CN116961354A - 一种多用途摆振复合发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多用途摆振复合发电机，属新能源技术领域。由机架、换能罩、引导器、摆振器及换能器构成，摆振器由摆簧、压块、摆盘、磁摆块及磁摆环构成，摆簧上端固定在机架顶壁上、下端与摆盘相连，磁摆块和磁摆环镶嵌在摆盘上；换能器经换能罩装在机架底壁上，换能器由换能架、盖片、线圈和滚撞器构成，线圈装在换能架的环槽内，金属片与压电片粘接而成的盖片装在换能架两端并将滚撞器封装在滚腔中，滚撞器由壳套与其内所包裹的滚磁体构成；引导器装在架底壁上，引导器为永磁体；非工作时，滚撞器被磁摆块吸引并顶靠在上方的盖片上；摆振器摆动时给滚撞器施加方向交替变化的磁场，滚撞器滚动并撞击盖片，线圈及盖片将机械能转换成电能。

Description

一种多用途摆振复合发电机

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种多用途摆振复合发电机，用于多向振动、波浪、水流及风能收集。

背景技术

近年来，随着智能传感网络及传感器技术的日趋成熟及其在环境监测、建筑物及桥梁的结构健康监测、工业及公共安全等领域应用的普及，为其提供持续能源支持的各类微小型振动发电机的研究受到国内外学者的广泛关注，目前研究较多且较成熟的微小型发电机主要有压电式、电磁式和摩擦式三类，每类发电机又分别包括旋转式和振动式两大类。现已研制的微小型振动发电机可成功用于振动能、风能、水流能及海浪能等的有效回收，通过储能脉冲供电的方法已逐步用于车船等载运工具、大气及江河湖海等环境的监测系统。但现有这些微小型通常采用单一能量转换原理，故单位体积能量密度低、发供电能力有限；同时，现有微小型发电机的功能还比较单一，即通常仅能用于一种环境能量的回收，不利于推广应用。

发明内容

本发明提出一种多用途摆振复合发电机，本发明采用的实施方案是：一种多用途摆振复合发电机，由机架、换能罩、吊座、引导器、摆振器及换能器构成，机架的架顶壁与架底壁经架柱相连，摆振器安装在架顶壁上，换能器安装在架底壁上；摆振器相对换能器摆动时，摆振器给换能器施加方向交替变化的磁场，交变磁场作用在换能器的线圈及盖片所围成的滚腔中的滚撞器上，滚撞器滚动、沿滚腔往复运动并撞击盖片，滚撞器的磁极翻转、线圈切割磁力线，盖片的压电片应力变化，线圈及盖片将机械能转换成电能。

摆振器由摆簧、压块、摆盘、磁摆块及磁摆环构成，摆簧为圆柱形或片状弹性杆，摆盘为球壳状；摆簧的下端经压块与摆盘相连，压块经螺钉安装在摆盘上方的凹面一侧，摆簧下端的凸块镶嵌在压块内实现定位，压块还用于调节摆振器的固有频率；磁摆块和磁摆环镶嵌在摆盘上，磁摆块和磁摆环镶嵌在摆盘下方的凸面上，磁摆块的几何中心位于磁摆环的轴线上。

磁摆环为环形，磁摆环的环体横截面为圆形、方形或长方形，磁摆环的磁极沿轴向或径向配置，磁摆环的磁极沿轴向配置是指磁摆环的磁极沿磁摆环内孔的轴向配置，磁摆环的磁极沿径向配置是指磁极沿磁摆环的径向配置。

磁摆块为方形、柱形或球形，磁摆块的磁极沿磁摆环的轴向配置。

磁摆块和磁摆环上距摆簧顶端距离最远的点位于同一个球面上，磁摆块的几何中心与磁摆环的环体横截面的几何中心位于同一个球面上，磁摆块的磁极与磁摆环的磁极的配置方向相反，即磁摆块与磁摆环上位于其几何中心所在球面以外部分上的沿球面圆周方向的相邻磁极的方向相反，亦即磁摆块与磁摆环的底部靠近换能器的相邻磁极的方向相反。

本发明中，摆振器可仅含磁摆块或磁摆环，即不同时含有内磁摆块和磁摆环。

换能器由换能架、盖片、线圈、滚撞器和电控板构成，换能架的上下两端均设有经滚腔连通的阶梯腔，换能架的外缘上设有环槽，滚腔与环槽同轴，换能架的上端或下端的外缘处设有沉槽；缠绕在环槽内的导线形成线圈，电控板经螺钉安装在换能架的端部，电控板置于沉槽内，电控板上设有能量转换及存储单元；盖片安装在换能架的上下两端并将滚撞器封装在滚腔中，滚撞器可在滚腔内滚动及沿滚腔的轴向运动，盖片安装在换能架上下两端的阶梯腔内，换能架上下两端的盖片分别称为上盖片和下盖片。

滚撞器由聚四氟乙烯壳套与其内所包裹的滚磁体构成，滚撞器为圆柱状或球状，滚磁体为方形、长方形或圆柱形，滚撞器的磁极沿径向配置。

盖片由金属片与压电片粘接而成，盖片的两侧均设有缓冲垫，缓冲垫的材料为硅橡胶；金属片粘接换能架端部阶梯腔的大腔底壁上，压电片置于阶梯腔的小腔内，压电片的直径为阶梯腔的小腔直径的0.7~0.9倍。

线圈与滚撞器构成电磁换能器，盖片与滚撞器构成压电换能器，电磁换能器与压电换能器构成复合换能器；复合换能器中的两个盖片和线圈经不同的导线组及整流器与电控板相连。

本发明中，换能器可为单纯的电磁换能器或压电换能器，即：含有线圈，但盖片可为不粘接压电片的其它板材；或，盖片由金属片与压电片粘接，但不含有线圈。

摆振器的摆簧安装在机架的架顶壁上，摆振器的摆簧经吊座安装的架顶壁上，吊座经螺钉安装在架顶壁上，摆振器位于架顶壁的下方，摆簧的顶端经螺纹或铆接安装在吊座上；换能器经换能罩安装在架底壁上，换能罩罩在换能器上并将换能器压接在架底壁的上面，滚腔的轴线与摆簧的轴线平行；换能架将上方和下方的盖片分别压接在换能罩的顶壁和架底壁上；引导器安装在架底壁上，引导器为永磁体，引导器位于换能器的下方，引导器、摆振器及换能器正对安装，引导器、摆振器及换能器的几何中心位于同一铅垂线上，即引导器、滚撞器及摆簧的几何中心位于同一铅垂线上；引导器与磁摆块的同性磁极相对安装。

本发明中，引导器及滚撞器与磁摆块或磁摆环环体几何中心正对时，磁摆块及磁摆环对滚撞器吸引力大于引导器的吸引力，滚撞器顶靠在上方的盖片上；滚撞器位于磁摆块和磁摆环中间时，引导器对滚撞器的吸引力大，滚撞器顶靠在下方的盖片上；滚撞器与磁摆块和磁摆环间的距离变化过程中产生翻转运动。

非工作时，摆簧处于非弯曲的平直状态，滚撞器远离引导器、被磁摆块吸引并顶靠在上方的盖片上。

工作时，即摆振器受外界扰动激励并相对换能器运动时，磁摆块及磁摆环与滚撞器间的距离及相互作用力发生变化，滚撞器在滚腔中产生滚动及轴向运动并撞击上下两侧的盖片，滚撞器滚动时其磁极翻转，线圈切割磁力线、盖片的内应力发生变化，进而将机械能转换成电能。

摆振器摆离平衡位置时，摆振器对换能器的激励过程简述如下：①摆振器开始逐步离开平衡位置的过程中，磁摆块带动滚撞器偏转，磁摆块远离滚撞器、对滚撞器的吸引力逐步减小，磁摆环逐渐靠近滚撞器、对滚撞器的排斥力及转矩逐渐增加，引导器对滚撞器排斥力逐渐转换成转矩，磁摆环及引导器所施加的翻转力矩方向相同；②当摆振器继续移动并使引导器及磁摆环对滚撞器施加的转矩大于磁摆块的阻碍转矩时，滚撞器快速翻转并沿滚腔下移，滚撞器翻转且下移的过程中因与引导器间的异性磁极相对，引导器对滚撞器的吸引力快速增加且大于磁摆环的吸引力，滚撞器撞击到下方的盖片上；③当摆振器继续运动时，磁摆环对滚撞器的吸引力随其间距离逐渐减小而增加、引导器的吸引力不变，当磁摆环的吸引力大于引导器的吸引力时滚撞器快速上移并撞击到上方的盖片上，滚撞器上移过程中并不转动。

摆振器复位时的激励过程与离开平衡位置时的相似，差别在于是磁摆块而非磁摆环对滚撞器施加转矩，具体地：首先是磁摆块对滚撞器施加转矩，滚撞器翻转并下移撞击到下方的盖片上，然后磁摆块再将滚撞器吸引到上方的盖片上。

上述滚撞器被激励的过程中，滚撞器滚动时其磁极翻转，穿过线圈的磁力线方向换向，线圈切割磁力线发电；同时，滚撞器与盖片撞击过程中压电片的应力发生变化，盖片发电。

优势与特色：① 可用于多向振动能、风、水及波浪能等的能回收；②将压电与电磁两种发电原理有机结合，单位体积能量密度大、发供电能力强； ③通过内磁体往复滚动改变磁场方向及磁通量密度，发电能力强。

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是本发明一个较佳实施例中摆振器的结构示意图；

图3是图2的仰视图；

图4是本发明一个较佳实施例中换能器的结构示意图；

图5是本发明一个较佳实施例中换能架的结构示意图；

图6是本发明一个较佳实施例中摆振器离开平衡位置时发电机的结构示意图；

图7是本发明一个较佳实施例中摆振器摆幅最大时发电机的结构示意图；

图8是本发明一个较佳实施例中摆振器复位时发电机的结构示意图；

图9是本发明一个较佳实施例中摆振器返回平衡位置时发电机的结构示意图；

图10是本发明一个较佳实施例中外磁摆环磁极径向分布时摆振器的结构示意图。

实施方式

一种多用途摆振复合发电机，由机架a、换能罩b、吊座c、引导器d、摆振器A及换能器H构成，机架a的架顶壁a1与架底壁a2经架柱a3相连，摆振器A安装在架顶壁a1上，换能器H安装在架底壁a2上；摆振器A相对换能器H摆动时，摆振器A给换能器H施加方向交替变化的磁场，交变磁场作用在换能器H的线圈m及盖片k所围成的滚腔j2中的滚撞器n上，滚撞器n滚动、沿滚腔j2往复运动并撞击盖片k，滚撞器n的磁极翻转、线圈m切割磁力线，盖片k的压电片k2应力变化，线圈m及盖片将机械能转换成电能。

摆振器A由摆簧e、压块f、摆盘g、磁摆块h及磁摆环i构成，摆簧e为圆柱形或片状弹性杆，摆盘g为球壳状；摆簧e的下端经压块f与摆盘g相连，压块f经螺钉安装在摆盘g上方的凹面一侧，摆簧e下端的凸块镶嵌在压块f内实现定位，压块f还用于调节摆振器A的固有频率；磁摆块h和磁摆环i镶嵌在摆盘g上，磁摆块h和磁摆环i镶嵌在摆盘g下方的凸面上，磁摆块h的几何中心位于磁摆环i的轴线上。

磁摆环i为环形，磁摆环i的环体横截面为圆形、方形或长方形，磁摆环i的磁极沿轴向或径向配置，磁摆环i的磁极沿轴向配置是指磁摆环i的磁极沿磁摆环i内孔的轴向配置，磁摆环i的磁极沿径向配置是指磁极沿磁摆环i的径向配置。

磁摆块h为方形、柱形或球形，磁摆块h的磁极沿磁摆环i的轴向配置。

磁摆块h和磁摆环i上距摆簧e顶端距离最远的点位于同一个球面上，磁摆块h的几何中心与磁摆环i的环体横截面的几何中心位于同一个球面上，磁摆块h的磁极与磁摆环i的磁极的配置方向相反，即磁摆块h与磁摆环i上位于其几何中心所在球面以外部分上的沿球面圆周方向的相邻磁极的方向相反，亦即磁摆块h与磁摆环i的底部靠近换能器H的相邻磁极的方向相反。

本发明中，摆振器A可仅含磁摆块h或磁摆环i，即不同时含有内磁摆块和磁摆环i。

换能器H由换能架j、盖片k、线圈m、滚撞器n和电控板o构成，换能架j的上下两端均设有经滚腔j2连通的阶梯腔j1，换能架j的外缘上设有环槽j3，滚腔j2与环槽j3同轴，换能架j的上端或下端的外缘处设有沉槽j4；缠绕在环槽j3内的导线形成线圈m，电控板o经螺钉安装在换能架j的端部，电控板o置于沉槽j4内，电控板o上设有能量转换及存储单元；盖片k安装在换能架j的上下两端并将滚撞器n封装在滚腔j2中，滚撞器n可在滚腔j2内滚动及沿滚腔j2的轴向运动，盖片k安装在换能架j上下两端的阶梯腔j1内，换能架j上下两端的盖片k分别称为上盖片和下盖片。

滚撞器n由聚四氟乙烯壳套与其内所包裹的滚磁体构成，滚撞器n为圆柱状或球状，滚磁体为方形、长方形或圆柱形，滚撞器n的磁极沿径向配置。

盖片k由金属片k1与压电片k2粘接而成，盖片k的两侧均设有缓冲垫，缓冲垫的材料为硅橡胶；金属片k1粘接换能架j端部阶梯腔j1的大腔底壁上，压电片k2置于阶梯腔j1的小腔内，压电片k2的直径为阶梯腔j1的小腔直径的0.7~0.9倍。

线圈m与滚撞器n构成电磁换能器，盖片k与滚撞器n构成压电换能器，电磁换能器与压电换能器构成复合换能器；复合换能器中的两个盖片k和线圈m经不同的导线组及整流器与电控板o相连。

本发明中，换能器可为单纯的电磁换能器或压电换能器，即：含有线圈m，但盖片k可为不粘接压电片k2的其它板材；或，盖片k由金属片k1与压电片k2粘接，但不含有线圈m。

摆振器A的摆簧e安装在机架a的架顶壁a1上，摆振器A的摆簧e经吊座c安装的架顶壁a1上，吊座c经螺钉安装在架顶壁a1上，摆振器A位于架顶壁a1的下方，摆簧e的顶端经螺纹或铆接安装在吊座c上；换能器H经换能罩b安装在架底壁a2上，换能罩b罩在换能器H上并将换能器H压接在架底壁a2的上面，滚腔j2的轴线与摆簧e的轴线平行；换能架j将上方和下方的盖片k分别压接在换能罩b的顶壁和架底壁a2上；引导器d安装在架底壁a2上，引导器d为永磁体，引导器d位于换能器H的下方，引导器d、摆振器A及换能器H正对安装，引导器d、摆振器A及换能器H的几何中心位于同一铅垂线上，即引导器d、滚撞器n及摆簧e的几何中心位于同一铅垂线上；引导器d与磁摆块h的同性磁极相对安装。

本发明中，引导器d及滚撞器n与磁摆块h或磁摆环i环体几何中心正对时，磁摆块h及磁摆环i对滚撞器n吸引力大于引导器d的吸引力，滚撞器n顶靠在上方的盖片k上；滚撞器n位于磁摆块h和磁摆环i中间时，引导器d对滚撞器n的吸引力大，滚撞器n顶靠在下方的盖片k上；滚撞器n与磁摆块h和磁摆环i间的距离变化过程中产生翻转运动。

非工作时，摆簧e处于非弯曲的平直状态，滚撞器n远离引导器d、被磁摆块h吸引并顶靠在上方的盖片k上。

工作时，即摆振器A受外界扰动激励并相对换能器H运动时，磁摆块h及磁摆环i与滚撞器n间的距离及相互作用力发生变化，滚撞器n在滚腔j2中产生滚动及轴向运动并撞击上下两侧的盖片k，滚撞器n滚动时其磁极翻转，线圈m切割磁力线、盖片k的内应力发生变化，进而将机械能转换成电能。

摆振器A摆离平衡位置时，摆振器A对换能器H的激励过程简述如下：①摆振器A开始逐步离开平衡位置的过程中，磁摆块h带动滚撞器n偏转，磁摆块h远离滚撞器n、对滚撞器n的吸引力逐步减小，磁摆环i逐渐靠近滚撞器n、对滚撞器n的排斥力及转矩逐渐增加，引导器d对滚撞器n排斥力逐渐转换成转矩，磁摆环i及引导器d所施加的翻转力矩方向相同；②当摆振器A继续移动并使引导器d及磁摆环i对滚撞器n施加的转矩大于磁摆块h的阻碍转矩时，滚撞器n快速翻转并沿滚腔j2下移，滚撞器n翻转且下移的过程中因与引导器d间的异性磁极相对，引导器d对滚撞器n的吸引力快速增加且大于磁摆环i的吸引力，滚撞器n撞击到下方的盖片k上；③当摆振器A继续运动时，磁摆环i对滚撞器n的吸引力随其间距离逐渐减小而增加、引导器d的吸引力不变，当磁摆环i的吸引力大于引导器d的吸引力时滚撞器n快速上移并撞击到上方的盖片k上，滚撞器n上移过程中并不转动。

摆振器A复位时的激励过程与离开平衡位置时的相似，差别在于是磁摆块h而非磁摆环i对滚撞器n施加转矩，具体地：首先是磁摆块h对滚撞器n施加转矩，滚撞器n翻转并下移撞击到下方的盖片k上，然后磁摆块h再将滚撞器n吸引到上方的盖片k上。

上述滚撞器n被激励的过程中，滚撞器n滚动时其磁极翻转，穿过线圈m的磁力线方向换向，线圈m切割磁力线发电；同时，滚撞器n与盖片k撞击过程中压电片k2的应力发生变化，盖片k发电。

Claims (2)

1.一种多用途摆振复合发电机，由机架、换能罩、引导器、摆振器及换能器构成，机架的架顶壁与架底壁经架柱相连，摆振器由摆簧、压块、摆盘、磁摆块及磁摆环构成，摆簧上端固定在机架的架顶壁上，摆簧下端与摆盘相连，磁摆块和磁摆环镶嵌在摆盘上，磁摆块的几何中心位于磁摆环的轴线上；换能器经换能罩安装在架底壁上，换能器由换能架、盖片、线圈、滚撞器和电控板构成，线圈装在换能架外缘上的环槽内，金属片与压电片粘接而成的盖片装在换能架两端的阶梯腔中并将滚撞器封装在换能架的滚腔中，滚撞器可在滚腔内滚动及沿滚腔的轴向运动，滚撞器由壳套与其内所包裹的滚磁体构成，滚撞器的磁极沿径向配置；引导器装在架底壁上，引导器为永磁体，引导器、摆振器及换能器正对安装；摆簧处于非弯曲的平直状态时，滚撞器被磁摆块吸引并顶靠在上方的盖片上；其特征在于：摆振器相对换能器摆动时，摆振器给滚撞器施加方向交替变化的磁场，滚撞器滚动、沿滚腔往复运动并撞击盖片，滚撞器的磁极翻转、线圈切割磁力线、压电片应力变化，线圈及盖片将机械能转换成电能。

2.根据权利要求1所述的一种多用途摆振复合发电机，其特征在于：磁摆环的磁极沿磁环的轴向或径向配置，磁摆块的磁极沿磁摆环的轴向配置，磁摆块的磁极与磁摆环的磁极的配置方向相反。