CN117040189A - 一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，至少包括基座、套筒、磁铁弹簧机构、转子、棘轮棘爪、齿轮、齿条；基座上表面一侧设置套筒，另一侧设置磁铁弹簧机构；磁铁弹簧机构在机械振动的作用下存储能量并瞬间释放；齿条在磁铁弹簧机构的作用下往复运动，带动棘爪支架齿轮旋转；套筒内部设置有转子，转子在棘轮支架齿轮的驱动下进行转动，与线圈互相作用产生感应电流。该电磁俘能器不仅可以有效捕获和转换微弱的往复振动能量，还能将其转化为高速单向旋转运动，从而进一步提高俘能器的能量收集效率。
Description
技术领域
本发明属于机械传动和能量收集技术领域，具体涉及一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器。
背景技术
机械振动能在自然环境及生产生活中分布广泛，这些机械振动能可以通过运动转换机构被转换成旋转运动能，进而被转换为电能。这种能量收集技术可以为无线传感器、穿戴式电子设备等低功耗电子器件提供可持续的绿色能源。
机械振动可以被电磁俘能器、压电俘能器和摩擦纳米发电机等装置转换为电能。其中旋转式电磁俘能器首先需要将振动能转换为旋转能，进而旋转的永磁体通过在线圈中产生感应电流而发电。这一能量转换的过程需要齿轮齿条等机械机构的参与。相对于振动式电磁俘能器，这种旋转式电磁俘能器显著提高了机械振动能的收集效率。
目前，双向振动转换为单向旋转运动的机构可分为以下三个类型：
1、基于棘轮棘爪机构。如中国专利申请号为202211572893.8的专利，提出了一种单向能量回收装置。该能量收集装置用于收集车辆悬架的振动能量。其通过棘轮齿轮和增速齿轮之间的棘轮棘爪结构实现直线往复振动向单向旋转运动的转化。
2、基于单向轴承机构。如Hyunjun Jung，Yamini Sharma，Lei Zuo在《IEEEJOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS》102022：3873-3882撰文的“Digitally Controlled Power Management Circuit With Dual-FunctionedSingle-Stage Power Converter for Vibration Energy Harvesting”“基于双功能单级功率变换器的振动能量采集数字控制电源管理电路”，通过单向轴承收集车辆悬架系统中的振动能量。该俘能器可将双向振动转换为单向旋转，其通过齿轮齿条和单向轴承结构提高了旋转式电磁俘能器的性能和效率。
3、基于悬臂梁拨动式机构。如中国专利申请号为202110552094.3的专利，提出了一种将振动转换为单向转动的运动转换机构。该发明提出的悬臂梁拨动式转子利用悬臂梁和棘轮组合单向传递力矩。
以上三种类型的转换机构均为可以将双向振动转换为单向运动的机构，其特点总结如下：
1棘轮棘爪机构的正向驱动力矩较大，反向阻尼较低。但是需要较大的输入振幅才能高效工作。
2单向轴承正向驱动力矩较大，反向的阻尼较高且工作频带窄，不适用于低频率的微能量的收集。
3悬臂梁拨动式机构的工作频率更宽，且更适用于微能量的收集。但是悬臂梁的驱动力矩受限于材料特性而难以提高。并且在长时间的冲击工作场景下，梁的弹性性能逐渐下降，从而会降低输出能力。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，将生产生活或者自然环境中的往复振动转换为转子的单向高速旋转运动，进而显著提高旋转式俘能器的性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，包括在基座以及在基座上表面一侧设置的套筒和另一侧设置的磁铁弹簧机构。转子在套筒内部旋转，转子在棘爪支架的驱动下进行转动，与线圈互相作用产生感应电流。所述棘爪支架上的棘爪支架齿轮与齿条相啮合用以传递力矩。在机械振动作用下，磁铁弹簧机构用于存储机械能并瞬间释放。释放的弹力带动齿条往复运动，齿条驱动棘爪支架齿轮，带动棘爪支架旋转运动。
所述基座包括靠近套筒的齿条支架和远离套筒的水平活动杆支架；所述齿条支架和水平活动杆支架在一条水平线上。
所述齿条支架包括其上的通孔；所述平活动杆支架包括其上的通孔；
所述齿条支架上的通孔与右直线轴承套接；所述水平活动杆支架上的通孔与左直线轴承套接。
所述套筒包括中心轴、定子支架、线圈、轴承；
所述的中心轴包括同一轴心设置的第一台阶和第二台阶；所述第一台阶与轴承内圈套接；所述第二台阶与棘爪支架通孔的内圈套接；所述定子支架上的凸起用以固定线圈。
所述中心轴上的第一台阶、第二台阶依次连接轴承、棘爪支架。
所述转子包括转子磁铁、棘轮结构、第一通孔、第二通孔；所述的转子磁铁周期性排布在转子的外圈用以产生旋转的磁场；所述的棘轮结构内嵌在转子一侧，与棘爪配合单向传递转矩；所述的第一通孔在转子的一侧，套接在轴承外圈上；所述的第二通孔分布在另一侧。
所述棘爪支架为菱形结构，包括棘爪、棘爪支架齿轮、棘爪支架开孔、棘爪支架通孔；在菱形结构中心处安装棘爪支架齿轮，两锐角处开有棘爪支架通孔，棘爪支架通孔上通过棘爪圆柱筒安装棘爪；所述的棘爪支架齿轮与齿条相啮合；所述的棘爪支架开孔与套筒的第二台阶套接。
所述磁铁弹簧机构包括齿条、水平活动杆；所述齿条包括齿条活动杆、右直线轴承、齿条弹簧、齿条磁铁；
所述的右直线轴承的外圈套在齿条支架上，内圈嵌套在齿条活动杆上；所述齿条磁铁与齿条活动杆连接，共同直线左右运动；所述的齿条弹簧的一端与齿条支架相连，另一端与齿条磁铁相连；
所述右直线轴承上套接齿条活动杆，齿条活动杆的末端与齿条弹簧、齿条磁铁同轴连接。
所述水平活动杆包括左直线轴承、水平活动杆磁铁；所述左直线轴承的外圈套在水平活动杆支架上，内圈嵌套在水平活动杆上；
所述的水平活动杆套接在左直线轴承上，水平活动杆的末端与水平活动杆磁铁同轴连接，共同直线左右运动。
所述的齿条磁铁和水平活动杆磁铁水平正对，且其之间为吸引力作用；所述的线圈分布在定子支架外部。
本发明的有益效果：
1本发明基于磁引力与弹簧拉力之间构成的能量势垒构建了稳态跳变机制，提升了旋转式俘能器的性能。
2本发明结构简单，工作稳定，且能在较低频率的振动激励下工作。
3本发明的磁力拉伸跳变机制结合棘轮棘爪机构实现了双向低频振动转换为单向的高速旋转运动。
附图说明
图1为本发明磁铁弹簧机构示意图。
图2为本发明基座结构示意图。
图3为本发明套筒结构示意图。
图4为本发明转子结构示意图。
图5为本发明棘爪结构示意图。
图6为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-6所示，一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，包括在基座1以及在基座1上表面一侧设置套筒2，另一侧设置磁铁弹簧机构5。转子3在套筒2内部旋转，转子3在棘爪支架5的驱动下进行转动，与线圈2-3互相作用产生感应电流。所述棘爪支架4上的棘爪支架齿轮4-2与齿条5-1相啮合用以传递力矩。在机械振动作用下，磁铁弹簧机构5用于存储机械能并瞬间释放。释放的弹力带动齿条5-1往复运动，齿条5-1驱动棘爪支架齿轮4-2，带动棘爪支架4旋转运动。
如图1所示：包括齿条5-1和水平活动杆5-2，所述齿条包括齿条活动杆5-1-4、右直线轴承5-1-1、齿条弹簧5-1-2、齿条磁铁5-1-3；所述的右直线轴承5-1-1的外圈套在齿条支架上，内圈嵌套在齿条活动杆5-1-4上；所述齿条磁铁5-1-3与齿条活动杆5-1-4连接，共同直线左右运动；所述齿条弹簧5-1-2右侧与齿条支架1-1固定，左侧与齿条磁铁5-1-3固定。所述水平活动杆5-2包括左直线轴承5-2-1、水平活动杆磁铁5-2-2；所述左直线轴承5-2-1的外圈套在水平活动杆支架1-2上，内圈嵌套在水平活动杆5-2上；所述水平活动杆磁铁5-2-2与水平活动杆5-2连接，共同直线左右运动。
如图2所示，所述基座1包括基座1右侧的齿条支架1-1和基座1左侧的水平活动杆支架1-2；所述齿条支架1-1包括其上的通孔1-1-1，放置右直线轴承5-1-1用以限制齿条左右直线运动；所述平活动杆支架1-2包括其上的通孔1-2-1，放置左直线轴承5-2-1用以限制水平活动杆左右直线运动。
如图3所示，所述套筒2包括中心轴2-1、定子支架2-2、轴承2-3；所述的中心轴2-1包括第一台阶2-1-1和第二台阶2-1-2；所述第一台阶2-1-1与轴承3内圈套接；所述第二台阶2-1-2与棘爪支架通孔4-3的内圈套接，使棘爪支架4能与转子3上的棘轮结构3-3配合以传递力矩；所述定子支架2-2上的凸起2-2-1用以固定线圈2-3，套筒作为固定部件的一部分，用以套接轴承2-3和固定线圈2-3，线圈2-3通过与磁铁3-4的相对旋转运动而发电。
如图4所示，所述转子3包括转子磁铁3-4、棘轮结构3-3、第一通孔3-1、第二通孔3-2；所述的转子磁铁3-4周期性排布在转子3的外圈用以产生旋转的磁场；所述的棘轮结构3-3内嵌在转子一侧，与棘爪4-1配合，用以将双向旋转运动转换为单向旋转运动；所述的第一通孔3-1在转子的一侧，套接在轴承2-4外圈上，转子3通过轴承2-4与套筒2连接，相对套筒2做旋转运动；所述的第二通孔3-2分布在另一侧，该通孔3-2用以通过套筒2的中心轴2-1。
如图5所示，所述棘爪支架4包括棘爪4-1、棘爪支架齿轮4-2、棘爪支架开孔4-3、棘爪支架通孔4-4；所述的棘爪4-1的棘爪圆柱筒4-1-1套接在棘爪支架通孔4-4中，使棘爪4-1在棘爪支架4上相对于其转动；所述的棘爪支架齿轮4-2与齿条相啮合用以传递力矩。所述的棘爪支架开孔4-3与套筒的第二台阶2-1-2套接，使棘爪支架4在与转子3发生相对运动时单向传递转矩。
图6为本发明的整体组装示意图，可作为理解本发明的参考。
本发明涉及一种棘轮棘爪驱动的旋转式电磁俘能器。尤其是其基于磁力拉伸跳变的机构，提高了瞬时棘爪棘轮驱动的力矩。其应用领域广泛，可以用于各种电子设备和系统，特别是低功耗设和不方便更换电池的场景。例如，无线传感器网络、远程监测设备、可穿戴设备、物联网设备等。
本发明可以将生产生活或者自然环境中的往复振动转换为转子的单向高速旋转运动。本发明基于磁引力与弹簧拉力之间构成的能量势垒，构建了稳态跳变机制，实现了水平方向机械能的储存和瞬间释放。
与现有运动转换机构相比，本发明具有结构简单、转速高、频带宽的特点。
本发明的工作原理：
在机械振动作用下，水平活动杆5-2相对基座1向左运动，由于齿条磁铁5-1-3和水平活动杆磁铁5-2-2的吸引力作用，此时齿条活动杆5-1-4被牵拉向左运动。而齿条活动杆5-1-4配合的棘爪支架齿轮4-2被带动逆时针旋转。此时由于棘轮棘爪的单向旋转机制，齿轮不驱动转子旋转发电。
随着水平活动杆5-2的向左运动距离增大，齿条弹簧5-1-2的拉力逐渐升高，齿条弹簧5-1-2提供的拉力超过磁铁的吸引力。当所述结构刚刚越过磁力和拉力平衡的临界点时，齿条活动杆5-1-4及齿条弹簧5-1-机构中存储的弹性势能被瞬间释放，齿条活动杆5-1-4相对基座1向右瞬间弹出从而驱动齿轮顺时针旋转。
当转子旋转时，内嵌入转子3的磁铁与缠绕在定子支架2-2上的线圈2-3之间产生相对运动，从而利用电磁感应定律输出电能。
本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不进行逐一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，包括在基座(1)以及在基座(1)上表面一侧设置的套筒(2)和另一侧设置的磁铁弹簧机构(5)。转子(3)在套筒(2)内部旋转，转子(3)在棘爪支架(5)的驱动下进行转动，与线圈(2-3)互相作用产生感应电流。所述棘爪支架(4)上的棘爪支架齿轮(4-2)与齿条(5-1)相啮合用以传递力矩。在机械振动作用下，磁铁弹簧机构(5)用于存储机械能并瞬间释放。释放的弹力带动齿条(5-1)往复运动，齿条(5-1)驱动棘爪支架齿轮(4-2)，带动棘爪支架(4)旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，所述基座(1)包括靠近套筒(2)的齿条支架(1-1)和远离套筒(2)的水平活动杆支架(1-2)；所述齿条支架(1-1)和水平活动杆支架(1-2)在一条水平线上。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，所述齿条支架(1-1)包括其上的通孔(1-1-1)；所述平活动杆支架(1-2)包括其上的通孔(1-2-1)；
所述齿条支架(1-1)上的通孔(1-1-1)与右直线轴承(5-1-1)套接；所述水平活动杆支架(1-2)上的通孔(1-2-1)与左直线轴承(5-2-1)套接。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，所述套筒(2)包括中心轴(2-1)、定子支架(2-2)、线圈(2-3)、轴承(2-4)；
所述的中心轴(2-1)包括同一轴心设置的第一台阶(2-1-1)和第二台阶(2-1-2)；所述第一台阶(2-1-1)与轴承(2-4)内圈套接；所述第二台阶(2-1-2)与棘爪支架通孔(4-4)的内圈套接；所述定子支架(2-2)上的凸起用以固定线圈(2-3)；
所述中心轴(2-1)上的第一台阶(2-1-1)、第二台阶(2-1-2)依次连接轴承(2-4)、棘爪支架(4-1)。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，所述转子(3)包括转子磁铁(3-4)、棘轮结构(3-3)、第一通孔(3-1)、第二通孔(3-2)；
所述的转子磁铁(3-4)周期性排布在转子(3)的外圈用以产生旋转的磁场；所述的棘轮结构(3-3)内嵌在转子(3)一侧，与棘爪(4-1)配合单向传递转矩；所述的第一通孔(3-1)在转子(3)的一侧，套接在轴承(2-4)外圈上；所述的第二通孔(3-2)分布在另一侧。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，所述棘爪支架(4)为菱形结构，包括棘爪(4-1)、棘爪支架齿轮(4-2)、棘爪支架开孔(4-3)、棘爪支架通孔(4-4)；
在菱形结构中心处安装棘爪支架齿轮(4-2)，两锐角处开有棘爪支架通孔(4-4)，棘爪支架通孔(4-4)上通过棘爪圆柱筒(4-1-1)安装棘爪(4-1)；
所述的棘爪支架齿轮(4-2)与齿条(5-1)相啮合；所述的棘爪支架开孔(4-3)与套筒(2)的第二台阶(2-1-2)套接。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，所述磁铁弹簧机构(5)包括齿条(5-1)、水平活动杆(5-2)；所述齿条(5-1)包括齿条活动杆(5-1-1)、右直线轴承(5-1-1)、齿条弹簧(5-1-2)、齿条磁铁(5-1-2)；
所述的右直线轴承(5-1-1)的外圈套在齿条支架(1-1)上，内圈嵌套在齿条活动杆(5-1-1)上；所述齿条磁铁(5-1-2)与齿条活动杆(5-1-1)连接，共同直线左右运动；所述的齿条弹簧(5-1-2)的一端与齿条支架(1-1)相连，另一端与齿条磁铁(5-1-3)相连。
8.根据权利要求7所述的一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，所述右直线轴承(5-1-1)上套接齿条活动杆(5-1-4)，齿条活动杆(5-1-4)的末端与齿条弹簧(5-1-2)、齿条磁铁(5-1-3)同轴连接。
9.根据权利要求7所述的一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，所述水平活动杆(5-2)包括左直线轴承(5-2-1)、水平活动杆磁铁(5-2-2)；所述左直线轴承(5-2-1)的外圈套在水平活动杆支架(1-2)上，内圈嵌套在水平活动杆上(5-2)；
水平活动杆(5-2)的末端与水平活动杆磁铁(5-2-2)同轴连接，共同直线左右运动。
10.根据权利要求9所述的一种基于磁力拉伸跳变的电磁俘能器，其特征在于，所述的齿条磁铁(5-1-3)和水平活动杆磁铁(5-2-2)水平正对，且其之间为吸引力作用；所述的线圈(2-3)分布在定子支架(2-2)外部。
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