CN116566159B - 一种叠层滑轨式振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种叠层滑轨式振动能量采集器，解决了背景技术中的技术问题，其包括多个相连的能量采集单元；能量采集单元包括第一半圆筒、第二半圆筒、第三半圆筒、上端盖和下端盖，第一半圆筒、第二半圆筒拼接成圆筒结构；第二半圆筒开有滑槽，第三半圆筒设有与滑槽滑动配合的限位卡块，第一半圆筒上设置有多个线圈插槽，第三半圆筒上设置有多个磁铁插槽，相邻滑动磁铁的同极相对，上、下端盖连接至圆筒结构的两端，第一半圆筒底部设有卡环，卡环与下端盖间设有固定磁铁。该结构叠层式集成化设计，形成多个滑动磁铁‑线圈发电单元，提升了输出功率，变频调整可使能量采集单元与外部工作环境发生共振以达到最大输出。

Description

一种叠层滑轨式振动能量采集器

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种叠层滑轨式振动能量采集器。

背景技术

随着电子技术水平的不断提高，微电子器件和智能移动设备越来越集成化和智能化，在面对监测工业设备（矿井设备等）工作状态、野外动植物追踪与保护等方面的供能需求时，化学电池等传统供能方式存在很大弊端，首先电池续航时间短，频繁更换电池需要大量的人力物力，甚至在某些情况下对其进行更换是不可能的，其次化学电池所造成的环境问题已十分严重。另一方面电子器件、智能设备等功耗越来越低，体积越来越小，使得人们越来越关注利用周围环境中免费而广泛的能源来提供运行这些低功耗传感器和小型设备所需的电能。作为一种普遍的运动形式，振动广泛存在于各类生产和生活设备中，因此对振动能进行采集，并将其转化为电能，进而给小型低功耗电子设备供电，具有普遍适用性。

振动能量采集器根据能量转换原理的不同可以分成电磁式、压电式和静电式三类。电磁发电因其能量密度大，结构简单、工艺成熟等特点适用于对井下、野外等复杂环境下设备的供能。目前国内外电磁式发电装置的研究大多因其输出电压或功率较低而无法对设备进行长期有效供电，同时复杂的外部环境也使其无法作为常用能源在实际应用中工作。

发明内容

为克服现有电磁式发电装置因其输出电压或功率较低而无法对设备进行长期有效供电的技术缺陷，本发明提供了一种叠层滑轨式振动能量采集器。

本发明公开了一种叠层滑轨式振动能量采集器，包括多个相连的能量采集单元；能量采集单元包括第一半圆筒、第二半圆筒、第三半圆筒、上端盖和下端盖，第一半圆筒和第二半圆筒的侧壁端面上分别设置有相互配合的榫卯结构以使第一半圆筒、第二半圆筒侧壁相对拼接成圆筒结构；第二半圆筒的侧壁上开有沿圆筒结构轴线方向布置的滑槽，第三半圆筒位于第二半圆筒的内侧，且第三半圆筒与第二半圆筒同轴设置，第三半圆筒的外侧壁上一体成型有与滑槽滑动配合的限位卡块，第三半圆筒的高度小于第二半圆筒的高度；第一半圆筒的内侧壁上间隔设置有用于放置线圈的多个线圈插槽，第三半圆筒的内侧壁上设置有多个间隔设置且用于放置滑动磁铁的磁铁插槽，相邻滑动磁铁的同极相对，线圈插槽和磁铁插槽交替相错布置，相邻两个线圈插槽之间的间距大于磁铁插槽的厚度，线圈和滑动磁铁均为圆饼状，且线圈和滑动磁铁的轴线即为圆筒结构的轴线，第一半圆筒的内侧壁上开有导线槽且导线槽上开有贯穿第一半圆筒侧壁的导线孔，上端盖和下端盖分别可拆卸连接至圆筒结构的两端，第一半圆筒的内侧壁底部设置有卡环，卡环与下端盖之间还设置有固定磁铁，固定磁铁与相邻的滑动磁铁同极相对。

整体结构采用叠层式集成化设计，在有限平面空间内形成多个磁铁-线圈发电单元，大大提升了能量采集器的输出。第一半圆筒、第二半圆筒和第三半圆筒集成拾振结构，其内分别置有线圈和滑动磁铁，第一半圆筒设有导线槽和导线孔，方便线圈与外部设备连接，滑动磁铁同极相对放置，增强对应线圈所在区域磁通密度，进一步有效提升采集器的输出。改变固定磁铁进而调整采集器固有频率可以使其与外部环境形成共振。在受到外部环境的振动激励后，磁悬浮的结构设计可以灵敏的响应并持续振动，第三半圆筒带动其上的滑动磁铁同时相对于第一半圆筒及其上的线圈发生相对运动，继而切割磁感线产生感应电流和感应电动势，在其往复性受激运动时收集能量。本发明发电效率高，能量转换效率高，拾振结构集成化设计可以大大提升采集器输出功率；通过更换固定磁铁实现变频设计，可使器件与外部工作环境发生共振以达到最大输出；而且多个能量采集单元互联设，适应更多复杂环境的同时兼顾了每个能量采集单元的输出效率进而实现最优输出。相邻两个线圈插槽之间的间距大于磁铁插槽的厚度是为了保证第三半圆筒有足够的上下移动空间。

优选的，相邻能量采集单元之间首尾相连，且所有能量采集单元依次排布，形成封闭环形结构或者条状结构。这样设置结构合理。

优选的，相邻能量采集单元的上端盖和下端盖之间通过铰接结构相连。多个能量采集单元可进行互联形成组合体，最为关键的是能量采集单元的大小及能量采集单元间的角度可以随意调整以满足能量采集单元实现最佳振动的需求，最终得以实现复杂环境下的随形装配，适应工作环境的同时兼顾输出能力的最大化。铰接结构还可以替换为其他可活动的连接结构。

优选的，当所有能量采集单元依次排布形成条状结构时，所述条状结构的两端面为平面。因为末端不再需要连接其他能量采集单元，所以对应末端的端盖可以设置为平面。

优选的，所述条状结构的至少一个端面上一体成型有吊耳通过吊耳可以使所述采集器悬挂在某处，比如建筑物、植物或动物脖颈等，这样设置挂设方便。

优选的，滑槽的上端延伸至第二半圆筒的顶端端面，滑槽的下端位于第二半圆筒的侧壁上。这样设置结构合理。

优选的，线圈插槽和磁铁插槽结构相同，均由两片相平行的半圆环板组成，两片半圆环板的轴线与第一半圆筒的轴线位于同一条直线上，两片半圆环板之间的空间即为固定线圈或者滑动磁铁的位置。这样设置结构合理，而且半圆环板中间无板体遮挡，能最大程度保证相应线圈区域的磁通密度。

优选的，卡板为半圆环板，卡板与第一半圆筒的内侧壁一体成型。这样设置结构牢固。

优选的，上端盖和下端盖分别与圆筒结构的两端螺纹连接。这样设置结构合理，而且连接牢固、安装方便，还可以设置为本领域技术人员均熟悉的其余连接结构，比如卡接等。

本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明发电效率高，结构紧凑合理，方便更换、检修，整体结构进行叠层式集成化设计，在有限平面空间内形成多个滑动磁铁-线圈发电单元，可以有效拾取环境中微弱振动能量，大大提升了能量采集器输出功率，且磁铁同极相对放置增大磁通密度可进一步提升采集器的输出；更换固定磁铁可实现变频调整，可使能量采集单元与外部工作环境发生共振以达到最大输出；能量采集单元互联设计可适应更多复杂环境的同时兼顾了每个能量采集单元的输出效率进而实现最优输出；能适应更多种类的振动环境。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述一种叠层滑轨式振动能量采集器的整体结构示意图；

图2为本发明所述一种叠层滑轨式振动能量采集器的爆炸结构示意图（隐藏滑动磁铁、线圈、固定磁铁）；

图3为本发明所述第三半圆筒内安装滑动磁铁后的结构示意图；

图4为本发明所述第一半圆筒的结构示意图；

图5为本发明所述线圈的结构示意图；

图6为本发明所述平盖的结构示意图；

图7为本发明所述平盖增加吊耳后的结构示意图；

图8为本发明所述一种叠层滑轨式振动能量采集器的第一种实施例的结构示意图；

图9为本发明所述一种叠层滑轨式振动能量采集器的第二种实施例的结构示意图；

图10为本发明所述一种叠层滑轨式振动能量采集器的第三种实施例的结构示意图；

图11为本发明所述能量采集单元一端为吊环且另一端为平面时的结构示意图。

图中：1、第一半圆筒；2、第二半圆筒；3、第三半圆筒；4、上端盖；5、下端盖；6、榫卯结构；7、滑槽；8、限位卡块；9、线圈插槽；10、磁铁插槽；11、线圈；12、滑动磁铁；13、导线槽；14、导线孔；15、卡环；16、固定磁铁；17、铰接耳；18、连接耳；19、吊耳。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在描述中，需要说明的是，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。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面结合附图1至图11对本发明的具体实施例进行详细说明。

在一个实施例中，如图1所示，一种叠层滑轨式振动能量采集器，包括多个相连的能量采集单元；能量采集单元包括第一半圆筒1、第二半圆筒2、第三半圆筒3、上端盖4和下端盖5，第一半圆筒1和第二半圆筒2的侧壁端面上分别设置有相互配合的榫卯结构6以使第一半圆筒1、第二半圆筒2侧壁相对拼接成圆筒结构；第二半圆筒2的侧壁上开有沿圆筒结构轴线方向布置的滑槽7，第三半圆筒3位于第二半圆筒2的内侧，且第三半圆筒3与第二半圆筒2同轴设置，第三半圆筒3的外侧壁上一体成型有与滑槽7滑动配合的限位卡块8，第三半圆筒3的高度小于第二半圆筒2的高度；第一半圆筒1的内侧壁上间隔设置有用于放置线圈11的多个线圈插槽9，第三半圆筒3的内侧壁上设置有多个间隔设置且用于放置滑动磁铁12的磁铁插槽10，相邻滑动磁铁12的同极相对，线圈插槽9和磁铁插槽10交替相错布置，相邻两个线圈插槽9之间的间距大于磁铁插槽10的厚度，线圈11和滑动磁铁12均为圆饼状，且线圈11和滑动磁铁12的轴线即为圆筒结构的轴线，第一半圆筒1的内侧壁上开有导线槽13且导线槽13上开有贯穿第一半圆筒1侧壁的导线孔14，上端盖4和下端盖5分别可拆卸连接至圆筒结构的两端，第一半圆筒1的内侧壁底部设置有卡环15，卡环15与下端盖5之间还设置有固定磁铁16，固定磁铁16与相邻的滑动磁铁12同极相对。

整体结构采用叠层式集成化设计，在有限平面空间内形成多个磁铁-线圈发电单元，大大提升了能量采集器的输出。第一半圆筒1、第二半圆筒2和第三半圆筒3集成拾振结构，其内分别置有线圈11和滑动磁铁12，第一半圆筒1设有导线槽13和导线孔14，方便线圈11与外部设备连接，滑动磁铁12同极相对放置，增强对应线圈11所在区域磁通密度，进一步有效提升采集器的输出。改变固定磁铁16进而调整采集器固有频率可以使其与外部环境形成共振。在受到外部环境的振动激励后，磁悬浮的结构设计可以灵敏的响应并持续振动，第三半圆筒3带动其上的滑动磁铁12同时相对于第一半圆筒1及其上的线圈11发生相对运动，继而切割磁感线产生感应电流和感应电动势，在其往复性受激运动时收集能量。本发明发电效率高，能量转换效率高，拾振结构集成化设计可以大大提升采集器输出功率；通过更换固定磁铁16实现变频设计，可使器件与外部工作环境发生共振以达到最大输出；而且多个能量采集单元互联设，适应更多复杂环境的同时兼顾了每个能量采集单元的输出效率进而实现最优输出。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，相邻能量采集单元之间首尾相连，且所有能量采集单元依次排布，形成封闭环形结构或者条状结构。这样设置结构合理。具体实施例中，根据需要还可以将多个能量采集单元连接成不同形状的结构，比如在相邻两个能量采集单元之间的连接点处，再连接至少一个独立的能量采集单元。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，相邻能量采集单元的上端盖4和下端盖5之间通过铰接结构相连。多个能量采集单元可进行互联形成组合体，最为关键的是能量采集单元的大小及能量采集单元间的角度可以随意调整以满足能量采集单元实现最佳振动的需求，最终得以实现复杂环境下的随形装配，适应工作环境的同时兼顾输出能力的最大化。铰接结构还可以替换为其他的连接结构。

在上述实施例的基础上，当所有能量采集单元依次排布形成条状结构时，所述条状结构的两端面为平面。因为末端不再需要连接其他能量采集单元，所以对应末端的端盖可以设置为平面。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，所述端面上一体成型有吊耳19。平盖上的吊耳19可以使其悬挂在某处，比如建筑物、植物或动物脖颈等，这样设置挂设方便。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，滑槽7的上端延伸至第二半圆筒2的顶端端面，滑槽7的下端位于第二半圆筒2的侧壁上。这样设置结构合理。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，线圈插槽9和磁铁插槽10结构相同，均由两片相平行的半圆环板组成，两个半圆环板与其对应连接的筒体一体成型，两片半圆环板的轴线与第一半圆筒1的轴线位于同一条直线上，两片半圆环板之间的空间即为固定线圈11或者滑动磁铁12的位置。这样设置结构合理，而且半圆环板中间无板体遮挡，能最大程度保证相应线圈11区域的磁通密度。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，卡板为半圆环板，卡板与第一半圆筒1的内侧壁一体成型。这样设置结构牢固。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，上端盖4和下端盖5分别与圆筒结构的两端螺纹连接。这样设置结构合理，而且连接牢固、安装方便，还可以设置为本领域技术人员均熟悉的其余连接结构，比如卡接等。以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。

Claims (9)

1.一种叠层滑轨式振动能量采集器，其特征在于，包括多个相连的能量采集单元；能量采集单元包括第一半圆筒（1）、第二半圆筒（2）、第三半圆筒（3）、上端盖（4）和下端盖（5），第一半圆筒（1）和第二半圆筒（2）的侧壁端面上分别设置有相互配合的榫卯结构（6）以使第一半圆筒（1）、第二半圆筒（2）侧壁相对拼接成圆筒结构；第二半圆筒（2）的侧壁上开有沿圆筒结构轴线方向布置的滑槽（7），第三半圆筒（3）位于第二半圆筒（2）的内侧，且第三半圆筒（3）与第二半圆筒（2）同轴设置，第三半圆筒（3）的外侧壁上一体成型有与滑槽（7）滑动配合的限位卡块（8），第三半圆筒（3）的高度小于第二半圆筒（2）的高度；第一半圆筒（1）的内侧壁上间隔设置有用于放置线圈（11）的多个线圈插槽（9），第三半圆筒（3）的内侧壁上设置有多个间隔设置且用于放置滑动磁铁（12）的磁铁插槽（10），相邻滑动磁铁（12）的同极相对，线圈插槽（9）和磁铁插槽（10）交替相错布置，相邻两个线圈插槽（9）之间的间距大于磁铁插槽（10）的厚度，线圈（11）和滑动磁铁（12）均为圆饼状，且线圈（11）和滑动磁铁（12）的轴线即为圆筒结构的轴线，第一半圆筒（1）的内侧壁上开有导线槽（13）且导线槽（13）上开有贯穿第一半圆筒（1）侧壁的导线孔（14），上端盖（4）和下端盖（5）分别可拆卸连接至圆筒结构的两端，第一半圆筒（1）的内侧壁底部设置有卡环（15），卡环（15）与下端盖（5）之间还设置有固定磁铁（16），固定磁铁（16）与相邻的滑动磁铁（12）同极相对。

2.根据权利要求1所述的一种叠层滑轨式振动能量采集器，其特征在于，相邻能量采集单元之间首尾相连，且所有能量采集单元依次排布，形成封闭环形结构或者条状结构。

3.根据权利要求2所述的一种叠层滑轨式振动能量采集器，其特征在于，相邻能量采集单元之间通过铰接结构相连。

4.根据权利要求2所述的一种叠层滑轨式振动能量采集器，其特征在于，当所有能量采集单元依次排布形成条状结构时，所述条状结构的两端面为平面。

5.根据权利要求2所述的一种叠层滑轨式振动能量采集器，其特征在于，所述条状结构的至少一个端面上一体成型有吊耳（19）。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种叠层滑轨式振动能量采集器，其特征在于，滑槽（7）的上端延伸至第二半圆筒（2）的顶端端面，滑槽（7）的下端位于第二半圆筒（2）的侧壁上。

7.根据权利要求6所述的一种叠层滑轨式振动能量采集器，其特征在于，线圈插槽（9）和磁铁插槽（10）结构相同，均由两片相平行的半圆环板组成，两片半圆环板的轴线与第一半圆筒（1）的轴线位于同一条直线上，两片半圆环板之间的空间即为安装固定线圈（11）或者滑动磁铁（12）的位置。

8.根据权利要求7所述的一种叠层滑轨式振动能量采集器，其特征在于，上端盖（4）和下端盖（5）分别与圆筒结构的两端螺纹连接。

9.根据权利要求8所述的一种叠层滑轨式振动能量采集器，其特征在于，除线圈（11）、滑动磁铁（12）和固定磁铁（16）外，其余结构均采用非磁性材料制成。