CN117277720A - 一种适于多种低频环境的摆振发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于多种低频环境的摆振发电装置，属新能源领域。由机壳、机盖、外轮轴、摇摆器、调频簧、调频块、电路板、转子、PZT振子及线圈构成，机壳两侧壁上设有线框、另两侧壁上设有插槽；外轮轴由外轴、外小轮和外大轮构成；摇摆器由摆轴、摆盘及摆杆构成，摆轴上设有轴平面；转子由磁筒和内轮轴构成，内轮轴上设有内轮；机盖装在机壳上，机盖的插板植入插槽内并与机壳构成安装孔；线圈装在线框上，转子装在线框腔内；外轴和摆轴装在壳侧壁上，外小轮与摆盘构成外传动副，外大轮与内轮构成内传动副；摇摆器上装有调频块，摇摆器与机壳间设有调频簧；机壳及机盖与摇摆器间设有PZT振子；摇摆器摆动时线圈切割磁力线发电、PZT振子弯曲变形发电。

Description

一种适于多种低频环境的摆振发电装置

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种适于多种低频环境的摆振发电装置，用于车载、船载、波浪及人体携带等超低频环境的摆动与振动发电。

背景技术

利用压电、电磁及摩擦原理构造微小型发电装置的研究已成为国内外的热点，其目的是替代电池为远程传感、埋植监测系统及便携式微功率电子产品供电。目前，利用上述原理可有效回收的环境能量多达10余种，如：环境振动能，机床、车辆、发动机及发电装置主轴和轴承等的旋转动能，人的肢体及器官运动能，波浪、风、河流等流体能。从实际应用的角度，目前所提出的各类发电装置依然面临较多的技术瓶颈，较普遍的共性问题归纳如下：发电能力及单位体积能量密度较低，/>环境适应性有限，即对流体流速、振动频率与振幅、旋转体转速的适应能力低，/>可靠性低，如压电陶瓷易因环境振动强度过大而损毁、滑动摩擦发电装置易因摩擦副之间的摩擦磨损而失效，等等。

发明内容

本发明的一种适于多种低频环境的摆振发电装置由机壳、机盖、外轮轴、摇摆器、调频簧、调频块、电路板、转子、PZT振子及线圈构成，电路板上设有能量收集、能量管理及能量存储单元。

机壳的壳底壁和壳侧壁构成壳腔，壳侧壁与壳底壁垂直，壳侧壁包括壳左壁、壳右壁、壳前壁和壳后壁，壳底壁的内侧设有壳座板；两个相对的壳侧壁上设有线框、另两个相对的壳侧壁上设有插槽，线框对称配置在壳座板的两侧，线框位于壳左壁和壳右壁上，线框与其所在的壳侧壁构成线框腔，线框腔的两个相对的侧壁上设有水平方向的定位槽，即定位槽的对称中心线位于水平面内；插槽位于壳前壁和壳后壁上，插槽的低端设有一个大下槽和两个小下槽，大下槽和小下槽均为半圆槽；小下槽对称配置在大下槽的两侧。

机盖的盖板上设有两个插板、两个定位梁和一个盖座板，插板、定位梁和盖座板位于盖板同一侧，插板对称配置在盖座板的前后两侧、定位梁对称配置在盖座板的左右两侧，插板与盖板垂直，插板端部设有一个大上槽和两个小上槽，大上槽和小上槽均为半圆槽。

外轮轴由外轴、一个外小轮和两个外大轮构成，外轴、外小轮及外大轮同轴，外大轮对称配置在外小轮的两侧；外小轮和外大轮作为独立的部件固定安装在外轴上，或外小轮和外大轮直接在外轴上加工而成。

摇摆器由摆轴、摆盘及摆杆构成，摆盘的外缘上设有摩擦层或轮齿，摩擦层或轮齿布满摆盘的外缘或外缘的一部分；摆盘与摆轴同轴，摆杆与摆轴垂直，摆杆的一端固定在摆轴或摆盘上；摆盘位于摆轴的中部，摆盘两侧的摆轴上设有相互平行的轴平面。

转子由磁筒和内轮轴构成，磁筒沿径向充磁，磁筒的磁极沿径向极化，即一个半环为N极、另一个半环为S极，磁筒固定安装在内轮轴的中部，磁筒通过粘接固定在内轮轴上；内轮轴上设有内轮，内轮轴上设有一个或两个内轮，两个内轮对称配置在磁筒两侧；内轮为独立的元件固定安装在内轮轴上或内轮为内轮轴上直接加工出来的一部分，内轮外缘上设有摩擦层或轮齿。

电路板经螺钉安装在机盖上，电路板经螺钉安装在机盖的定位梁上；机盖经螺钉安装在机壳上，机盖的盖板裝在壳腔的端口上，机盖的定位梁侧边顶靠在壳侧壁上、插板植入插槽内，插板与机壳构成安装孔，大上槽与大下槽正对安装构成大安装孔，小上槽与小下槽正对安装构成小安装孔。

线圈安装在线框上，线圈套在线框外侧并胶结固定；转子安装在线框腔内并可转动，转子经内轮轴安装在线框腔中，内轮轴的两端置于定位槽中；转子位于线圈及线框腔内部，线框将转子和线圈隔开，线圈轴线与转子轴线垂直；线圈与其内部的磁筒构成电磁发电单元。

外轮轴的外轴和摇摆器的摆轴经机盖的插板安装在机壳的壳侧壁上，外轴与摆轴的两端均安装在机壳的壳侧壁上，外轴及摆轴的端部分别套在小安装孔和大安装孔中；外轮轴的外小轮与摇摆器的摆盘相接触并构成外传动副，外轮轴的外大轮与转子的内轮相接触并构成内传动副，内传动副和外传动副为齿轮传动副或摩擦传动副。

机壳及机盖与摇摆器之间均设有PZT振子，PZT振子由压电片和基片粘接而成，PZT振子与摇摆器构成压电发电单元，摇摆器摆动时PZT振子弯曲变形发电；PZT振子的一端固定在壳底壁或盖板上、另一端顶靠在摆轴的轴平面上，PZT振子的一端经螺钉和压板e固定在壳底壁的壳座板或盖板的盖座板上，PZT振子的自由端的基片与摆轴的轴平面接触且二者间无相无作用力，即非工作时PZT振子处于平直的自由状态。

摇摆器上安装有调频块，调频块经螺钉、铆接或焊接安装在摇摆器的摆杆上或摆盘上；摇摆器或调频块与机壳间设有调频簧，调频簧位于摇摆器的两侧，调频簧的一端固定在机壳的内壁上、另一端固定在摇摆器的摆杆或调频块上；收集水平方向振动能时调频簧对称配置在摇摆器的两侧，收集铅锤方向振动能时调频簧非对称配置在摇摆器的两侧；调频块和调频簧的安装位置可调。

本发明中，电磁发电单元和压电发电单元经独立的导线组及整流桥与电路板相连。

本发明中，机壳、机盖及摇摆器、内轮轴及外轮轴均由非铁磁性材料制成，所述非铁磁性材料包括不锈钢、铝合金及铜等金属及高分子塑料。

环境中存在振动时，摇摆器受调频块的惯性力、调频簧的弹性力及PZT振子的弹性力的共同作用并绕摆轴往复摆动，摇摆器再经外传动副和内传动副迫使转子及磁筒转动且磁筒的磁极换向，磁筒的磁极方向及穿过线圈的磁通量密度与磁场强度发生变化，线圈切割磁力线，电磁发电单元发电；同时，摆轴的轴平面迫使PZT振子弯曲变形，PZT振子将机械能转换成电能，压电发电单元发电；电磁发电单元及压电发电单元所生成的电能经导线输送到电路板，电能经转换处理后存储或输出。

本发明，摇摆器单次运动迫使转子转动一周以上，相关参数间的合理关系为： R≥2πR_xr/（QR_d），其中：Q为摆盘的常规摆角，R、R_d、R_x及r分别为摆盘、外大轮、外小轮及内轮的半径，摆盘、外大轮、外小轮及内轮的半径是指摩擦轮的外缘半径或齿轮的节圆半径。

本发明，PZT振子的变形量小于其许用值，相关参数间的合理关系为：δ≤R1(1-cosQ2)，其中δ为PZT振子的许用变形量，R1为摆轴的半径，Q2为轴平面所对应圆心角的一半。

本发明中，摇摆器由轻质的非金属材料制成，调频块由铜制成，摇摆器的惯性矩远小于调频块的惯性矩，发电装置的固有频率可由调频块和调频簧的安装位置调整，即由下式计算：，式中：ζ为等效阻尼比，K为调频簧的刚度，k1和k2分别为摆轴上下两侧PZT振子的刚度， Y为调频簧的安装距离、即调频簧的固定端到摆轴中心的距离，R1为摆轴的半径，Q1为调频簧与摆杆间的夹角，Q2为轴平面所对应圆心角的一半，M为调频块的质量， X为调频块的安装距离、及调频块的质心到摆轴中心的距离，η为修正系数，η与系统等效阻尼及等效刚度等相关。

本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈与磁筒的参数关系为： L/D=2±1， T/D=0.6±0.4，V/D=2.25±0.75，U/D=1.3±0.7, 其中，D为磁筒的直径，L为磁筒的长度，T、V和U分别为线圈x的壁厚、径向宽度和高度，线圈x的径向宽度是指线圈沿磁筒径向的宽度。

本发明将两种不同原理发电单元有机结合，单位体积能量密度大、发供电能力强；其电磁发电单元的结构及原理与现有电磁发电装置完全不同：摇摆器经外轮轴迫使线圈内部径向极化的磁筒滚动，从而改变磁筒的磁极方向与穿过线圈磁场强度，线圈切割磁力线发电，磁筒在线圈内部滚动过程中，磁筒的磁极变化所引起的线圈内磁场变化梯度大，故发电能力强，输出电压高、电量大。

优势与特色：两种发电方法有机结合，单位体积能量密度大；具有提频功能，适于微幅、低频的振动环境；结构简单、频率易于调整；通过内置磁筒磁极变化改变通过线圈的磁通量及场强，发供电能力强；压电发电振子变形量可控，可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中发电装置的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中机壳的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是图3的左视图；

图6是本发明一个较佳实施例中机盖的结构示意图；

图7是图6的仰视图；

图8是本发明一个较佳实施例中外轮轴的结构示意图；

图9是本发明一个较佳实施例中摇摆器的结构示意图；

图10是图9的左视图；

图11是本发明一个较佳实施例中转子的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种适于多种低频环境的摆振发电装置由机壳a、机盖b、外轮轴c、摇摆器d、调频簧k、调频块m、电路板p、转子W、PZT振子i及线圈x构成，电路板p上设有能量收集、能量管理及能量存储单元。

机壳a的壳底壁a1和壳侧壁构成壳腔a0，壳侧壁与壳底壁a1垂直，壳侧壁包括壳左壁a2、壳右壁a3、壳前壁a4和壳后壁a5，壳底壁a1的内侧设有壳座板a6；两个相对的壳侧壁上设有线框a7、另两个相对的壳侧壁上设有插槽a10，线框a7对称配置在壳座板a6的两侧，线框a7位于壳左壁a2和壳右壁a3上，线框a7与其所在的壳侧壁构成线框腔a8，线框腔a8的两个相对的侧壁上设有水平方向的定位槽a9，即定位槽a9的对称中心线位于水平面内；插槽a10位于壳前壁a4和壳后壁a5上，插槽a10的低端设有一个大下槽a11和两个小下槽a12，大下槽a11和小下槽a12均为半圆槽；小下槽a12对称配置在大下槽a11的两侧。

机盖b的盖板b1上设有两个插板b2、两个定位梁b3和一个盖座板b4，插板b2、定位梁b3和盖座板b4位于盖板b1同一侧，插板b2对称配置在盖座板b4的前后两侧、定位梁b3对称配置在盖座板b4的左右两侧，插板b2与盖板b1垂直，插板b2端部设有一个大上槽b5和两个小上槽b6，大上槽b5和小上槽b6均为半圆槽。

外轮轴c由外轴c1、一个外小轮c2和两个外大轮c3构成，外轴c1、外小轮c2及外大轮c3同轴，外大轮c3对称配置在外小轮c2的两侧；外小轮c2和外大轮c3作为独立的部件固定安装在外轴c1上，或外小轮c2和外大轮c3直接在外轴c1上加工而成。

摇摆器d由摆轴d1和摆盘d2、摆杆d3构成，摆盘d2的外缘上设有摩擦层或轮齿d4，摩擦层或轮齿d4布满摆盘d2的外缘或外缘的一部分；摆盘d2与摆轴d1同轴，摆杆d3与摆轴d1垂直，摆杆d3的一端固定在摆轴d1或摆盘d2上；摆盘d2位于摆轴d1的中部，摆盘d2两侧的摆轴d1上设有相互平行的轴平面d5。

转子W由磁筒y和内轮轴z构成，磁筒y沿径向充磁，磁筒y的磁极沿径向极化，即一个半环为N极、另一个半环为S极，磁筒y固定安装在内轮轴z的中部，磁筒y通过粘接固定在内轮轴z上；内轮轴z上设有内轮z1，内轮轴z上设有一个或两个内轮z1，两个内轮z1对称配置在磁筒y两侧；内轮z1为独立的元件固定安装在内轮轴z上或内轮z1为内轮轴z上直接加工出来的一部分，内轮z1外缘上设有摩擦层或轮齿。

电路板p经螺钉安装在机盖b上，电路板p经螺钉安装在机盖b的定位梁b3上；机盖b经螺钉安装在机壳a上，机盖b的盖板b1裝在壳腔a0的端口上，机盖b的定位梁b3侧边顶靠在壳侧壁上、插板b2植入插槽a10内，插板b2与机壳a构成安装孔，大上槽b5与大下槽a11正对安装构成大安装孔，小上槽b6与小下槽a12正对安装构成小安装孔。

线圈x安装在线框a7上，线圈x套在线框a7外侧并胶结固定；转子W安装在线框腔a8内并可转动，转子W经内轮轴z安装在线框腔a8中，内轮轴z的两端置于定位槽a9中；转子W位于线圈x及线框腔a8内部，线框a7将转子W和线圈x隔开，线圈轴线q与转子轴线j垂直；线圈x与其内部的磁筒y构成电磁发电单元。

外轮轴c的外轴c1和摇摆器d的摆轴d1安装在机壳a的壳侧壁上，外轴c1与摆轴d1的两端均安装在机壳a的壳侧壁上，外轴c1及摆轴d1的端部分别套在小安装孔和大安装孔中；外轮轴c的外小轮c2与摇摆器d的摆盘d2相接触并构成外传动副，外轮轴c的外大轮c3与转子W的内轮z1相接触并构成内传动副，内传动副和外传动副为齿轮传动副或摩擦传动副。

机壳a及机盖b与摇摆器d之间均设有PZT振子i，PZT振子i由压电片和基片粘接而成，PZT振子i与摇摆器d构成压电发电单元，摇摆器d摆动时PZT振子i弯曲变形发电；PZT振子i的一端固定在壳底壁a1或盖板b1上、另一端顶靠在摆轴d1的轴平面d5上，PZT振子i的一端经螺钉和压板e固定在壳底壁a1的壳座板a6或盖板b1的盖座板b4上，PZT振子i的自由端的基片与摆轴d1的轴平面d5接触且二者间无相无作用力，即非工作时PZT振子i处于平直的自由状态。

摇摆器d上安装有调频块m，调频块m经螺钉、铆接或焊接安装在摇摆器d的摆杆d3上或摆盘d2上；摇摆器d或调频块m与机壳a间设有调频簧k，调频簧k位于摇摆器d的两侧，调频簧k的一端固定在机壳a的内壁上、另一端固定在摇摆器d的摆杆d3或调频块m上；收集水平方向振动能时调频簧k对称配置在摇摆器d的两侧，收集铅锤方向振动能时调频簧k非对称配置在摇摆器d的两侧；调频块m和调频簧k的安装位置可调。

本发明中，电磁发电单元和压电发电单元经独立的导线组及整流桥与电路板p相连。

本发明中，机壳a、机盖b及摇摆器d、内轮轴z及外轮轴c均由非铁磁性材料制成，所述非铁磁性材料包括不锈钢、铝合金及铜等金属及高分子塑料。

环境中存在振动时，摇摆器d受调频块m的惯性力、调频簧k的弹性力及PZT振子i的弹性力的共同作用并绕摆轴d1往复摆动，摇摆器d再经外传动副和内传动副迫使转子W及磁筒y转动且磁筒y的磁极换向，磁筒y的磁极方向及穿过线圈的磁通量密度与磁场强度发生变化，线圈x切割磁力线，电磁发电单元发电；同时，摆轴d1的轴平面d5迫使PZT振子i弯曲变形，PZT振子i将机械能转换成电能，压电发电单元发电；电磁发电单元及压电发电单元所生成的电能经导线输送到电路板p，电能经转换处理后存储或输出。

本发明，摇摆器d单次运动迫使转子W转动一周以上，相关参数间的合理关系为： R≥2πR_xr/（QR_d），其中：Q为摆盘d2的常规摆角，R、R_d、R_x及r分别为摆盘d2、外大轮c3、外小轮c2及内轮z1的半径，摆盘d2、外大轮c3、外小轮c2及内轮z1的半径是指摩擦轮的外缘半径或齿轮的节圆半径。

本发明，PZT振子i的变形量小于其许用值，相关参数间的合理关系为：δ≤R1(1-cosQ2)，其中δ为PZT振子i的许用变形量，R1为摆轴d1的半径，Q2为轴平面d5所对应圆心角的一半。

本发明中，摇摆器d由轻质的非金属材料制成，调频块m由铜制成，摇摆器d的惯性矩远小于调频块m的惯性矩，发电装置的固有频率可由调频块m和调频簧k的安装位置调整，即由下式计算：，式中：ζ为等效阻尼比，K为调频簧k的刚度，k1和k2分别为摆轴d1上下两侧PZT振子i的刚度， Y为调频簧k的安装距离、即调频簧k的固定端到摆轴d1中心的距离，R1为摆轴d1的半径，Q1为调频簧k与摆杆d3间的夹角，Q2为轴平面d5所对应圆心角的一半，M为调频块m的质量， X为调频块m的安装距离、及调频块m的质心到摆轴d1中心的距离，η为修正系数，η与系统等效阻尼及等效刚度等相关。

本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈x与磁筒y的参数关系为：L/D=2±1， T/D=0.6±0.4， V/D=2.25±0.75，U/D=1.3±0.7, 其中，D为磁筒y的直径，L为磁筒y的长度，T、V和U分别为线圈x的壁厚、径向宽度和高度，线圈x的径向宽度是指线圈x沿磁筒y径向的宽度。

本发明将两种不同原理发电单元有机结合，单位体积能量密度大、发供电能力强；其电磁发电单元的结构及原理与现有电磁发电装置完全不同：摇摆器d经外轮轴c迫使线圈x内部径向极化的磁筒y滚动，从而改变磁筒y的磁极方向与穿过线圈x磁场强度，线圈x切割磁力线发电，磁筒y在线圈x内部滚动过程中，磁筒y的磁极变化所引起的线圈x内磁场变化梯度大，故发电能力强，输出电压高、电量大。

Claims (3)

1.一种适于多种低频环境的摆振发电装置，由机壳、机盖、外轮轴、摇摆器、调频簧、调频块、电路板、转子、PZT振子及线圈构成，机壳的两相对壳侧壁上设有线框、另两相对壳侧壁上设有插槽，线框与壳侧壁构成线框腔，线框腔的两相对侧壁上设有定位槽；外轮轴由外轴、外小轮和外大轮构成；摇摆器由摆轴、摆盘及摆杆构成，摆轴上设有相互平行的轴平面；摇摆器上装有调频块，摇摆器或调频块与机壳间设有调频簧；机盖装在机壳上，机盖的插板植入插槽内并与机壳构成安装孔；外轴和摆轴装在壳侧壁上，外小轮与摆盘构成外传动副，外大轮与内轮构成内传动副；其特征在于：转子由径向极化的磁筒和内轮轴构成，内轮轴上设有内轮；线圈装在线框上，转子装在线框腔内，转子位于线圈内，线圈轴线与转子轴线垂直；摇摆器往复摆动时摆轴经外传动副和内传动副迫使磁筒转动且其磁极换向、线圈切割磁力线发电。

2.根据权利要求1所述的一种适于多种低频环境的摆振发电装置，其特征在于：摇摆器单次运动迫使转子转动一周以上，相关参数的关系为： R≥2πR_xr/（QR_d），其中：Q为摆盘的常规摆角，R、R_d、R_x及r分别为摆盘、外大轮、外小轮及内轮的半径，摆盘、外大轮、外小轮及内轮的半径是指摩擦轮的外缘半径或齿轮的节圆半径。

3.根据权利要求1所述的一种适于多种低频环境的摆振发电装置，其特征在于：摆盘及内轮的外缘上同时设有摩擦层或轮齿，内传动副和外传动副为齿轮传动副或摩擦传动副。