CN113803205B - 一种仿眼波浪能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿眼波浪能量采集器，包括传动组件、电磁发电组件、线圈阵列、压电悬臂梁组件、线圈嵌板和侧板，两块侧板关于线圈嵌板对称布置，传动组件安装在侧板外侧，电磁发电组件安装在侧板内侧，线圈嵌板前后两面各嵌装有两组线圈阵列，线圈阵列与电磁发电组件对应布置，线圈嵌板与侧板均通过耳座安装在下安装座上，下安装座上安装有上盖，压电悬臂梁组件安装在线圈嵌板的耳座处，下安装座与上盖连接面的凹槽内安装有防水密封胶条，传动组件在海浪激励下左右摆动，并带动电磁发电组件转动，电磁发电组件与线圈阵列产生相对运动后通过电磁感应发电；本发明同现有技术相比，能够在低频不规则波浪激励下有效收集海洋环境中的波浪能量进行发电。
Description
[技术领域]
本发明涉及海洋波浪能量收集技术领域，具体地说是一种仿眼外形的电磁-压电复合海洋波浪能量采集器。
[背景技术]
无人探测器、无线传感器等可用于海洋设备状态监测，海洋环境资源生态探测和监测等，有利于海洋生态保护和海洋经济发展。但是海洋环境复杂多变，海域辽阔，电能供给困难。一般的电池供电存在寿命短，污染环境、维护难度大等问题，而大型的海洋发电装置或者布置线缆供电的方式成本高，对海洋生态影响较大，且只适用于近海海域。
海洋环境中分布着丰富的自然能源可供利用，波浪能量是分布最广泛且可以被大规模利用的可再生能源之一，平均波浪能为5-40kW/m。波浪能的能量密度高于风能和太阳能约一到两个数量级，且受昼夜影响小。通过波浪能量采集器，将海洋环境能量转换为电能，可以实现海洋环境小型机电系统的自供能。
因此，波浪能量采集受到了越来越多的关注。然而，海洋波浪能量采集仍存在两个关键难题：一是低频(0.1-2Hz)、不规则的波浪激励，不利于机电转换的同时容易造成采集器失稳和损坏；二是恶劣的海洋环境，海水的侵蚀与洋流冲刷严重影响器件的可靠性和寿命。除此之外，目前的海洋波浪能量采集器还存在器件功率低，机电转换效率低等问题。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种仿眼波浪能量采集器，能够在低频不规则波浪激励下有效收集海洋环境中的波浪能量进行发电，具有较好的环境适应性、稳定性和输出性能。
为实现上述目的设计一种仿眼波浪能量采集器，包括传动组件4、电磁发电组件10、线圈阵列3、压电悬臂梁组件8、线圈嵌板2、侧板9、上盖1和下安装座5，所述线圈嵌板2前后两侧均设置有侧板9，两块侧板9关于线圈嵌板2对称布置，所述传动组件4安装在侧板9外侧，所述电磁发电组件10安装在侧板9内侧，所述线圈嵌板2前后两面各嵌装有两组线圈阵列3，所述线圈阵列3与电磁发电组件10对应布置，所述线圈嵌板2与侧板9均通过耳座安装在下安装座5上，所述下安装座5上安装有上盖1，所述线圈嵌板2、侧板9装设于下安装座5与上盖1围合成的空腔内，所述压电悬臂梁组件8安装在线圈嵌板2的耳座处，所述下安装座5与上盖1连接面的凹槽内安装有防水密封胶条6，所述传动组件4在海浪激励下左右摆动，并带动电磁发电组件10转动，所述电磁发电组件10与线圈阵列3产生相对运动后通过电磁感应发电，所述压电悬臂梁组件8在海浪激励下或在电磁发电组件10转动产生的磁场激励下通过压电发电。
进一步地，所述下安装座5与上盖1之间装设有耳座防水盖7，所述耳座防水盖7紧扣在线圈嵌板2与侧板9的耳座上，所述耳座防水盖7的底面与下安装座5紧密接触，并以防水胶粘连。
进一步地，所述传动组件4包括扇形齿轮15、附加质量摆12、驱动齿轮一13、驱动齿轮二20、磁铁11、扇形齿轮回复磁铁21以及磁铁安装座22，所述扇形齿轮15通过中心轴18安装在侧板9上，所述附加质量摆12固定连接在扇形齿轮15上部，所述附加质量摆12在海浪激励下无阻碍地向左右两个方向摆动，并带动扇形齿轮15进行传动，所述扇形齿轮15左右两侧分别啮合连接驱动齿轮一13、驱动齿轮二20，所述驱动齿轮一13通过驱动轴一14安装在侧板9上，所述驱动齿轮二20通过驱动轴二19安装在侧板9上，所述驱动轴一14、驱动轴二19另一端均连接电磁发电组件10，所述扇形齿轮15与附加质量摆12之间通过螺栓固定连接有磁铁11，所述附加质量摆12左右两侧均设置有磁铁安装座22，所述磁铁安装座22安装在侧板9上，且左右对称布置，所述扇形齿轮回复磁铁21安装在磁铁安装座22上，所述扇形齿轮回复磁铁21与磁铁11极性相同。
进一步地，所述扇形齿轮15下方设置有限位块16，所述限位块16固定在侧板9上，所述限位块16左右两侧均安装有用于缓冲的弹簧板17。
进一步地，所述电磁发电组件10包括电磁感应磁铁阵列23、磁铁嵌板24、基体盘25和单向轴承26，所述电磁感应磁铁阵列23为环形分布，且相邻磁铁磁极相反，所述电磁感应磁铁阵列23嵌装在磁铁嵌板24中，所述磁铁嵌板24与基体盘25固定连接，所述基体盘25通过单向轴承26与驱动轴一14或驱动轴二19相连。
进一步地，所述单向轴承26外圈与磁铁嵌板24通过键槽结构相连，所述单向轴承26内圈与驱动轴一14或驱动轴二19通过键和键槽结构固定连接。
进一步地，所述压电悬臂梁组件8包括磁铁质量块27、悬臂梁28和压电片29，所述悬臂梁28一端固定连接在线圈嵌板2的耳座内，所述悬臂梁28上下面各贴有一片压电片29，所述压电片29具有压电效应，所述悬臂梁28另一端安装有磁铁质量块27，所述磁铁质量块27在装置受到波浪激励或者电磁发电组件10转动产生的磁场激励时带动悬臂梁28振动，进而使得压电片29产生形变。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明通过扇形齿轮以及磁铁、附加质量摆构成了一个双稳态系统，能够在不规则波浪激励下有效俘能，避免了目前的波浪能量收集装置功率低，环境适应性差的缺点；
(2)本发明通过扇形齿轮、驱动齿轮和单向轴承将不规则低频波浪激励转换为电磁发电组件的高速单向旋转，避免换向带来的能量损失的同时，在不同方向的波浪激励下都能驱动电磁发电组件运动，提高了发电功率和能量利用效率；
(3)本发明通过线圈嵌板和侧板的轻量化设计，嵌板和侧板的耳座定位嵌入式安装，以及组件之间的合理布置，减少了装置的重量和体积，降低了装置的成本，更有利于装置在海面上的漂浮；
(4)本发明防水密封胶条和耳座防水盖能减少海水的侵蚀，提高了本发明在恶劣海洋环境下的可靠性和稳定性；
(5)本发明复合了电磁感应发电和压电发电两种发电方式，适应了不同强度的波浪激励，电磁发电所需波浪激励大，但功率输出高，能给电池充电或者给大功耗元件供电；压电发电所需激励小，功率输出低，能供给传感器等小/微型电子器件；
(6)本发明能够在低频不规则波浪激励下有效收集海洋环境中的波浪能量进行发电，具有较好的环境适应性、稳定性和输出性能，值得推广应用。
[附图说明]
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明传动组件的结构示意图；
图3是本发明电磁发电组件的结构示意图；
图4是本发明压电悬臂梁组件的结构示意图；
图5a是本发明传动组件在向左波浪激励下到达极限位置示意图；
图5b是本发明传动组件在向右波浪激励下到达极限位置示意图；
图中：1、上盖 2、线圈嵌板 3、线圈阵列 4、传动组件 5、下安装座 6、防水密封胶条 7、耳座防水盖 8、压电悬臂梁组件 9、侧板 10、电磁发电组件 11、磁铁 12、附加质量摆13、驱动齿轮一 14、驱动轴一 15、扇形齿轮 16、限位块 17、弹簧板 18、中心轴 19、驱动轴二 20、驱动齿轮二 21、扇形齿轮回复磁铁 22、磁铁安装座 23、电磁感应磁铁阵列 24、磁铁嵌板 25、基体盘 26、单向轴承 27、磁铁质量块 28、悬臂梁 29、压电片。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
本发明提供了一种仿眼波浪能量采集器，其整体外形仿眼，主要功能组件安装在三块板上，通过耳座定位固定在底座上，上下合盖密封，辅以防水结构设计。
如附图1所示，本发明所述的仿眼波浪能量采集器，包括传动组件4、电磁发电组件10、线圈阵列3、压电悬臂梁组件8、线圈嵌板2、上盖1、侧板9、下安装座5、防水密封胶条6和耳座防水盖7；线圈嵌板2前后两侧均设置有侧板9，两块侧板9关于线圈嵌板2对称布置，传动组件4安装在侧板9外侧，电磁发电组件10安装在侧板9内侧；线圈嵌板2前后两面各嵌装有两组线圈阵列3，线圈阵列3对应电磁发电组件10设置；线圈嵌板2与侧板9均采用轻量化设计，均通过耳座安装在下安装座5上，下安装座5上安装有上盖1，线圈嵌板2、侧板9装设于下安装座5与上盖1围合成的空腔内；压电悬臂梁组件8安装在线圈嵌板2的耳座处，防水密封胶条6安装在下安装座5与上盖1连接面的凹槽内；下安装座5与上盖1之间装设有耳座防水盖7，耳座防水盖7紧扣在线圈嵌板2与侧板9的耳座上，耳座防水盖7的底面与下安装座5紧密接触，以防水胶粘连，用于防止线圈嵌板2与侧板9的耳座、螺纹紧固件以及内部结构受海水侵蚀。传动组件4在海浪激励下左右摆动，并带动电磁发电组件10转动，电磁发电组件10与线圈阵列3产生相对运动后通过电磁感应发电，压电悬臂梁组件8在海浪激励下或在电磁发电组件10转动产生的磁场激励下通过压电发电。
如附图2所示，传动组件4包括扇形齿轮15、驱动齿轮一13、驱动轴一14、驱动齿轮二20、驱动轴二19、中心轴18、磁铁11、附加质量摆12、扇形齿轮回复磁铁21、磁铁安装座22、限位块16和弹簧板17；附加质量摆12固定连接在扇形齿轮15上部，能够在海浪激励下无阻碍地向左或向右摆动，带动扇形齿轮15进行传动；扇形齿轮15通过中心轴18安装在侧板9上，扇形齿轮15左右两侧同时啮合驱动齿轮一13与驱动齿轮二20，扇形齿轮15的齿数远大于驱动齿轮一13和驱动齿轮二20，因此具有升频作用；驱动齿轮一13通过驱动轴一14安装在侧板9上，驱动轴一14另一端连接电磁发电组件10；驱动齿轮二20通过驱动轴二19安装在侧板9上，驱动轴二19另一端连接电磁发电组件10；限位块16位于扇形齿轮15下方，固定连接在侧板9上；磁铁11通过螺栓固定连接在扇形齿轮15与附加质量摆12之间，附加质量摆12左右两侧均设置有磁铁安装座22，磁铁安装座22左右对称布置，安装在侧板9上，扇形齿轮回复磁铁21安装在磁铁安装座22上，扇形齿轮回复磁铁21极性与磁铁11相同，提供磁排斥力，当扇形齿轮15摆至一侧极限位置后，能够通过磁场力作用促进扇形齿轮15摆回另一侧；扇形齿轮15下方设置有限位块16，限位块16固定在侧板9上，限位块16左右两侧均安装有用于缓冲的弹簧板17。
如附图3所示，电磁发电组件10包括电磁感应磁铁阵列23、磁铁嵌板24、基体盘25和单向轴承26，电磁感应磁铁阵列23为环形分布，相邻磁铁磁极相反，电磁感应磁铁阵列23嵌装在磁体嵌板24中，磁体嵌板24与基体盘25固定连接，基体盘25通过单向轴承26与驱动轴一14或驱动轴二20相连。单向轴承26外圈与磁铁嵌板24通过键槽结构相连，单向轴承26内圈与驱动轴一14或驱动轴二20通过键和键槽结构连接，单向轴承26以不同的传动方向分别安装在两个电磁发电组件10中。
如附图4所示，压电悬臂梁组件8包括磁铁质量块27、悬臂梁28和压电片29，悬臂梁28一端固定连接在线圈嵌板2的耳座内，悬臂梁28上下面各贴有一片压电片29，压电片29具有压电效应，磁铁质量块27固定安装在悬臂梁28另一端，磁铁质量块27在装置受到波浪激励或者发电组件10转动产生的磁场激励时将带动悬臂梁28振动，使得压电片29产生形变。
如附图5a和附图5b所示，分别为本发明的传动组件在向左波浪激励、向右波浪激励下到达极限位置示意图。
本发明的工作原理为：当本发明受到海洋波浪激励时，附加质量摆12和磁铁11将带动扇形齿轮15向一侧摆动，使得与之啮合的驱动齿轮一13、驱动齿轮二20分别带动驱动轴一14、驱动轴二19转动，同时由于单向轴承26的单向传动特性，驱动轴一14与驱动轴二19只有一个方向的转动扭矩会被传递到电磁发电组件10，从而保证了电磁发电组件10的单向旋转，避免了换向带来的能量损失；此外，由于两组电磁发电组件10的单向轴承26为不同的传动方向安装，因此扇形齿轮15在随机波浪激励下向左或向右任一方向摆动时，都有一个电磁发电组件10转动(另一个不转动)，与线圈阵列3产生相对运动，通过电磁感应发电，提高了装置的能量俘获效率。
扇形齿轮15以及磁铁11、附加质量摆12构成了一个双稳态系统，处于不稳定状态下的扇形齿轮15容易在波浪激励下向左或向右摆动以达到稳态。为了使扇形齿轮15更加容易从一个稳态(如附图5a所示)摆动到另一个稳态(如附图5b所示)，以提高发电量，本发明布置了扇形齿轮回复磁铁21，通过与磁铁11之间的磁斥力使得扇形齿轮15更容易从一侧摆动到另一侧。同时为了避免摆动幅度过大，齿轮啮合脱出范围，设置了限位块16和弹簧板17，能储存部分冲击势能，有利于扇形齿轮15的往复摆动，提高发电功率。
扇形齿轮15的齿数远大于驱动齿轮一13、驱动齿轮二20，低频的波浪激励得到升高，由于采用了单向轴承26，使得扇形齿轮15任一方向的摆动都能驱动电磁发电组件10进行高速单向旋转，与线圈阵列3产生相对运动，通过电磁感应发电；电磁感应磁铁阵列23磁极交错布置，可以提高磁通量变化率，有利提高输出功率；由于圆周阵列多个永磁体，使得电磁感应磁铁阵列23旋转一周可以产生多个磁激励，因此也具有升频效果。
压电悬臂梁组件8中设置的压电片29具有压电效应，能将悬臂梁28的振动机械能转化为电能，悬臂梁28末端固定连接的磁铁质量块27能增大悬臂梁的振动幅度，有利于压电悬臂梁组件8在较小的波浪激励下俘获更多振动能量，除了波浪激励下本发明摆动引发的悬臂梁振动，电磁发电组件10的旋转也会通过磁场变化影响磁铁质量块27从而激发或放大悬臂梁28的振动。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种仿眼波浪能量采集器，其特征在于：包括传动组件(4)、电磁发电组件(10)、线圈阵列(3)、压电悬臂梁组件(8)、线圈嵌板(2)、侧板(9)、上盖(1)和下安装座(5)，所述线圈嵌板(2)前后两侧均设置有侧板(9)，两块侧板(9)关于线圈嵌板(2)对称布置，所述传动组件(4)安装在侧板(9)外侧，所述电磁发电组件(10)安装在侧板(9)内侧，所述线圈嵌板(2)前后两面各嵌装有两组线圈阵列(3)，所述线圈阵列(3)与电磁发电组件(10)对应布置，所述线圈嵌板(2)与侧板(9)均通过耳座安装在下安装座(5)上，所述下安装座(5)上安装有上盖(1)，所述线圈嵌板(2)、侧板(9)装设于下安装座(5)与上盖(1)围合成的空腔内，所述压电悬臂梁组件(8)安装在线圈嵌板(2)的耳座处，所述下安装座(5)与上盖(1)连接面的凹槽内安装有防水密封胶条(6)，所述传动组件(4)在海浪激励下左右摆动，并带动电磁发电组件(10)转动，所述电磁发电组件(10)与线圈阵列(3)产生相对运动后通过电磁感应发电，所述压电悬臂梁组件(8)在海浪激励下或在电磁发电组件(10)转动产生的磁场激励下通过压电发电；所述传动组件(4)包括扇形齿轮(15)、附加质量摆(12)、驱动齿轮一(13)、驱动齿轮二(20)、磁铁(11)、扇形齿轮回复磁铁(21)以及磁铁安装座(22)，所述扇形齿轮(15)通过中心轴(18)安装在侧板(9)上，所述附加质量摆(12)固定连接在扇形齿轮(15)上部，所述附加质量摆(12)在海浪激励下无阻碍地向左右两个方向摆动，并带动扇形齿轮(15)进行传动，所述扇形齿轮(15)左右两侧分别啮合连接驱动齿轮一(13)、驱动齿轮二(20)，所述驱动齿轮一(13)通过驱动轴一(14)安装在侧板(9)上，所述驱动齿轮二(20)通过驱动轴二(19)安装在侧板(9)上，所述驱动轴一(14)、驱动轴二(19)另一端均连接电磁发电组件(10)，所述扇形齿轮(15)与附加质量摆(12)之间通过螺栓固定连接有磁铁(11)，所述附加质量摆(12)左右两侧均设置有磁铁安装座(22)，所述磁铁安装座(22)安装在侧板(9)上，且左右对称布置，所述扇形齿轮回复磁铁(21)安装在磁铁安装座(22)上，所述扇形齿轮回复磁铁(21)与磁铁(11)极性相同。
2.如权利要求1所述的仿眼波浪能量采集器，其特征在于：所述下安装座(5)与上盖(1)之间装设有耳座防水盖(7)，所述耳座防水盖(7)紧扣在线圈嵌板(2)与侧板(9)的耳座上，所述耳座防水盖(7)的底面与下安装座(5)紧密接触，并以防水胶粘连。
3.如权利要求1所述的仿眼波浪能量采集器，其特征在于：所述扇形齿轮(15)下方设置有限位块(16)，所述限位块(16)固定在侧板(9)上，所述限位块(16)左右两侧均安装有用于缓冲的弹簧板(17)。
4.如权利要求1所述的仿眼波浪能量采集器，其特征在于：所述电磁发电组件(10)包括电磁感应磁铁阵列(23)、磁铁嵌板(24)、基体盘(25)和单向轴承(26)，所述电磁感应磁铁阵列(23)为环形分布，且相邻磁铁磁极相反，所述电磁感应磁铁阵列(23)嵌装在磁铁嵌板(24)中，所述磁铁嵌板(24)与基体盘(25)固定连接，所述基体盘(25)通过单向轴承(26)与驱动轴一(14)或驱动轴二(19)相连。
5.如权利要求4所述的仿眼波浪能量采集器，其特征在于：所述单向轴承(26)外圈与磁铁嵌板(24)通过键槽结构相连，所述单向轴承(26)内圈与驱动轴一(14)或驱动轴二(19)通过键和键槽结构固定连接。
6.如权利要求1所述的仿眼波浪能量采集器，其特征在于：所述压电悬臂梁组件(8)包括磁铁质量块(27)、悬臂梁(28)和压电片(29)，所述悬臂梁(28)一端固定连接在线圈嵌板(2)的耳座内，所述悬臂梁(28)上下面各贴有一片压电片(29)，所述压电片(29)具有压电效应，所述悬臂梁(28)另一端安装有磁铁质量块(27)，所述磁铁质量块(27)在装置受到波浪激励或者电磁发电组件(10)转动产生的磁场激励时带动悬臂梁(28)振动，进而使得压电片(29)产生形变。
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