形框的上框边连接，陀螺电机的转轴下部通过下轴承与方形框的下框边连接，方形框的外侧宽度小于外环的内径，方形框的内侧宽度大于陀螺转子的外径，陀螺转子安装在陀螺电机的转轴中部。

上铰链和下铰链均为球形铰链；外环和内环均为圆环；外环转轴的轴线与内环转轴的轴线相交且交点位于内环的中心线上。

下铰链的一端直接与直线发电机的下端连接，下铰链的另一端通过L形连接片与内环的上端面连接；上铰链的一端直接与直线发电机的上端连接，上铰链的另一端通过倒L形连接片与支撑框架的内顶面连接。

方形框的两个侧框边的内侧面中部均设有内凹槽，在内环的外侧面上且与内凹槽对应处设有外凹槽，方形框的两个侧框边和内环通过内凹槽和外凹槽的配合插接在一起。为了进一步增加牢固性，方形框和内环之间再通过螺钉紧固在一起。

陀螺电机和方形框之间设有U形的电机支架。

支撑框架为长方体形框架。

微能量收集器为摩擦发电机。

该基于旋转陀螺的自供电随体发电装置的工作原理为：微能量收集器收集环境中的机械能（如：波浪能），通过第一电源管理电路输出电能供陀螺电机使用，使陀螺电机转动，陀螺电机带动陀螺转子旋转，由于一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的，即陀螺的正定性，并且物体转动惯量越大，角速度越大，正定性越强，因此，陀螺转子的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向，同时反抗任何改变陀螺转子轴向的力量。利用这个特性，当环境中有机械能，如波浪能时，安装在浮体上的旋转陀螺发电机在波浪能的作用下，其外环会绕外环转轴转动，这样就使陀螺转子的轴偏离了原来的方向，陀螺转子就会产生反方向的力使它的轴回到原来的方向，由于方形框既和陀螺转子的轴连接，也和内环连接，因此就会带动内环绕内环转轴转动，并通过下铰链带动直线发电机上下运动，使直线发电机发电，将产出的电能通过第二电源管理电路储存到第二可充电电池中。

本发明的有益效果：

1、本发明采用微能量收集器作为旋转陀螺发电机的“起搏”装置，微能量收集器给旋转陀螺发电机中的陀螺电机供电，解决了现有技术中基于旋转陀螺的随体发电装置的电池电量会耗尽的问题，实现了基于旋转陀螺的随体发电装置的自供电，而且，本发明还为微能量收集器的工程化应用提供了一个崭新的思路，具有前沿性和先进性。

2、本发明采用加速度传感器检测环境中机械能（如：波浪能）的强度；当机械能过小（如：波浪太小）时，旋转陀螺发电机俘能效率极低，这时如果继续使陀螺电机高速旋转，则存在其耗能大于俘能的问题，此时，中央处理器控制继电器，停止给陀螺电机供电；当机械能过大（如：强大的风暴使波浪太大）时，为了保护旋转陀螺发电机的部件不被毁坏，同样需要停止给陀螺电机供电；当机械能正常（如：极端天气解除，波浪正常）后，中央处理器控制继电器，重新给陀螺电机供电，启动旋转陀螺发电机；本发明不仅能根据环境中机械能的强度选择性地关闭旋转陀螺发电机，而且，当机械能的强度恢复正常后，还可自动启动旋转陀螺发电机的工作，因此，本发明对环境的适应性强。

3、本发明的旋转陀螺发电机的各部件转动灵活﹑灵敏度高，自身消耗能量小。

4、本发明的微能量收集器采用摩擦发电机，摩擦发电机采用敏感材料直接将振动能量转化为电能，具有结构简单、尺寸小、灵敏度高、能量耗散低等优点。

（四）、附图说明：

图1为基于旋转陀螺的自供电随体发电装置的电路原理框图；

图2为旋转陀螺发电机的结构示意图；

图3为图2的右视结构示意图；

图4为图2的俯视结构示意图；

图5为图2中去除支撑框架时的结构示意图；

图6为图5的右视结构示意图；

图7为图5的立体结构示意图（未画倒L形连接片）；

图8为图5中去除直线发电机﹑上铰链﹑下铰链和倒L形连接片时的结构示意图；

图9为图8的俯视结构示意图；

图10为图8的仰视结构示意图；

图11为图8的立体结构示意图；

图12为图9中内环的结构示意图；

图13为图8中去除内环﹑内环转轴﹑外环﹑外环转轴和L形连接片时的结构示意图；

图14为图13的立体结构示意图。

（五）、具体实施例：

参见图1～图14，图中，基于旋转陀螺的自供电随体发电装置含有微能量收集器﹑第一电源管理电路﹑第一可充电电池﹑加速度传感器﹑中央处理器﹑继电器驱动电路﹑继电器﹑旋转陀螺发电机﹑第二电源管理电路和第二可充电电池，微能量收集器输出的电能进入第一电源管理电路的输入端，第一电源管理电路的输出端输出的电能通过继电器的触点进入旋转陀螺发电机的输入端，旋转陀螺发电机的输出端与第二电源管理电路的输入端连接，第二电源管理电路的输出端即为该基于旋转陀螺的自供电随体发电装置的输出端；第一可充电电池与第一电源管理电路的电池端连接，第二可充电电池与第二电源管理电路的电池端连接，加速度传感器的输出端与中央处理器的倾角信号输入端连接，中央处理器的控制信号输出端通过继电器驱动电路与继电器的线圈连接；第一电源管理电路的输出端输出的电能还给加速度传感器﹑中央处理器和继电器驱动电路供电。

旋转陀螺发电机含有支撑框架1﹑陀螺电机2﹑陀螺转子3﹑方形框4﹑内环5﹑外环6﹑两个上铰链7﹑两个下铰链8和两个直线发电机9，陀螺电机2的电源输入端即为该旋转陀螺发电机的输入端，两个直线发电机9的电源输出端即为该旋转陀螺发电机的输出端；外环6的内径大于内环5的外径，内环5的内径大于陀螺转子3的外径；外环6的外侧面左﹑右两边通过两个外环转轴10分别与支撑框架1的内侧左﹑右两边连接，两个外环转轴10的轴线位于外环6的同一个直径上，当环境中的机械能使支撑框架1的位置发生变化时，外环6绕外环转轴10转动；内环5的外侧面前﹑后两边通过两个内环转轴11分别与外环6的内侧面前﹑后两边连接，两个内环转轴11的轴线位于内环5的同一个直径上，当环境中的机械能使支撑框架1的位置发生变化时，内环5绕内环转轴11转动；外环转轴10的轴线与内环转轴11的轴线垂直；两个直线发电机9的下端分别通过两个下铰链8与内环5的上端面左﹑右两边连接，两个直线发电机9的上端分别通过两个上铰链7与支撑框架1的内顶面连接，两个下铰链8的中心的连线与内环转轴11的轴线垂直；方形框4的正﹑反两个表面之间的中间面穿过内环5的中心线OO’，且该中间面与内环转轴11的轴线的夹角为45°，方形框4的上框边和下框边分别位于内环5的上方和下方，方形框4的两个侧框边与内环5的中心线OO’平行，且该两个侧框边的中部均与内环5固定连接；陀螺电机2的转轴17的轴线与内环5的中心线OO’重合，陀螺电机2的转轴17从方形框4的下面穿过方形框4的下框边后到达上框边，陀螺电机2的转轴17上端通过上轴承14与方形框4的上框边连接，陀螺电机2的转轴17下部通过下轴承15与方形框4的下框边连接，方形框4的外侧宽度小于外环6的内径，方形框4的内侧宽度大于陀螺转子3的外径，陀螺转子3安装在陀螺电机2的转轴17中部。

上铰链7和下铰链8均为球形铰链；外环6和内环5均为圆环；外环转轴10的轴线与内环转轴11的轴线相交且交点位于内环5的中心线OO’上。

下铰链8的一端直接与直线发电机9的下端连接，下铰链8的另一端通过L形连接片13与内环5的上端面连接；上铰链7的一端直接与直线发电机9的上端连接，上铰链7的另一端通过倒L形连接片12与支撑框架1的内顶面连接。

方形框4的两个侧框边的内侧面中部均设有内凹槽18，在内环5的外侧面上且与内凹槽18对应处设有外凹槽19，方形框4的两个侧框边和内环5通过内凹槽18和外凹槽19的配合插接在一起。为了进一步增加牢固性，方形框4和内环5之间再通过螺钉紧固在一起。

陀螺电机2和方形框4之间设有U形的电机支架16。

支撑框架1为长方体形框架。

微能量收集器为摩擦发电机。

该基于旋转陀螺的自供电随体发电装置的工作原理为：微能量收集器收集环境中的机械能（如：波浪能），通过第一电源管理电路输出电能供陀螺电机2使用，使陀螺电机2转动，陀螺电机2带动陀螺转子3旋转，由于一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的，即陀螺的正定性，并且物体转动惯量越大，角速度越大，正定性越强，因此，陀螺转子3的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向，同时反抗任何改变陀螺转子3轴向的力量。利用这个特性，当环境中有机械能，如波浪能时，安装在浮体上的旋转陀螺发电机在波浪能的作用下，其外环6会绕外环转轴10转动，这样就使陀螺转子3的轴偏离了原来的方向，陀螺转子3就会产生反方向的力使它的轴回到原来的方向，由于方形框4既和陀螺转子3的轴连接，也和内环5连接，因此就会带动内环5绕内环转轴11转动，并通过下铰链8带动直线发电机9上下运动，使直线发电机9发电，将产出的电能通过第二电源管理电路储存到第二可充电电池中。

Claims (7)

1.一种基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，其特征是：含有微能量收集器﹑第一电源管理电路﹑第一可充电电池﹑加速度传感器﹑中央处理器﹑继电器驱动电路﹑继电器﹑旋转陀螺发电机﹑第二电源管理电路和第二可充电电池，微能量收集器输出的电能进入第一电源管理电路的输入端，第一电源管理电路的输出端输出的电能通过继电器的触点进入旋转陀螺发电机的输入端，旋转陀螺发电机的输出端与第二电源管理电路的输入端连接，第二电源管理电路的输出端即为该基于旋转陀螺的自供电随体发电装置的输出端；第一可充电电池与第一电源管理电路的电池端连接，第二可充电电池与第二电源管理电路的电池端连接，加速度传感器的输出端与中央处理器的倾角信号输入端连接，中央处理器的控制信号输出端通过继电器驱动电路与继电器的线圈连接；第一电源管理电路的输出端输出的电能还给加速度传感器﹑中央处理器和继电器驱动电路供电；旋转陀螺发电机含有支撑框架﹑陀螺电机﹑陀螺转子﹑方形框﹑内环﹑外环﹑两个上铰链﹑两个下铰链和两个直线发电机，陀螺电机的电源输入端即为该旋转陀螺发电机的输入端，两个直线发电机的电源输出端即为该旋转陀螺发电机的输出端；外环的内径大于内环的外径，内环的内径大于陀螺转子的外径；外环的外侧面左﹑右两边通过两个外环转轴分别与支撑框架的内侧左﹑右两边连接，两个外环转轴的轴线位于外环的同一个直径上；内环的外侧面前﹑后两边通过两个内环转轴分别与外环的内侧面前﹑后两边连接，两个内环转轴的轴线位于内环的同一个直径上；外环转轴的轴线与内环转轴的轴线垂直；两个直线发电机的下端分别通过两个下铰链与内环的上端面左﹑右两边连接，两个直线发电机的上端分别通过两个上铰链与支撑框架的内顶面连接，两个下铰链的中心的连线与内环转轴的轴线垂直；方形框的正﹑反两个表面之间的中间面穿过内环的中心线，且该中间面与内环转轴的轴线的夹角为45°，方形框的上框边和下框边分别位于内环的上方和下方，方形框的两个侧框边与内环的中心线平行，且该两个侧框边的中部均与内环固定连接；陀螺电机的转轴的轴线与内环的中心线重合，陀螺电机的转轴从方形框的下面穿过方形框的下框边后到达上框边，陀螺电机的转轴上端通过上轴承与方形框的上框边连接，陀螺电机的转轴下部通过下轴承与方形框的下框边连接，方形框的外侧宽度小于外环的内径，方形框的内侧宽度大于陀螺转子的外径，陀螺转子安装在陀螺电机的转轴中部。

2.根据权利要求1所述的基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，其特征是：所述上铰链和下铰链均为球形铰链；外环和内环均为圆环；外环转轴的轴线与内环转轴的轴线相交且交点位于内环的中心线上。

3.根据权利要求2所述的基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，其特征是：所述下铰链的一端直接与直线发电机的下端连接，下铰链的另一端通过L形连接片与内环的上端面连接；上铰链的一端直接与直线发电机的上端连接，上铰链的另一端通过倒L形连接片与支撑框架的内顶面连接。

4.根据权利要求1所述的基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，其特征是：所述方形框的两个侧框边的内侧面中部均设有内凹槽，在内环的外侧面上且与内凹槽对应处设有外凹槽，方形框的两个侧框边和内环通过内凹槽和外凹槽的配合插接在一起。

5.根据权利要求1所述的基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，其特征是：所述陀螺电机和方形框之间设有U形的电机支架。

6.根据权利要求1所述的基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，其特征是：所述支撑框架为长方体形框架。

7.根据权利要求1所述的基于旋转陀螺的自供电随体发电装置，其特征是：所述微能量收集器为摩擦发电机。

Images