CN114033604A - 一种摩擦筒式海浪发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摩擦筒式海浪发电机，属新能源领域；壳体装在座板上，转轴由带拨块的粗轴与其两端的细轴构成；定筒的定筒体内壁上设有定附加层，转筒转筒体内缘上设有筒槽、外缘上设有动附加层，摆盘上设有耳板，摆盘两侧分别设有摆盘孔和沉腔，沉腔的腔壁上均布有内嵌拨片的插槽；转盘外缘上均布有凸齿；定筒经壳盖压接在壳体内，转筒套在定筒内，动定附加层压接；转轴装在体内，拨块置于筒槽内；转轴一端经轴孔伸出并套有摆盘和转盘，拨片自由端插入转盘的齿隙中；摆盘套在细轴上，转盘装在细轴上；两摆盘的耳板与摆臂一端相连，摆臂上装有惯性块，摆臂经两个弹簧与机架的立板相连，弹簧与摆臂垂直，惯性块和弹簧在摆臂上的安装位置可调。

Description

一种摩擦筒式海浪发电机

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种摩擦筒式海浪发电机。

背景技术

为满足微功率电子产品、远程传感及埋植监测系统等的供电需求、避免大量废弃电池污染环境，基于电磁、摩擦及压电等原理的微小型发电机或俘能器的研究已经成为国内外的前沿热点。在利用各种原理构造微型发电机方面，国内外均有较多专利申请，能量来源涉及环境中的振动能、流体能、旋转动能及人体运动能等多发面。相对而言，波浪能原动力存在广泛且能量密度高，作为一种清洁能源更具开发应用潜力。目前，波浪能收集技术大都采用电磁发电进行收集，其技术复杂、成本较高等限制，其中振动式电磁发电机在低频波浪激励下的能量转化效率较低，大规模推广应用受到了一定的制约。有鉴于此，人们逐渐提出了多种类型的压电及摩擦式波浪发电机，以适应低频波浪能的回收需求。实际应用中，由于结构原理或器件特性的原因，现有波浪发电机的基本是都接触分离式且其系统固有频率都是固定的，工作中存在接触冲击、噪音，最关键的是无法满足不同海域波浪拍击频率及浪高等激励条件下的应用需求。

发明内容

针对现有接触-分离式波浪发电机所存在的问题，提出一种摩擦筒式海浪发电机，主要包括机架、壳盖、转轴、摆臂、惯性块、弹簧、平键、摆盘、定筒、转筒、拨片及转盘，摆盘、摆臂、惯性块及弹簧构成激励器。

机架由两个壳体、座板及两个立板构成，壳体由壳壁和壳底构成；壳盖经螺钉安装在壳壁端部，壳盖和壳底上都设有轴孔和环槽；壳体经立板安装在座板上，两个壳底相对安装。

转轴由粗轴与其两端的细轴构成，粗轴与细轴同轴，粗轴上沿圆周方向均布地设有拨块，较长的细轴上设有键槽。

定筒的定筒体内壁上设有定附加层，定附加层仅为沿圆周方向均布的电极条；或定附加层由定膜层和沿圆周方向均布的电极条构成，电极条靠近定筒体，定膜层为整体或分体结构；圆周方向相邻的电极条分属于I电极组和II电极组，同一电极组中的电极条端部并联，两个电极组中的电极条及其连接部分均无接触。

转筒的转筒体的内缘上均有地设有轴向的筒槽、外缘上设有动附加层，动附加层由沿圆周方向均布的弹性条和动膜层构成，动膜层为整体或分体结构；弹性条靠近转筒体并嵌入到转筒体内，弹性条的圆心角与电极条的圆心角相等，所有弹性条的圆心角之和小于180度，弹性条的数量为电极条数量的一半。

摆盘外缘上设有耳板，摆盘的两侧分别设有相互连通的摆盘孔和沉腔，沉腔的腔壁上均布有插槽，插槽的两个槽壁高度不等，高槽壁远高于矮槽壁，矮槽壁所在的平面经过摆盘的轴线；插槽内镶嵌有拨片，拨片自由端高出高槽壁。

转盘为环形，转盘的内缘上设有键槽、外缘上均布有凸齿，凸齿由平齿面和斜齿面构成，平齿面所在平面经过转盘的轴线，平齿面和斜齿面间的齿尖角为锐角。

定筒经壳盖压接在壳体内，转筒套在定筒内，定附加层与动附加层压接；转轴两端的细轴分别经轴承安装在壳底和壳盖上，轴承的内圈套在细轴上，轴承的外圈置于壳底和壳盖上的轴孔内；转轴的粗轴置于壳体内，粗轴上的拨块置于转筒的筒槽内，转筒随转轴转动；转轴的细轴经壳底上的轴孔伸出端上套有摆盘和转盘，转盘套在摆盘的沉腔内，拨片的自由端插入转盘的齿隙中，齿隙是指两相邻凸齿的平齿面和斜齿面之间的部分；摆盘空套在细轴上，摆盘可绕细轴转动，转盘经平键安装在细轴上，转盘的中心孔套在细轴上并经平键固定；两个转轴上所装摆盘的沉腔相对，两摆盘的耳板经螺钉与摆臂的一端相连，摆臂上经螺钉安装有惯性块，摆臂经两个弹簧与机架的立板相连，惯性块和弹簧在摆臂上的安装位置可调，弹簧与摆臂垂直。

本发明中，摆臂垂直可处于铅垂面内或水平面内，分别用于收集横向和纵向振动的能量；摆臂处于水平面内时，两个调频簧到转轴中心的距离不相等。

本发明中，定附加层和动附加层构成摩擦发电单元，I电极组和II电极组为摩擦发电单元的两个电极；电极条的材料为铝或铜；一个摩擦发电单元中，定膜层和动膜层的材料为摩擦电序列中相距较远的两种材料，如尼龙和聚四氟乙烯、铝和聚四氟乙烯，等等。

本发明中，摆盘和摆臂均为轻质的非金属材料，摆盘和摆臂的质量远小于惯性块的质量；摆盘、摆臂、惯性块及弹簧构成激励器，其固有频率由摆盘、摆臂、惯性块及弹簧结构、尺寸及空间位置参数等确定，激励器的固有频率与环境振动频率相等时转轴产生摆角最大；其它结构及参数确定后，激励器固有频率通过摆臂上惯性块的质量、弹簧的刚度及惯性块和弹簧的安装位置加以调节，激励器的固有频率为

，式中：ζ为阻尼比，k为弹簧的刚度， y1和y2分别为两个弹簧到转轴中心的距离， m和x分别为惯性块的质量和质心到转轴中心的距离。

工作中，发电机需封装在额外的密闭壳体内且经额外的弹簧或柔性绳索固定在海水中；海浪冲击下，激励器因受惯性块的惯性力的作用而往复摆动，激励器再经拨片驱动转盘单向转动，两个转盘的回转方向相反，一个顺时针转动、另一个逆时针转动；激励器往复摆动一次，两转盘各转动一步，如图1、图2、图3所示。

图1中摆臂向远处摆动时，左侧摆盘逆齿向摆动、即图2中摆臂向右摆动，拨片顶靠在高槽壁和平齿面上，拨片悬臂长度短且不发生弯曲变形，拨片经平齿面推动右侧转盘逆时针转动一步；同时，右侧摆盘顺齿向摆动、即图3中摆臂向左摆动，拨片脱离高槽壁并顶靠在斜齿面上，拨片悬臂部分长且弯曲变形后从所接触的斜齿面上滑过，从一个齿隙进入到下一个齿隙中；因定筒和转筒间的摩擦力作用，左侧的转盘保持相对静止、不随摆盘的摆动而转动。

图1中摆臂向近处摆动时，左侧摆盘顺齿向摆动、即图2中摆臂向左摆动，拨片脱离高槽壁并顶靠在斜齿面上，拨片悬臂部分长且弯曲变形后从所接触的斜齿面上滑过，进入到下一个齿隙中，左侧的转盘保持相对静止；同时，右侧摆盘逆齿向摆动、即图3中摆臂向右摆动，拨片顶靠在高槽壁和平齿面上，拨片悬臂长度短且不发生弯曲变形，拨片经平齿面推动左侧的转盘顺时针转动一步。

激励器驱动转盘步进式转动过程中，转盘再经转轴驱动转筒转动，转筒与定筒相对滑动过程中定附加层和动附加层间接触摩擦产生的电荷在I电极组和II电极组间往复迁移，从而将机械能转换成电能，电能经转换处理后存储或输出。

优势与特色：将波浪引起的振动转换成连续转动，避免接触-分离式摩擦发电所引起的冲击与噪音，运动转换机构简单可靠，有效利用了微幅摆动；激励系统固有频率易于通过弹簧刚度和惯性块质量设计获得，出厂后易通过改变惯性块位置调整固有频率，调频方法简单、适用范围广。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的B-B视图；

图4是图1的I部放大图；

图5是本发明一个较佳实施例中机架的结构示意图；

图6是图5的左视图；

图7是本发明一个较佳实施例中定筒的结构示意图；

图8是图7的左视图；

图9是本发明一个较佳实施例中转筒的结构示意图；

图10是图9的左视图；

图11是本发明一个较佳实施例中转轴的结构示意图；

图12是图11的右视图；

图13是本发明一个较佳实施例中摆盘的结构示意图；

图14是图13的左视图；

图15是本发明一个较佳实施例中转盘的结构示意图。

具体实施方式

一种摩擦筒式海浪发电机，主要包括机架a、壳盖b、转轴c、摆臂d、惯性块f、弹簧k、平键g、摆盘h、定筒j、转筒i、拨片m及转盘n，摆盘h、摆臂d、惯性块f及弹簧k构成激励器。

机架a由两个壳体a0、座板a1及两个立板a2构成，壳体a0由壳壁a3和壳底a4构成；壳盖b经螺钉安装在壳壁a3端部，壳盖b和壳底a4上都设有轴孔a5和环槽a6；壳体a0经立板a2安装在座板a1上，两个壳底a4相对安装。

转轴c由粗轴c1与其两端的细轴c2构成，粗轴c1与细轴c2同轴，粗轴c1上沿圆周方向均布地设有拨块a3，较长的细轴c2上设有键槽c4。

定筒j的定筒体j1内壁上设有定附加层j2，定附加层j2仅为沿圆周方向均布的电极条j21；或定附加层j2由定膜层j22和沿圆周方向均布的电极条j21构成，电极条j21靠近定筒体j1，定膜层j22为整体或分体结构；圆周方向相邻的电极条j21分属于I电极组和II电极组，同一电极组中的电极条j21端部相连，两个电极组中的电极条j21及其连接部分均无接触。

转筒i的转筒体i1的内缘上均有地设有轴向的筒槽i11、外缘上设有动附加层i2，动附加层i2由沿圆周方向均布的弹性条i21和动膜层i22构成，动膜层i22为整体或分体结构；弹性条i21靠近转筒体i1并嵌入到转筒体i1内，弹性条i21的圆心角与电极条j21的圆心角相等，所有弹性条i21的圆心角之和小于180度，弹性条i21的数量为电极条j21数量的一半。

摆盘h外缘上设有耳板h1，摆盘h的两侧分别设有摆盘孔h2和沉腔h3，沉腔h3的腔壁上均布有插槽h4，插槽h4的两个槽壁高度不等，高槽壁h5远高于矮槽壁h6，矮槽壁h6所在的平面经过摆盘h的轴线；插槽h4内镶嵌有拨片m，拨片m自由端高出高槽壁h5。

转盘n为环形，转盘n的中心孔n0的孔壁上设有键槽n2、外缘上均布有凸齿n1，凸齿n1由平齿面n3和斜齿面n4构成，平齿面n3所在平面经过转盘n的轴线，平齿面n3和斜齿面n4间的齿尖角n5为锐角。

定筒j经壳盖b压接在壳体a0内，转筒i套在定筒内，定附加层j2与动附加层i2压接；转轴c两端的细轴c2分别经轴承安装在壳底a4和壳盖b上，轴承的内圈套在细轴c2上，轴承的外圈置于壳底a4和壳盖b上的轴孔a5内；转轴c的粗轴c1置于壳体a0内，粗轴c1上的拨块a3置于转筒i的筒槽i11内，转筒i随转轴c转动；转轴c的细轴c2经壳底a4上的轴孔a5伸出端上套有摆盘h和转盘n，转盘n套在摆盘h的沉腔h3内，拨片m的自由端插入转盘n的齿隙n6中，齿隙n6是指两相邻凸齿n1的平齿面n3和斜齿面n4之间的部分；摆盘h的摆盘孔h2套在细轴c2上，摆盘h可绕细轴c2转动，转盘n经平键g安装在细轴c2上，转盘n的中心孔n0套在细轴c2上并经平键g固定；两个转轴c上所装摆盘h的沉腔h3相对，两摆盘h的耳板h1经螺钉与摆臂d的一端相连，摆臂d上经螺钉安装有惯性块f，摆臂d经两个弹簧k与机架a的立板a2相连，惯性块f和弹簧k在摆臂d上的安装位置可调，弹簧k与摆臂d垂直。

本发明中，摆臂d垂直可处于铅垂面内或水平面内，分别用于收集横向和纵向振动的能量；摆臂d处于水平面内时，两个调频簧到转轴c中心的距离不相等。

本发明中，定附加层j2和动附加层i2构成摩擦发电单元，I电极组和II电极组为摩擦发电单元的两个电极；电极条j21的材料为铝或铜；一个摩擦发电单元中，定膜层j22和动膜层i22的材料为摩擦电序列中相距较远的两种材料，如尼龙和聚四氟乙烯、铝和聚四氟乙烯，等等。

本发明中，摆盘h和摆臂d均为轻质的非金属材料，摆盘h和摆臂d的质量远小于惯性块f的质量；摆盘h、摆臂d、惯性块f及弹簧k构成激励器，其固有频率由摆盘h、摆臂d、惯性块f及弹簧k结构、尺寸及空间位置参数等确定，激励器的固有频率与环境振动频率相等时转轴c产生摆角最大；其它结构及参数确定后，激励器固有频率通过摆臂d上惯性块f的质量、弹簧k的刚度及惯性块f和弹簧k的安装位置加以调节，激励器的固有频率为

，式中：ζ为阻尼比，k为弹簧k的刚度， y1和y2分别为两个弹簧k到转轴c中心的距离， m和x分别为惯性块f的质量和质心到转轴c中心的距离。

工作中，发电机需封装在额外的密闭壳体内且经额外的弹簧或柔性绳索固定在海水中；海浪冲击下，激励器因受惯性块f的惯性力的作用而往复摆动，激励器再经拨片m驱动转盘n单向转动，两个转盘n的回转方向相反，一个顺时针转动、另一个逆时针转动；激励器往复摆动一次，两转盘n各转动一步，如图1、图2、图3所示。

图1中摆臂d向远处摆动时，左侧摆盘h逆齿向摆动、即图2中摆臂d向右摆动，拨片m顶靠在高槽壁h5和平齿面n3上，拨片m悬臂长度短且不发生弯曲变形，拨片m经平齿面n3推动右侧转盘n逆时针转动一步；同时，右侧摆盘h顺齿向摆动、即图3中摆臂d向左摆动，拨片m脱离高槽壁h5并顶靠在斜齿面n4上，拨片m悬臂部分长且弯曲变形后从所接触的斜齿面n4上滑过，从一个齿隙n6进入到下一个齿隙n6中；因定筒j和转筒i间的摩擦力作用，左侧的转盘n保持相对静止、不随摆盘h的摆动而转动。

图1中摆臂d向近处摆动时，左侧摆盘h顺齿向摆动、即图2中摆臂向左摆动，拨片m脱离高槽壁h5并顶靠在斜齿面n4上，拨片m悬臂部分长且弯曲变形后从所接触的斜齿面n4上滑过，进入到下一个齿隙n6中，左侧的转盘n保持相对静止；同时，右侧摆盘h逆齿向摆动、即图3中摆臂向右摆动，拨片m顶靠在高槽壁h5和平齿面n3上，拨片m悬臂长度短且不发生弯曲变形，拨片m经平齿面n3推动左侧的转盘n顺时针转动一步。

激励器驱动转盘n步进式转动过程中，转盘n再经转轴c驱动转筒i转动，转筒i与定筒j相对滑动过程中定膜层j22和动膜层i22间接触摩擦产生的电荷在I电极组和II电极组间往复迁移，从而将机械能转换成电能，电能经转换处理后存储或输出。

Claims (3)

1.一种摩擦筒式海浪发电机，其特征在于：两个壳体经立板装在座板上；转轴由带拨块的粗轴与其两端的细轴构成；定筒的定筒体内壁上设有定附加层，转筒的转筒体内缘上设有筒槽、外缘上设有动附加层；摆盘两侧分别设有摆盘孔和沉腔，沉腔的腔壁上均布有槽壁高度不等的插槽，插槽内镶嵌有拨片；转盘外缘上均布有由平齿面和斜齿面构成的凸齿，平齿面和摆盘内缘上的矮槽壁所在的平面经过摆盘的轴线；定筒经壳盖压接在壳体内，转筒套在定筒内，定附加层与动附加层压接；转轴装在壳底和壳盖上，拨块置于筒槽内，一端的细轴经轴孔伸出并套有摆盘和转盘，拨片自由端插入转盘的齿隙中；摆盘空套在细轴上，转盘装在细轴上；两摆盘外缘上的耳板与摆臂的一端相连，摆臂上装有惯性块，摆臂经两弹簧与机架的立板相连，惯性块和弹簧在摆臂上的安装位置可调；定附加层和动附加层间的相对滑动将机械能转换成电能。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦筒式海浪发电机，其特征在于：定附加层为沿圆周方向均布的电极条，或由定膜层和沿圆周方向均布的电极条构成，圆周方向相邻的电极条分属于I电极组和II电极组，同一电极组中的电极条并联。

3.根据权利要求1所述的一种摩擦筒式海浪发电机，其特征在于：动附加层由沿圆周方向均布的弹性条和动膜层构成；弹性条靠近转筒体并嵌入到转筒体内，弹性条的圆心角与电极条的圆心角相等，所有弹性条的圆心角之和小于180度，弹性条的数量为电极条数量的一半。

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