CN114665685B - 平面二维随机振动能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种平面二维随机振动能量回收装置，包括：固定底盘、刚性滚珠、弹簧柱塞、极板、第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板、第四扇形板、第一弹簧、第二弹簧、滑杆、第一滑块、第二滑块、第一连接件、第二连接件、第一线圈、第二线圈、第一磁铁和第二磁铁。本发明的能量回收装置高效地回收了平面内任意方向的振动能量，而且，本发明回收的能量对振动源的方向和振动形式都没有要求，从而达到高效回收，并且本发明回收的能量不仅可以转换为电能储存起来为提供振动源的大型机床厂房供应电能进行照明，还可以对其机床厂房以及周围环境进行长期监测，又可以为周围环境减少噪声污染。

Description

平面二维随机振动能量回收装置

技术领域

本公开涉及一种基于椭圆规的平面二维随机振动能量回收装置，属于振动能量俘获技术领域。

背景技术

随着便携式电子设备、微电机系统和无线传感器网络的发展，微型化、低功耗的元件受到人们越来越多的青睐，而传统的电池供电方式因其体积大、质量大、使用寿命有限、特殊场合不易更换等因素而制约其发展，并且废弃电池还会带来材料浪费和环境污染等问题，因此，能量回收技术的研究对缓解能源危机，实现能源的清洁化、可持续化发展有重要意义。

能量回收就是将自然环境中能量转化为可利用能量的过程。自然环境中机械振动无处不在，不仅会造成结构损伤，还会产生噪声，如果能从机械振动中收集能量，既能够解决以上的问题，又能实现能量回收的目的，而从机械振动中获得能量已被证明是可以实现的。

振动能量是一种普遍存在的能源，存在于许多不同的场景。从周围环境获取能量对于实现自供电系统和满足快速增长的能源需求具有重要意义。振动是一种常见的机械运动形式，广泛存在于我们的周围环境中，如海浪振荡、大桥振荡、大型机床的振动等。环境中振动包含着巨大的能量，并且可以转换为电能而不污染环境。

但是，目前大多数能量回收装置都是一维或同轴二维的，而自然界中的振动不可能总是沿着单一方向，例如大桥的振荡，海浪的波动，大型机床的振动，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，只能是某些离散的频率点输出高性能，因此不能实现有效收集，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机构，会在与一定程度上增大器件的体积和重量，是一个不利因素，所以本发明提出了一种平面二维随机振动能量回收装置，更加高效地回收振动能量。

电磁式振动能量回收是利用电磁感应原理通过磁场把机械能转化为电能。这种方式的优点是成本低、输出功率大，缺点是产生的感应电动势较小，使用变压器提高线圈圈数和增加磁场强度可以提高感应电压。

因此，提出一种能量回收装置，其能高效地对振动能量进行回收是目前亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种平面二维随机振动能量回收装置。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种平面二维随机振动能量回收装置。其包括：固定底盘、刚性滚珠、弹簧柱塞、极板、第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板、第四扇形板、第一弹簧、第二弹簧、滑杆、第一滑块、第二滑块、第一连接件、第二连接件、第一线圈、第二线圈、第一磁铁和第二磁铁；

所述固定底盘内形成有环形轨道内置刚性滚珠，在所述固定底盘侧壁上形成有螺纹孔；

所述刚性滚珠置于固定底盘环形轨道内；以便减少摩擦，使得中心运动部分更加容易振动起来；

所述四个弹簧柱塞直接均布固定于固定底盘侧壁内，使中心运动部分振动时不必与固定底盘侧壁相撞；

所述极板与第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板、第四扇形板用螺栓连接组成十字轨道，轨道内置有线圈、弹簧；

所述第一扇形板与极板用螺栓相连，组成十字轨道；并在第一扇形板上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第二扇形板与极板用螺栓相连，组成十字轨道；并在第二扇形板上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第三扇形板与极板用螺栓相连，组成十字轨道；并在第三扇形板上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第四扇形板与极板用螺栓相连，组成十字轨道；并在第四扇形板上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第一弹簧置于十字轨道内以便限制第一滑块的运动，使得第一滑块只能在限制范围内运动并且不会出现在卡死位置；

所述第二弹簧置于十字轨道内以便限制第二滑块的运动，使得第二滑块只能在限制范围内运动并且不会出现在卡死位置；

所述滑杆为上面运动部分，与第一滑块、第二滑块相连；并且滑杆上留有多个通孔以便改变第一滑块与第二滑块间的距离，后半部分通孔则用来加载质量块使振动更加容易；

所述第一滑块中心留有螺纹通孔与滑杆顶端用螺栓相连，置于极板与第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板和第四扇形板组成的十字轨道内的一侧；并且正下方与第一连接件相连；

所述第二滑块中心留有螺纹通孔与滑杆中部用螺栓相连，置于极板与第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板和第四扇形板组成的十字轨道内的另一侧；并且正下方与第二连接件相连；

所述第一连接件置于第一滑块正下方与其相连，并且磁铁连接于第一连接件与第一滑块之间；

所述第二连接件置于第二滑块正下方与其相连，并且磁铁连接于第二连接件与第二滑块之间。

可选的，所述固定底盘的侧壁上开设有螺纹孔，所述弹簧柱塞固定连接于所述侧壁螺纹孔内。

可选的，所述固定底盘内开设有环形凹槽，所述刚性滚珠置于环形凹槽内，环形凹槽与刚性滚珠之间形成以间隙。

可选的，所述极板与第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板和第四扇形板通过螺栓固定连接。

可选的，所述滑杆与第一滑块、第二滑块以及第一连接件、第二连接件用螺栓连接。

可选的，所述滑杆与第一滑块、第二滑块在十字轨道内滑动时，允许在滑杆后端的通孔上加载质量块以加强振动。

本发明具有如下有益效果：本发明高效地回收了二维平面内任意方向的随机振动的能量，而且，本发明回收的能量对振动源的方向和振动形式都没有要求，从而达到高效回收，并且本发明回收的能量不仅可以转换为电能储存起来为提供振动源的大型机床厂房供应电能进行照明，还可以对其机床厂房以及周围环境进行长期监测，又可以为周围环境减少噪声污染。

本发明是基于椭圆规的一种创新性发明，提出了一种基于逆向椭圆规原理的平面二维随机振动能量回收装置，解决了传统能量回收装置无法回收二维随机振动能量的问题。通过将椭圆规的十字滑道作为能量回收的发电区域，反向利用椭圆规将一种无序随机的振动转换为有序规则的运动，并且利用能量回收装置将滑杆末端点的速度分解为十字轨道内X轴第一滑块和Y轴第二滑块的速度，从而更好地实现了将随机无序的运动转化为规则有序的运动。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为发明的平面二维随机振动能量回收装置的结构示意图；

图2为发明的平面二维随机振动能量回收装置的爆炸结构示意图；

图3为发明的平面二维随机振动能量回收装置的X轴向剖视图；

图4为发明的平面二维随机振动能量回收装置的Y轴向剖视图；

图5为发明的平面二维随机振动能量回收装置的半剖视图；

图中标记示意为：1-滑杆；2-第一滑块；3-第二滑块；4-第一连接件；5-第二连接件；6-第一线圈；7-第二线圈；8-第一磁铁；9-第二磁铁；10-第一弹簧；11-第二弹簧；12-第一扇形板；13-第二扇形板；14-第三扇形板；15-第四扇形板；16-极板；17-弹簧柱塞；18-刚性滚珠；19-固定底盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

为了描述性目的，本公开可使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。

这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

本实施例提供了一种能量回收装置，尤其是一种平面二维随机振动能量回收装置，用于收集大型机床振动的能量；其包括：固定底盘19、刚性滚珠18、弹簧柱塞17、极板16、第一扇形板12、第二扇形板13、第三扇形板14、第四扇形板15、第一弹簧10、第二弹簧11、滑杆1、第一滑块2、第二滑块3、第一连接件4、第二连接件5、第一线圈6、第二线圈7、第一磁铁8和第二磁铁9。

所述固定底盘19内形成有环形轨道内置刚性滚珠，在所述固定底盘19侧壁上形成有螺纹孔；所述刚性滚珠18置于固定底盘环形轨道内；以便减少摩擦，使得中心运动部分更加容易振动起来；

所述四个弹簧柱塞17直接均布固定于固定底盘侧壁内，使中心运动部分振动时不必与固定底盘侧壁相撞；所述极板16与第一扇形板12、第二扇形板13、第三扇形板14、第四扇形板15用螺栓连接组成十字轨道，轨道内置有线圈、弹簧；

所述第一扇形板12与极板16用螺栓相连，组成十字轨道；并在第一扇形板12上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第二扇形板13与极板16用螺栓相连，组成十字轨道；并在第二扇形板13上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第三扇形板14与极板16用螺栓相连，组成十字轨道；并在第三扇形板14上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第四扇形板15与极板16用螺栓相连，组成十字轨道；并在第四扇形板15上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第一弹簧10置于十字轨道内以便限制第一滑块2的运动，使得第一滑块2只能在限制范围内运动并且不会出现在卡死位置；

所述第二弹簧置11于十字轨道内以便限制第二滑块3的运动，使得第二滑块3只能在限制范围内运动并且不会出现在卡死位置；

所述滑杆1为上面运动部分，与第一滑块2、第二滑块3相连；并且滑杆1上留有多个通孔以便改变第一滑块2与第二滑块3间的距离，后半部分通孔则用来加载质量块使振动幅度更大，以便提高发电效率；

所述第一滑块2中心留有螺纹通孔与滑杆1顶端用螺栓相连，置于极板16与第一扇形板12、第二扇形板13、第三扇形板14和第四扇形板15组成的十字轨道内的一侧；并且正下方与第一连接件4相连；

所述第二滑块3中心留有螺纹通孔与滑杆1中部用螺栓相连，置于极板16与第一扇形板12、第二扇形板113、第三扇形板14和第四扇形板15组成的十字轨道内的另一侧；并且正下方与第二连接件5相连；

所述第一连接件4置于第一滑块2正下方与其相连，并且第一磁铁8连接于第一连接件4与第一滑块2之间；

所述第二连接件5置于第二滑块3正下方与其相连，并且第二磁铁9连接于第二连接件5与第二滑块3之间。

显而易见，大型机床的振动能量属于随机无序的，即振动能量的形式和来源方向均为随机，本发明的能量回收装置旨在对具有强烈振动的振动源内平面二维随机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有振动源且振动强烈的位置上，当能量回收装置工作时，连接杆在十字轨道内滑动产生电动势。

当发明的能量回收装置处在工作状态时，无论振动能量来自于平面内的哪个方向，振动形式是如何的，只要使能量回收装置振动起来，置于刚性滚珠上面的中心运动部分就会随之振动，且仅在下部固定底盘范围内，当中心运动部分振动时就会带动上部的滑杆在十字轨道上滑动，从而使磁铁在线圈内运动产生感应电动势。当振动源持续使能量回收装置保持运动时就会源源不断产生电动势，使收集的能量得以应用为一些附近设备供电。

由此，本发明高效地回收了二维平面内任意方向的能量，而且，本发明回收的能量对振动源的方向和振动形式都没有要求，从而达到高效回收，并且本发明回收的能量不仅可以转换为电能储存起来为提供振动源的大型机床厂房供应电能进行照明，还可以对其机床厂房以及周围环境进行长期监测，又可以为周围环境减少噪声污染。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (5)

1.一种平面二维能量回收装置，其特征在于，包括：固定底盘、刚性滚珠、弹簧柱塞、极板、第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板、第四扇形板、第一弹簧、第二弹簧、滑杆、第一滑块、第二滑块、第一连接件、第二连接件、第一线圈、第二线圈、第一磁铁和第二磁铁；

所述固定底盘内形成有环形轨道内置刚性滚珠，在所述固定底盘侧壁上形成有螺纹孔；

所述刚性滚珠置于固定底盘环形轨道内；以便减少摩擦，使得中心运动部分更加容易振动起来；

四个弹簧柱塞直接均布固定于固定底盘侧壁内，使中心运动部分振动时不必与固定底盘侧壁相撞；

所述极板与第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板、第四扇形板用螺栓连接组成十字轨道，轨道内置有所述线圈和所述弹簧；

所述第一扇形板与极板用螺栓相连，组成十字轨道；并在第一扇形板上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第二扇形板与极板用螺栓相连，组成十字轨道；并在第二扇形板上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第三扇形板与极板用螺栓相连，组成十字轨道；并在第三扇形板上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第四扇形板与极板用螺栓相连，组成十字轨道；并在第四扇形板上留有两个螺栓孔，两侧面各留有一个孔；

所述第一弹簧置于十字轨道内以便限制第一滑块的运动，使得第一滑块只能在限制范围内运动并且不会出现在卡死位置；

所述第二弹簧置于十字轨道内以便限制第二滑块的运动，使得第二滑块只能在限制范围内运动并且不会出现在卡死位置；

所述滑杆为上面运动部分，与第一滑块、第二滑块相连；并且滑杆上留有多个通孔以便改变第一滑块与第二滑块间的距离，后半部分通孔则用来加载质量块使振动幅度更大，以便提高发电效率；

所述第一滑块的中心留有螺纹通孔与滑杆顶端用螺栓相连，置于极板与第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板和第四扇形板组成的十字轨道内的一侧；并且正下方与第一连接件相连；

所述第二滑块的中心留有螺纹通孔与滑杆中部用螺栓相连，置于极板与第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板和第四扇形板组成的十字轨道内的另一侧；并且正下方与第二连接件相连；

所述第一连接件置于第一滑块正下方与其相连，并且第一磁铁连接于第一连接件与第一滑块之间；

所述第二连接件置于第二滑块正下方与其相连，并且第二磁铁连接于第二连接件与第二滑块之间。

2.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述极板与第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板和第四扇形板用螺栓固定连接。

3.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，刚性滚珠与固定底盘内的环形轨道之间形成有缝隙。

4.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述十字轨道内的线圈固定在十字轨道。

5.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，滑杆与第一滑块、第二滑块和连接件用螺栓固定连接。