CN115095469A - 双磁铁磁驱式波浪能收集器、设备和波浪能收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双磁铁磁驱式波浪能收集器，包括俘能系统，包括两个俘能构件和至少一个导向元件，两个俘能构件分别设于导向元件的两侧；俘能构件包括俘能磁铁架和固定于俘能磁铁架内的俘能磁铁；两个俘能构件的俘能磁铁同极相对；换能系统，设于两个俘能构件之间且和导向元件活动连接；换能系统包括换能固定架和固定于换能固定架的换能模块，换能模块包括铜线圈、旋转支架、换能磁铁架和两个与俘能磁铁极性不同的换能磁铁；铜线圈套设于旋转支架上，两个换能磁铁固定于换能磁铁架的两侧，换能磁铁架和旋转支架转动连接。本发明搭载于双磁铁磁驱式波浪能收集设备，实现对波浪能的收集并转化为内部结构的低频运动，通过换能系统实现高效发电。

Description

双磁铁磁驱式波浪能收集器、设备和波浪能收集方法

技术领域

本发明涉及波浪能收集装置技术领域，尤其是指一种双磁铁磁驱式波浪能收集器、设备和波浪能收集方法。

背景技术

目前，用于海洋观测的装备主要分为定点式与移动式观测平台，包括ARGO浮标、海洋资料浮标、无人船等，这些海洋装备内部集成了大量传感器以实现海洋关键信息的获取。海洋观测装备长时间、全时空的监测需要消耗大量的电能，仅依靠增加自带的电池数量或降低平台的功耗依旧无法满足长时间的续航需求。在海洋中波浪由诸多不同频率、波向、波长和波高的规则波无序叠加而成，通常波高在0.5-2.3m之间，平均频率＜1Hz，具有频率低且波形随机等特征。

针对海上装备供能的波浪能源收集技术研究，主要面临的难点问题是超低频且不规律的波浪激励机械能难以高效转化为电能输出，能量转换效率低，输出功率密度仍不理想。

研究人员针对上述难点问题已采用波浪能源收集器进行解决，其中，波浪能源收集器主要由俘能机制与换能机制两大部分组成。俘能机制主要用于俘获装置搭载平台受到的波浪激励机械能，将其转化为装置内部的不同形式机械能，常见的俘能机制包括振荡水柱式、波浪表面筏式、振荡浮体式、点头鸭式、摆式等。换能机制主要是将内部结构运动的机械动能，通过机电耦合原理转换为电能，涵盖压电式、电磁式和纳米摩擦电式这三种机电耦合换能原理。压电式、摩擦电式和电磁式机电耦合换能机制的输出性能与其耦合频率有关。

由于海洋环境中波浪激励频率低，且波浪能源收集器的俘能结构通常处于随动低频运动状态，因此输出性能普遍较低。为了进一步提升波浪能收集器的输出性能，研究人员提出升频机制换能方法，将俘能结构的低频运动转化为换能机制的高频运动。目前，针对波浪能源收集的升频机制研究相对较少，现有的波浪能源收集的升频机制主要分为以下三种：1、齿轮增速升频机制；2、非接触式磁驱升频机制；3、接触式升频机制。

但是，现有的波浪能源收集的升频机制分别存在不足之处，具体如下：

1、齿轮增速升频方法指的是波浪能源收集装置利用主从动齿轮配合传动以实现俘能机构低频运动向换能机构高频运动转化。通常主齿轮与俘能结构固连，次级齿轮与换能机构部分固连，其升频效果则直接取决于齿轮间的传动比。传动比越高，升频效果越好，但同时也需要更大的外部驱动力。在海洋环境下，波浪运动随机，齿轮运动的反复换向也会导致零件的加速磨损，最终波浪能的手机效率降低。

2、非接触式磁驱升频机制指的是通过两个磁体之间的吸引与排斥力影响，实现其中一个磁体的低频运动向另一个磁体的高频运动转换。两个磁体分别与波浪能源收集器中的俘能结构、换能结构想固连，且换能结构通常采用悬臂梁，这是利用了悬臂梁自身固有频率较低的特点。但是目前的技术仍未实现较高倍数的升频效果，波浪能收集器的性能仍未实现突破。

3、接触式升频机制是在磁驱升频机制的基础上，将非接触式磁力影响变换成接触式碰撞影响，以碰撞形式改变物体的运动状态。基于接触式升频机制的波浪能源收集器通常也采用悬臂梁作为换能结构，通过外界低频碰撞引起悬臂梁结构的高频振动，从而实现装置的高功率输出。但是碰撞过程同样是加速器件损坏的过程，不符合海洋环境长期稳定工作的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种双磁铁磁驱式波浪能收集器、设备和波浪能收集方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种双磁铁磁驱式波浪能收集器，包括

俘能系统，包括两个俘能构件和至少一个导向元件，两个所述俘能构件分别设于所述导向元件的两侧；所述俘能构件包括俘能磁铁架和固定于所述俘能磁铁架内的俘能磁铁；两个所述俘能构件的俘能磁铁同极相对；

换能系统，设于两个所述俘能构件之间且和所述导向元件活动连接；所述换能系统包括换能固定架和固定于所述换能固定架的换能模块，所述换能模块包括铜线圈、旋转支架、换能磁铁架和两个与所述俘能磁铁极性不同的换能磁铁；所述铜线圈套设于所述旋转支架上，两个所述换能磁铁固定于所述换能磁铁架的两侧，所述换能磁铁架和所述旋转支架转动连接；

当双磁铁磁驱式波浪能收集器在外力作用下，所述俘能构件的运动呈现为往复直线运动，在所述俘能构件的往复运动过程中，所述换能系统的换能磁铁受到两个所述俘能构件中的俘能磁铁的交替影响，所述换能磁铁发生旋转，旋转过程中磁感线切割所述铜线圈，实现电磁发电。

其进一步的技术特征在于：所述俘能磁铁包括一组相互吸引的N极磁铁和S极磁铁。

其进一步的技术特征在于：所述换能固定架包括一组支架，所述支架开设两个通孔，并在所述通孔中安装直线轴承，且所述直线轴承穿过所述导向元件；所述支架开设缺口，所述缺口卡接所述换能模块。

其进一步的技术特征在于：所述铜线圈设置在所述旋转支架的中部，且所述铜线圈的内径和所述旋转支架的外径相同。

其进一步的技术特征在于：所述旋转支架的侧边开设中心孔，所述中心孔用于安装旋转轴承和旋转轴；所述旋转轴承套设于所述旋转轴，且所述旋转轴依次穿过所述旋转支架和所述换能磁铁架；所述旋转轴承的外圈与内圈分别与所述旋转支架和所述换能磁铁架上的轴过盈配合。

其进一步的技术特征在于：两个所述换能磁铁的数量和厚度均相同。

其进一步的技术特征在于：所述俘能磁铁架包括一组框架，所述框架开设安装槽，所述安装槽用于安装所述俘能磁铁；所述框架还开设连接孔，所述连接孔用于穿过所述导向元件。

一种双磁铁磁驱式波浪能收集设备，包括搭载装置，所述搭载装置内设置至少两个上述所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，所述双磁铁磁驱式波浪能收集器可以任意角度交叉固定于所述搭载装置内。

其进一步的技术特征在于：所述搭载装置包括壳体，所述壳体内设置至少两个平台，所述平台用于安装所述双磁铁磁驱式波浪能收集器，且所述壳体的顶部设置顶盖。

一种波浪能收集方法，利用上述所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，其特征在于：当双磁铁磁驱式波浪能收集器在海洋环境下受到波浪的影响产生晃动，俘能构件因惯性力作用沿着导向元件的长度方向滑动，波浪来回激励双磁铁磁驱式波浪能收集器，俘能构件的运动呈现为往复直线运动，换能系统的换能磁铁受到两个俘能构件的俘能磁铁的交替影响，换能磁铁发生旋转，旋转过程中磁感线切割铜线圈，换能系统将波浪能转化为电能。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明设计了一种双磁铁驱动的波浪能收集装置，通过交叉阵列的安装方式，可以实现对超低频、任意方向的波浪能进行收集。

2、本发明通过两个俘能磁铁对换能磁铁交替影响，可以将俘能磁铁的低频往复直线运动转化为换能磁铁的高频旋转运动，实现高功率电能输出。

3、本发明提供的双磁铁驱动磁驱升频发电技术区相对于传统的磁驱升频方案升频效果更好，输出功率更高；相对于传统齿轮增速升频机制和碰撞接触式升频机制，双磁铁磁驱式波浪能收集器不存在磨损问题，工作寿命更长。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的双磁铁磁驱式波浪能收集器的结构示意图。

图2是本发明的双磁铁磁驱式波浪能收集器的爆炸图。

图3是本发明的换能模块的爆炸图。

图4是本发明的双磁铁磁驱式波浪能收集设备的第一视角的结构示意图。

图5是本发明的双磁铁磁驱式波浪能收集设备的第一视角的结构示意图。

说明书附图标记说明：1、俘能构件；11、俘能磁铁架；12、俘能磁铁；2、换能系统；21、换能固定架；22、换能模块；221、铜线圈；222、旋转支架；223、换能磁铁架；224、换能磁铁；225、旋转轴承；226、旋转轴；3、导向元件；31、直线轴承；4、搭载装置；41、顶盖；42、平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。

实施例1：

结合图1-图3，一种双磁铁磁驱式波浪能收集器，包括

俘能系统，包括两个俘能构件1和至少一个导向元件3，两个俘能构件1分别设于导向元件3的两侧。俘能构件1包括俘能磁铁架11和固定于俘能磁铁架11内的俘能磁铁12。两个俘能构件1的俘能磁铁12同极相对。

换能系统2，设于两个俘能构件1之间且和导向元件3活动连接。换能系统2包括换能固定架21和固定于换能固定架21的换能模块22，换能模块22包括铜线圈221、旋转支架222、换能磁铁架223和两个与俘能磁铁12极性不同的换能磁铁224。铜线圈221套设于旋转支架222上，两个换能磁铁224固定于换能磁铁架223的两侧，换能磁铁架223和旋转支架222转动连接。

当双磁铁磁驱式波浪能收集器在外力作用下，俘能构件1的运动呈现为往复直线运动，在俘能构件1的往复运动过程中，换能系统2的换能磁铁224受到两个俘能构件1中的俘能磁铁12的交替影响，换能磁铁224发生旋转，旋转过程中磁感线切割铜线圈221，实现电磁发电。

上述提供一种双磁铁磁驱式波浪能收集器，实现对波浪能的收集并转化为内部结构的低频运动，最终通过换能系统将低频运动转化为换能磁铁的高频旋转并实现高效发电。

在本实施例中，俘能磁铁12包括一组相互吸引的N极磁铁和S极磁铁。

在本实施例中，换能固定架21包括一组支架，支架开设两个通孔，并在通孔中安装直线轴承31，且直线轴承31穿过导向元件3。支架开设缺口，缺口卡接换能模块22。

优选地，通孔的形状和导向元件3的截面形状相同，导向元件3可以为杆件或板件。

在本实施例中，铜线圈221设置在旋转支架222的中部，且铜线圈221的内径和旋转支架222的外径相同。

在本实施例中，旋转支架222的侧边开设中心孔，中心孔用于安装旋转轴承225和旋转轴226。旋转轴承225套设于旋转轴226，且旋转轴226依次穿过旋转支架222和换能磁铁架223。旋转轴承225的外圈与内圈分别与旋转支架222和换能磁铁架223上的轴过盈配合。

在本实施例中，换能磁铁架223开设磁铁容置腔，磁铁容置腔沿换能磁铁架223的轴向内凹，换能磁铁224的直径和磁铁容置腔的内径相同，磁铁容置腔可有效固定换能磁铁224。

在本实施例中，为保证换能模块22的平衡性和稳定性，两个换能磁铁224的数量和厚度均相同。

在本实施例中，俘能磁铁架11包括一组框架，框架开设安装槽，安装槽用于安装俘能磁铁12。框架还开设连接孔，连接孔用于穿过导向元件3。

优选地，连接孔的形状和导向元件3的截面形状相同。

实施例2：

结合图4和图5，一种双磁铁磁驱式波浪能收集设备，包括搭载装置4，搭载装置4内设置至少两个实施例1的双磁铁磁驱式波浪能收集器，双磁铁磁驱式波浪能收集器可以任意角度交叉固定于搭载装置4内。

上述提供了一种双磁铁磁驱式波浪能收集设备，用于搭载双磁铁磁驱式波浪能收集器，双磁铁磁驱式波浪能收集器可以分上下层交叉角度安装，实现对任意方向波浪能的收集，转化的电能可以供给海洋浮标内部各类传感器，实现长时间无人值守工作。

在本实施例中，搭载装置4包括壳体，壳体内设置至少两个平台42，平台42用于安装双磁铁磁驱式波浪能收集器，且壳体的顶部设置顶盖41。

优选地，搭载装置4为海洋浮标。

本实施例的工作原理如下：

当搭载装置4静止时，俘能构件1相对换能系统2两侧对称设置。

当搭载装置4受到波浪的影响，在海洋环境下产生晃动，俘能构件1会因为惯性力作用，沿着导向元件3的长度方向滑动，因为波浪会来回激励浮标，所以俘能构件1的运动呈现为往复直线运动。

俘能构件1中的俘能磁铁12也会随之往复直线运动。往复运动过程中，换能系统2中的换能磁铁224受到两个俘能构件1中的俘能磁铁12的交替影响，于是换能磁铁224发生高速旋转，旋转过程中磁感线切割铜线圈221，实现电磁发电，至此将波浪能转化为电能并为搭载装置4内部各类传感器供电。

实施例3：

一种波浪能收集方法，利用实施例1的双磁铁磁驱式波浪能收集器，当双磁铁磁驱式波浪能收集器在海洋环境下受到波浪的影响产生晃动，俘能构件1因惯性力作用沿着导向元件3的长度方向滑动，波浪来回激励双磁铁磁驱式波浪能收集器，俘能构件1的运动呈现为往复直线运动，换能系统2的换能磁铁224受到两个俘能构件1的俘能磁铁12的交替影响，换能磁铁224发生旋转，旋转过程中磁感线切割铜线圈221，换能系统2将波浪能转化为电能。

对比例1：

在中国发明专利(CN113250893B)公开了一种垂摆升频式波浪能收集装置及搭载设备，在壳体内设有：俘能系统，包括质量摆和俘能磁铁，质量摆的上端与壳体转动连接，俘能磁铁与质量摆连接；电磁换能系统，设于质量摆的一侧，电磁换能系统包括固定座、旋转支架、金属线圈、换能磁铁，金属线圈套设在固定座上，旋转支架设于固定座内并与固定座转动连接，换能磁铁与旋转支架连接；质量摆可带动俘能磁铁摆动，俘能磁铁对换能磁铁施加不断变换的吸引力和排斥力，以驱动换能磁铁往复旋转，使金属线圈切割换能磁铁往复旋转时的磁感线，并产生交流电流。

与实施例1相比：实施例1和对比例1所用的中间的发电模块结构类似，但是驱动方式完全不同，所实施例1保护双磁铁驱动发电模块发电的方式。

其中，换能磁铁224的旋转轴的方向所在直线和俘能磁铁12的移动轨迹方向所在直线，在空间中是垂直的。以两个俘能磁铁12为S极相对为例，当中间的换能系统2靠左时，换能磁铁224受到左边的俘能磁铁12影响更大，换能磁铁224的N极被吸引；当换能系统2移动到中间时，两个俘能磁铁12对换能磁铁224的影响一致，换能磁铁224不翻转；当换能系统2继续向右边移动，右边的俘能磁铁12对换能磁铁224的影响力更大，换能磁铁224的N极需要朝右，与换能系统2靠左时的情况相反，换能磁铁224此时翻转，并且因为换能磁铁224翻转时速度足够快，自身获得动能后受转动惯量影响开始往复旋转，磁感线切割换能系统2中的铜线圈221，实现电磁发电。

对比例1只用了一个磁铁驱动，与实施例1不同，其次主要提供动力的俘能磁铁的移动轨迹和换能磁铁的旋转轴方向在空间内平行或相交，与实施例1也不同。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种双磁铁磁驱式波浪能收集器，其特征在于：包括

俘能系统，包括两个俘能构件(1)和至少一个导向元件(3)，两个所述俘能构件(1)分别设于所述导向元件(3)的两侧；所述俘能构件(1)包括俘能磁铁架(11)和固定于所述俘能磁铁架(11)内的俘能磁铁(12)；两个所述俘能构件(1)的俘能磁铁(12)同极相对；

换能系统(2)，设于两个所述俘能构件(1)之间且和所述导向元件(3)活动连接；所述换能系统(2)包括换能固定架(21)和固定于所述换能固定架(21)的换能模块(22)，所述换能模块(22)包括铜线圈(221)、旋转支架(222)、换能磁铁架(223)和两个与所述俘能磁铁(12)极性不同的换能磁铁(224)；所述铜线圈(221)套设于所述旋转支架(222)上，两个所述换能磁铁(224)固定于所述换能磁铁架(223)的两侧，所述换能磁铁架(223)和所述旋转支架(222)转动连接；

当双磁铁磁驱式波浪能收集器在外力作用下，所述俘能构件(1)的运动呈现为往复直线运动，在所述俘能构件(1)的往复运动过程中，所述换能系统(2)的换能磁铁(224)受到两个所述俘能构件(1)中的俘能磁铁(12)的交替影响，所述换能磁铁(224)发生旋转，旋转过程中磁感线切割所述铜线圈(221)，实现电磁发电。

2.根据权利要求1所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，其特征在于：所述俘能磁铁(12)包括一组相互吸引的N极磁铁和S极磁铁。

3.根据权利要求1所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，其特征在于：所述换能固定架(21)包括一组支架，所述支架开设两个通孔，并在所述通孔中安装直线轴承(31)，且所述直线轴承(31)穿过所述导向元件(3)；所述支架开设缺口，所述缺口卡接所述换能模块(22)。

4.根据权利要求1所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，其特征在于：所述铜线圈(221)设置在所述旋转支架(222)的中部，且所述铜线圈(221)的内径和所述旋转支架(222)的外径相同。

5.根据权利要求1所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，其特征在于：所述旋转支架(222)的侧边开设中心孔，所述中心孔用于安装旋转轴承(225)和旋转轴(226)；所述旋转轴承(225)套设于所述旋转轴(226)，且所述旋转轴(226)依次穿过所述旋转支架(222)和所述换能磁铁架(223)；所述旋转轴承(225)的外圈与内圈分别与所述旋转支架(222)和所述换能磁铁架(223)上的轴过盈配合。

6.根据权利要求1所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，其特征在于：两个所述换能磁铁(224)的数量和厚度均相同。

7.根据权利要求1所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，其特征在于：所述俘能磁铁架(11)包括一组框架，所述框架开设安装槽，所述安装槽用于安装所述俘能磁铁(12)；所述框架还开设连接孔，所述连接孔用于穿过所述导向元件(3)。

8.一种双磁铁磁驱式波浪能收集设备，其特征在于：包括搭载装置(4)，所述搭载装置(4)内设置至少两个如权利要求1-7任一项所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，所述双磁铁磁驱式波浪能收集器可以任意角度交叉固定于所述搭载装置(4)内。

9.根据权利要求8所述的双磁铁磁驱式波浪能收集设备，其特征在于：所述搭载装置(4)包括壳体，所述壳体内设置至少两个平台(42)，所述平台(42)用于安装所述双磁铁磁驱式波浪能收集器，且所述壳体的顶部设置顶盖(41)。

10.一种波浪能收集方法，利用如权利要求1-7任一项所述的双磁铁磁驱式波浪能收集器，其特征在于：当双磁铁磁驱式波浪能收集器在海洋环境下受到波浪的影响产生晃动，俘能构件(1)因惯性力作用沿着导向元件(3)的长度方向滑动，波浪来回激励双磁铁磁驱式波浪能收集器，俘能构件(1)的运动呈现为往复直线运动，换能系统(2)的换能磁铁(224)受到两个俘能构件(1)的俘能磁铁(12)的交替影响，换能磁铁(224)发生旋转，旋转过程中磁感线切割铜线圈(221)，换能系统(2)将波浪能转化为电能。

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