CN117318428A - 一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波浪‑船载发电机及其自供电监测系统，属新能源领域；包括基座、座套、护罩、激励器、缓冲簧、耦合体、电路板及由线圈与内磁体构成的纵横换能器，激励器由摆球及其所镶嵌的纵横磁组构成；基座上设有由横线腔和横磁腔构成的横腔组，座套外侧均布有由纵线腔和纵磁腔构成的纵腔组；护罩套装座套上，座套套在激励器上，护罩及座套固定在基座上，基座将激励器封装在座套套腔内，护罩将纵换能器封装在纵腔组内，压板将横换能器封装横腔组内；耦合体装在摆球上，基座装在浮子上或船体上；工作时，耦合体及激励器往复摆动，纵横磁组分别给纵内磁体和横内磁体施加转矩并使其磁极翻转，各线圈切割磁力线发电并供给监测与定位跟踪系统。

Description

一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统，实现定位、跟踪及状态监测的自供电功能。

背景技术

船舶定位跟踪系统的开发与应用已逐步获得日益广泛的关注，其推广应用将船舶航行安全、及时救援、以及失联后的搜寻等提供有力的保障。然而，所开发船舶用定位跟踪系统都是基于发动机供电的，一旦出现事故使发动机及整个电力系统失效时，定位跟踪系统也失去了其应有的预期功能。此外，现有的船用用定位跟踪系统都是外置的，载运工具失事进水或受损时无法正常工作、或当载运工具被不法分子劫持并关闭定位跟踪系统时也无法工作。因此，为确保各类船舶定位系统安全可靠地工作，需要有独立的自供电电源且需被隐秘、密闭地安装，只要船舶位于风浪较大的海上、或在水面相对平静的河流与湖泊中运行，发电机及定位跟踪系统均可正常工作。

此外，海洋环境与生态监测也需要实时的电力供应，如采用电池供电则需要经常更换，如铺设电缆供电则成本高、可移动性差、不便大面积应用，现有常规供电方法都不利于海洋监测技术的推广与有效利用。

为实现各类监测系统的自供电和真正意义上的免维护，人们提出了功能各异的微小型发电机，通过收集环境振动能及波浪能。在利用电磁、摩擦及压电等各种原理构造微型发电机方面，国内外均有较多专利申请，其中压电及摩擦原理发电能力弱、可靠性低；电磁发电技术虽可靠性高，但其低频激励环境下发电能力及效率都很低，输出电压仅毫伏级、根本无法应用，也急需开发结构简单、方向适应性强、发电能力强新型电磁式发电机。

发明内容

一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统，主要包括基座、座套、护罩、激励器、缓冲簧、耦合体、电路板、纵换能器和横换能器，纵换能器和横换能器由线圈与其内部的内磁体构成，激励器与纵换能器和横换能器分别构成电磁发电单元；电路板上安装有传感监测单元及定位跟踪单元。

激励器由摆球与其内部镶嵌的纵磁组和横磁组构成，纵磁组和横磁组均为磁体的组合：纵磁组由纵中磁体与其上下两侧对称配置的纵侧磁体构成，纵中磁体和纵侧磁体为辐射充磁且磁极配置方向相反的环体；横磁组由横中磁体与横侧磁体构成，横中磁体和横侧磁体分别为轴向充磁的柱体和环体，横中磁体和横侧磁体同轴且其磁极配置方向相反。

纵中磁体的轴向中界面位于经过摆球中心的水平面内，横中磁体的轴线位于经过摆球中心铅锤面内，横磁组位于摆球的上端或下端。

纵换能器由纵线圈和纵内磁体构成，纵内磁体位于纵线圈的内部，纵内磁体为径向充磁的柱体或球体；横换能器由横线圈和横内磁体构成，横内磁体置于横线圈的内部，横内磁体为径向充磁的球体。

基座的上方设有球窝、下方设有横腔组，横腔组由同轴的横线腔和横磁腔构成，球窝位于基座凸台上，基座凸台位于基座体的上方；横线腔为环形腔，横线腔位于横磁腔的外侧，横线腔和横磁腔经横腔壁隔开。

座套由套法兰、套壁和套顶环构成，套顶环与套壁围成套腔，套腔的顶面为球环面，即套顶环所对应的套腔面为球环面；套壁的横截面的外缘为正多边形，套壁的外侧沿圆周方向均布有纵腔组，纵腔组由同轴的纵线腔和纵磁腔构成，纵线腔为环形腔，纵线腔位于纵磁腔的外侧，纵线腔和纵磁腔经纵腔壁隔开。

护罩由罩法兰、罩壁及罩顶环构成，罩壁与罩顶环围成罩腔，罩腔的横截面的内缘为正多边形，罩顶环上设有倾斜的限位面。

缓冲簧由簧套与位于簧套上的一组簧片构成，簧套为锥套结构，簧片为悬臂梁结构。

护罩套装座套上，座套套在激励器上，套腔的底部套在基座凸台上；护罩的罩法兰及座套的套法兰经螺钉固定在基座上，基座将激励器封装在套腔内，激励器由基座的球窝和座套的球环面限位。

护罩将纵换能器封装在座套的纵腔组内，纵换能器的纵线圈和纵内磁体分别安装在纵腔组的纵线腔和纵磁腔内并经护罩的罩壁定位；纵换能器的纵内磁体与纵磁组中的纵中磁体正对安装，即纵内磁体与纵中磁体的几何中心位于同一个水平面内；纵内磁体为柱体时，纵内磁体的轴向与纵线圈的轴线垂直。

压板将横换能器封装基座的横腔组内，横换能器的横线圈和横内磁体分别安装在横腔组的横线腔和横磁腔内并经压板定位，电路板经螺钉安装在横线腔内；横换能器的横内磁体与横磁组的横中磁体正对安装，即横内磁体与横中磁体的几何中心位于同一个铅锤平面上。

耦合体经螺柱安装在摆球上，缓冲簧经螺钉安装在护罩上，缓冲簧经螺钉安装在护罩的限位面上，耦合体位于缓冲簧的簧片所围成的锥罩内，缓冲簧的功能是避免耦合体与护罩产生刚性冲击。

本发明中，除了纵内磁体、横内磁体、纵磁组及横磁组以外，其它器件的材料均为非铁磁性材料，其它器件与纵内磁体、横内磁体、纵磁组及横磁组间均不产生磁耦合力。

本发明中，用于收集波浪能并构造海洋监测系统时，发电机及监测系统安装在密闭的球形浮子的内部，基座经螺钉安装在球形浮子的内部；球形浮子由上半壳和下半壳构成，上半壳和下半壳经螺钉连接，下半壳上经螺钉安装由惯性块；经震荡的浮子与耦合体耦合作用驱动发电机发电。

本发明中，用于收集船体颠簸能并构造船舶监测系统时，发电机及监测系统经球形浮子安装在船体上，即将球形浮子及其内部发电机一起安装在船体上，利用船体颠簸振动发电。

本发明中，用于收集船体颠簸能并构造船舶监测系统时，发电机及监测系统还可直接安装在开放的船体之上，即：基座经螺钉安装在船体上，船体上设有发电机阵列，直接利用波浪激励耦合体震荡发电，或利用船体颠簸激励耦合体发电。

非工作时，激励器和耦合体处于平衡状态，纵内磁体与纵磁组中的纵中磁体相吸且距离最近、横内磁体与横磁组中的横中磁体相吸且距离最近，激励器与耦合体几何中心位于铅锤面内。

工作时，发电机置于波浪中或船体s上，耦合体在其自身惯性力或波浪推力的作用下往复摆动，从而使各个磁组与其相邻的内磁体间空间位置、距离及磁耦合力的性质发生变化，即使纵磁组与纵内磁体及横磁组与横内磁体间的空间位置、距离及磁耦合力的性质发生变化，纵磁组和横磁组分别给纵内磁体和横内磁体施加转矩，纵内磁体和横内磁体的磁极翻转；所述磁耦合力性质的变化是指纵内磁体和横内磁体所受激励器的作用力按以下规律转变：吸引力-排斥力-吸引力；纵内磁体和横内磁体所受磁力性质的变化使其迅速滚动180度、磁极翻转，纵线圈和横线圈切割磁力线发电，电能经整流后输送给电路板，经进一步转换处理后存储或输出给传感监测与定位跟踪系统。

以横换能器为例，其横内磁体的磁极翻转过程如下：激励器及横磁组逆时针摆动时，横内磁体顺时针转动，横中磁体及横侧磁体左侧逐渐远离横内磁体、横侧磁体右侧逐渐靠近横内磁体，横中磁体与横内磁体的吸引力逐渐减小、横侧磁体左侧与横内磁体间的排斥力逐渐减小、横侧磁体右侧与横内磁体间的排斥力逐渐增加，当横内磁体所受的横侧磁体的总的排斥力大于横中磁体的吸引力时，横内磁体将快速翻转180度、磁极换向，横内磁体与横侧磁体右侧间的作用力由排斥力变成吸引力；此后，激励器开始顺时针旋转、横内磁体逆时针旋转，横内磁体复位过程中其磁极再次翻转，至此完成了一个周期的横内磁体的磁极翻转过程。

需要说明的时，横内磁体的磁极翻转效果由各相关器件尺度及相互位置关系及激励器的摆角共同决定，合理的系统参数匹配关系有助于横内磁体的磁极翻转。

本发明中，激励器的摆角过大时，耦合体顶靠在缓冲簧的簧片上，激励器的摆角进一步增加时耦合体则将簧片压靠在护罩的限位面上。

本发明中，为提升发供电能力，线圈与内磁体的参数关系为，：λ=L/D=2±1，δ=T/D=0.6±0.4，η=V/D=2.25±0.75,β=U/D=1.3±0.7, 其中，D为球形和圆柱形内磁体的直径，L为圆柱形内磁体的长度，内磁体包括纵内磁体和横内磁体、线圈包括纵线圈和横线圈，T、V和U分别为线圈的壁厚、径向宽度和高度，线圈的径向宽度是指线圈沿内磁体径向的宽度，δ、η和β分别称为线圈壁厚比、线圈宽度比和线圈高度比，δ、η和β统称为线圈参数比；本发明采用输出功率比评价发供电能力，输出功率比是指不同结构参数时所得功率与其最大值之比，所述输出功率为开路电压与短路电流的乘积。

本发明中的发电机及监测系统，可用于收集波浪能、船舶颠簸与摇摆能并构造自供能监测系统。

与现有电磁发电技术不同，本发明利用激励器迫使线圈内的内磁体翻转，从而改变内磁体的磁极方向，线圈切割磁力线发电；内磁体在线圈内部翻转过程中，内磁体的磁极变化所引起的线圈内磁场变化梯度大、切割磁力线速度快，故发电能力强，输出电压高、电量大。

优势与特色：结构简单，无需任何传动机构，机械可靠性高，低频响应能力强，波浪方向适应性强；利用磁极翻转的方法提高磁场强度变化梯度及切割磁力线的速度，发电量电量大、输出电压高，是提高低频激励发电能力的有效方法。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中装在球形浮子中的发电机及监测系统结构剖面示意图；

图2是本发明一个较佳实施例中基座的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明一个较佳实施例中座套的结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明一个较佳实施例中护罩的结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是本发明一个较佳实施例中摆球的结构示意图；

图9是图8的A-A剖视图；

图10是图8的B-B剖视图；

图11是本发明一个较佳实施例中缓冲簧的结构示意图；

图12是图11的俯视图；

图13是本发明一个较佳实施例中装在船体上的发电机及监测系统结构剖面示意图；

图14是图13的C-C剖视图；

图15是本发明一个较佳实施例中输出功率比与线圈壁厚比及高度比的关系图。

实施方式

一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统，主要包括基座b、座套c、护罩d、激励器G、缓冲簧k、耦合体f、电路板p、纵换能器x和横换能器y，纵换能器x和横换能器y由线圈与其内部的内磁体构成，激励器G与纵换能器x和横换能器y分别构成电磁发电单元；电路板p上安装有传感监测单元及定位跟踪单元。

激励器G由摆球e与其内部镶嵌的纵磁组u和横磁组v构成，纵磁组u和横磁组v均为磁体的组合：纵磁组u由纵中磁体u1与其上下两侧对称配置的纵侧磁体u2构成，纵中磁体u1和纵侧磁体u2为辐射充磁且磁极配置方向相反的环体；横磁组v由横中磁体v1与横侧磁体v2构成，横中磁体v1和横侧磁体v2分别为轴向充磁的柱体和环体，横中磁体v1和横侧磁体v2同轴且其磁极配置方向相反。

纵中磁体u1的轴向中界面位于经过摆球e中心的水平面内，横中磁体v1的轴线位于经过摆球e中心铅锤面内，横磁组v位于摆球e的上端或下端。

纵换能器x由纵线圈x1和纵内磁体x2构成，纵内磁体x2位于纵线圈x1的内部，纵内磁体x2为径向充磁的柱体或球体；横换能器y由横线圈y1和横内磁体y2构成，横内磁体y2置于横线圈y1的内部，横内磁体y2为径向充磁的球体。

基座b的上方设有球窝b5、下方设有横腔组，横腔组由同轴的横线腔b3和横磁腔b4构成，球窝b5位于基座凸台b2上，基座凸台b2位于基座体b1的上方；横线腔b3为环形腔，横线腔b3位于横磁腔b4的外侧，横线腔b3和横磁腔b4经横腔壁b6隔开。

座套c由套法兰c1、套壁c2和套顶环c0构成，套顶环c0与套壁c2围成套腔c3，套腔c3的顶面为球环面c4，即套顶环c0所对应的套腔面为球环面c4；套壁c2的横截面的外缘为正多边形，套壁c2的外侧沿圆周方向均布有纵腔组，纵腔组由同轴的纵线腔c6和纵磁腔c5构成，纵线腔c6为环形腔，纵线腔c6位于纵磁腔c5的外侧，纵线腔c6和纵磁腔c5经纵腔壁c7隔开。

护罩d由罩法兰d1、罩壁d2及罩顶环d4构成，罩壁d2与罩顶环d4围成罩腔d3，罩腔d3的横截面的内缘为正多边形，罩顶环d4上设有倾斜的限位面d5。

缓冲簧k由簧套k1与位于簧套k1上的一组簧片k2构成，簧套k1为锥套结构，簧片k2为悬臂梁结构。

护罩d套装座套c上，座套c套在激励器G上，套腔c3的底部套在基座凸台b2上；护罩d的罩法兰d1及座套c的套法兰c1经螺钉固定在基座b上，基座b将激励器G封装在套腔c3内，激励器G由基座b的球窝b5和座套c的球环面c4限位。

护罩d将纵换能器x封装在座套c的纵腔组内，纵换能器x的纵线圈x1和纵内磁体x2分别安装在纵腔组的纵线腔c6和纵磁腔c5内并经护罩d的罩壁d2定位；纵换能器x的纵内磁体x2与纵磁组u中的纵中磁体u1正对安装，即纵内磁体x2与纵中磁体u1的几何中心位于同一个水平面内；纵内磁体x2为柱体时，纵内磁体x2的轴向与纵线圈x1的轴线垂直。

压板t将横换能器y封装基座b的横腔组内，横换能器y的横线圈y1和横内磁体y2分别安装在横腔组的横线腔b3和横磁腔b4内并经压板t定位，电路板p经螺钉安装在横线腔b3内；横换能器y的横内磁体y2与横磁组v的横中磁体v1正对安装，即横内磁体y2与横中磁体v1的几何中心位于同一个铅锤平面上。

耦合体f经螺柱安装在摆球e上，缓冲簧k经螺钉安装在护罩d上，缓冲簧k经螺钉安装在护罩d的限位面d5上，耦合体f位于缓冲簧k的簧片k2所围成的锥罩内，缓冲簧k的功能是避免耦合体f与护罩d产生刚性冲击。

本发明中，除了纵内磁体x2、横内磁体y2、纵磁组u及横磁组v以外，其它器件的材料均为非铁磁性材料，其它器件与纵内磁体x2、横内磁体y2、纵磁组u及横磁组v间均不产生磁耦合力。

本发明中，用于收集波浪能并构造海洋监测系统时，发电机及监测系统安装在密闭的球形浮子a的内部，基座b经螺钉安装在球形浮子a的内部；球形浮子a由上半壳a1和下半壳a2构成，上半壳a1和下半壳a2经螺钉连接，下半壳a2上经螺钉安装由惯性块a3；经震荡的浮子与耦合体f耦合作用驱动发电机发电。

本发明中，用于收集船体颠簸能并构造船舶监测系统时，发电机及监测系统经球形浮子a安装在船体上，即将球形浮子a及其内部发电机一起安装在船体s上，利用船体颠簸振动发电。

本发明中，用于收集船体颠簸能并构造船舶监测系统时，发电机及监测系统还可直接安装在开放的船体s之上，即：基座b经螺钉安装在船体s上，船体s上设有发电机阵列，直接利用波浪激励耦合体f震荡发电，或利用船体颠簸激励耦合体f发电。

非工作时，激励器G和耦合体f处于图1或图13所示的平衡状态，纵内磁体x2与纵磁组u中的纵中磁体u1相吸且距离最近、横内磁体y2与横磁组v中的横中磁体v1相吸且距离最近，激励器G与耦合体f几何中心位于铅锤面内。

工作时，发电机置于波浪中或船体s上，耦合体f在其自身惯性力或波浪推力的作用下往复摆动，从而使各个磁组与其相邻的内磁体间空间位置、距离及磁耦合力的性质发生变化，即使纵磁组u与纵内磁体x2及横磁组v与横内磁体y2间的空间位置、距离及磁耦合力的性质发生变化，纵磁组u和横磁组v分别给纵内磁体x2和横内磁体y2施加转矩，纵内磁体x2和横内磁体y2的磁极翻转；所述磁耦合力性质的变化是指纵内磁体x2和横内磁体y2所受激励器G的作用力按以下规律转变：吸引力-排斥力-吸引力；纵内磁体x2和横内磁体y2所受磁力性质的变化使其迅速滚动180度、磁极翻转，纵线圈x1和横线圈y1切割磁力线发电，电能经整流后输送给电路板p，经进一步转换处理后存储或输出，供给传感监测及定位跟踪系统。

以图1中的横换能器y为例，其横内磁体y2的磁极翻转过程如下：激励器G及横磁组v逆时针摆动时，横内磁体y2顺时针转动，横中磁体v1及横侧磁体v2左侧逐渐远离横内磁体y2、横侧磁体v2右侧逐渐靠近横内磁体y2，横中磁体v1与横内磁体y2的吸引力逐渐减小、横侧磁体v2左侧与横内磁体y2间的排斥力逐渐减小、横侧磁体v2右侧与横内磁体y2间的排斥力逐渐增加，当横内磁体y2所受的横侧磁体v2的总的排斥力大于横中磁体v1的吸引力时，横内磁体y2将快速翻转180度、磁极换向，横内磁体y2与横侧磁体v2右侧间的作用力由排斥力变成吸引力；此后，激励器G开始顺时针旋转、横内磁体y2逆时针旋转，横内磁体y2复位过程中其磁极再次翻转，至此完成了一个周期的横内磁体y2的磁极翻转过程。

需要说明的时，横内磁体y2的磁极翻转效果由各相关器件尺度及相互位置关系及激励器G的摆角共同决定，合理的系统参数匹配关系有助于横内磁体y2的磁极翻转。

本发明中，激励器G的摆角过大时，耦合体f顶靠在缓冲簧k的簧片k2上，激励器G的摆角进一步增加时耦合体f则将簧片k2压靠在护罩d的限位面d5上。

本发明中，为提升发供电能力，线圈与内磁体的参数关系为，：λ=L/D=2±1，δ=T/D=0.6±0.4，η=V/D=2.25±0.75,β=U/D=1.3±0.7, 其中，D为球形和圆柱形内磁体的直径，L为圆柱形内磁体的长度，内磁体包括纵内磁体x2和横内磁体y2、线圈包括纵线圈x1和横线圈y1，T、V和U分别为线圈的壁厚、径向宽度和高度，线圈的径向宽度是指线圈沿内磁体径向的宽度，δ、η和β分别称为线圈壁厚比、线圈宽度比和线圈高度比，δ、η和β统称为线圈参数比；本发明采用输出功率比评价发供电能力，输出功率比是指不同结构参数时所得功率与其最大值之比，所述输出功率为开路电压与短路电流的乘积。

本发明中的发电机及监测系统，可用于收集波浪能、船舶颠簸与摇摆能并构造自供能监测系统。

与现有电磁发电技术不同，本发明利用激励器迫使线圈内的内磁体翻转，从而改变内磁体的磁极方向，线圈切割磁力线发电；内磁体在线圈内部翻转过程中，内磁体的磁极变化所引起的线圈内磁场变化梯度大、切割磁力线速度快，故发电能力强，输出电压高、电量大。

Claims (5)

1.一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统，包括基座、座套、护罩、激励器、缓冲簧、耦合体、电路板、纵换能器和横换能器，基座上设有由同轴的横线腔和横磁腔构成的横腔组；座套的套壁和套顶环围成套腔，套壁外侧均布有纵腔组，纵腔组由纵线腔和纵磁腔构成，护罩的罩壁与罩顶环围成罩腔；护罩套装座套上，座套套在激励器上，护罩及座套固定在基座上，基座将激励器封装在套腔内；其特征在于：纵换能器和横换能器由线圈与其内部的内磁体构成，激励器由摆球与其内部镶嵌的纵磁组和横磁组构成，纵磁组和横磁组均为磁体的组合；护罩将纵换能器封装在座套的纵腔组内，纵换能器的纵线圈和纵内磁体分别安装在纵线腔和纵磁腔内；压板将横换能器封装基座的横腔组内，横换能器的横线圈和横内磁体分别安装在横线腔和横磁腔内；耦合体装在摆球上，缓冲簧装在护罩上，基座装在球形浮子内部或船体之上；工作时，耦合体在其自身惯性力或波浪推力的作用下往复摆动，纵磁组和横磁组分别给纵内磁体和横内磁体施加转矩并使其磁极翻转，纵线圈和横线圈切割磁力线发电，电能经整流后输送给电路板，经进一步转换处理后存储或供给定位跟踪与监测系统。

2.根据权利要求1所述的一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统，其特征在于：纵换能器由纵线圈和纵内磁体构成，纵内磁体位于纵线圈内部，纵内磁体为径向充磁的柱体或球体；纵内磁体为柱体时，纵内磁体的轴向与纵线圈的轴线垂直。

3.根据权利要求1所述的一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统，其特征在于：横换能器由横线圈和横内磁体构成，横内磁体置于横线圈的内部，横内磁体为径向充磁的球体。

4.根据权利要求1所述的一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统，其特征在于：纵磁组由纵中磁体与其上下两侧对称配置的纵侧磁体构成，纵中磁体和纵侧磁体为辐射充磁且磁极配置方向相反的环体。

5.根据权利要求1所述的一种波浪-船载发电机及其自供电监测系统，其特征在于：横磁组由横中磁体与横侧磁体构成，横中磁体和横侧磁体分别为轴向充磁的柱体和环体，横中磁体和横侧磁体同轴且其磁极配置方向相反。