CN117846909A - 一种自供电的车船状态监测与定位跟踪系统 - Google Patents

Abstract

一种自供电的车船状态监测与定位跟踪系统，属于新能源与监测跟踪领域。摆簧及其两侧的复合片组经拾振器架装置底座上，复合片组含至少两个复合片；摆簧为金属片，复合片由金属片与其一侧所粘接的摩擦片构成；摆簧端部装有摆体，摆体为扇形柱壳体；复合片自由端悬置或抵靠在摆体上，摆体的弧壁上沿圆周方向镶嵌至少一组含两个摆动磁体的摆动磁体组；设有内外腔的换能器架装在底座上，内腔位于外腔内并与外腔构成换能腔组，内外腔内分别裝有转动磁体和线圈；非工作时，摆簧及复合片不发生弯曲变形、转动磁体位于两摆动磁体中间；工作中，摆簧及复合片弯曲变形、摆动磁体迫使转动磁体滚动、线圈切割磁力线发电，金属片与摩擦片接触‑分离并发电。

Description

一种自供电的车船状态监测与定位跟踪系统

技术领域

本发明属于新能源与定位跟踪技术领域，具体涉及一种自供电的车船状态监测与定位跟踪系统，用于船舶及车辆运行引起的振动与流体能量并构造自供电的状态监测与定位跟踪系统，也可用于构成基于水流及风能回收的环境监测系统。

背景技术

车辆与船舶等运载工具的健康监测与定位跟踪系统在现实生活中已得到广泛应用，为各类运载工具的行驶安全、事故救援、以及失联后的搜救等提供了有力的保障。然而，现有的健康监测与定位跟踪系统均由发动机供电，发生事故使发动机及整个电力系统失效时定位跟踪系统无法正常工作。另，现有的健康监测与定位跟踪系统都是外置的，运载工具被不法分子劫持后定位系统也容易被关闭或破坏。因此，为确保定位系统安全可靠地工作，人们早已着手研究基于压电、摩擦及电磁原理的发电装置，以便与状态监测及定位系统集成且被隐秘安装。然而，现有的各类发电方法依然面临较多的技术瓶颈，较普遍的共性问题有：发电能力及单位体积能量密度较低；/>环境适应性差，尤其是对较低的流体流速、低的振动频率与振动强度等的适应能力低；/>可靠性低，如压电陶瓷易因环境振动强度与振幅过大而损毁，不适于载运工具携带；/>功能单一，仅能用于收集单一类型的环境能量，等等。

发明内容

本发明提出一种自供电的车船状态监测与定位跟踪系统，由底座、拾振器架、压板、摆体、换能器架、换能器罩、调频块、摆簧、复合片、电控板、电控板罩、线圈、转动磁体、摆动磁体构成；电控板上设有能量收集与能量管理单元、定位跟踪与信息发射单元，电控板经螺钉安装在电控板罩内，电控板罩、拾振器架及换能器架经螺钉安装在底座上，拾振器架座和换能器架座经螺钉安装在底座上。

摆体为密闭的空心壳体，摆体为扇形柱壳体，摆体的横截面为扇形，摆体的两个直壁的交汇处设有插槽，摆体的弧壁上沿圆周方向镶嵌至少一组由两个摆动磁体构成的摆动磁体组。

两个摆动磁体的磁极沿摆体的横截面的径向配置或圆周方向配置，两摆动磁体的磁极沿径向配置时其磁极配置方向相反，即：一个摆动磁体组中的两个摆动磁体的磁极配置方向相反、两个相邻摆动磁体组中的相邻摆动磁体的磁极配置方向相反；两摆动磁体的磁极沿摆体的横截面的圆周方向配置时其磁极配置方向相同，且其两个磁极位于圆柱面的切线上的切点两侧。

换能器架板的一侧设有经腔隔壁隔开的内腔和外腔，内腔位于外腔的内部并与外腔构成换能腔组；换能器架板上设有至少一个换能腔组，多个换能腔组可排成一列、一行或一个矩阵；换能器架板为平板、弧板或弯折板，换能器架板为弧板或弯折板时，换能腔组位于换能器架板的凸面或凹面上，即内腔和外腔位于换能器架板的凸面一侧或凹面一侧。

换能器罩经螺钉安装在换能器架板上并罩在换能腔组上，转动磁体和线圈分别置于内腔和外腔内；转动磁体为球体或圆柱体，转动磁体沿径向充磁，转动磁体的磁极沿径向配置，转动磁体可在内腔内自由滚动；转动磁体位于线圈内部，腔隔壁将转动磁体和线圈隔开，即线圈和转动磁体分别安装在腔隔壁的外部和内部；转动磁体为圆柱体时，线圈轴线与转动磁体轴线垂直，转动磁体轴线i与摆体长度方向平行。

摆簧为独立的金属片，复合片由金属片与其一侧所粘接的摩擦片构成；金属片的材料为铜、铜合金、镍合金及不锈钢等非铁磁性材料，摩擦片材料为非金属材料，摩擦片材料与金属片材料的摩擦电序列相隔较远。

摆簧的两侧均设有至少由两个复合片构成的复合片组，摆簧与各复合片的一端经压板和螺钉安装在拾振器架柱上，摆簧的自由端经螺钉安装有摆体，摆簧的自由端置于插槽内并经螺钉固定，复合片的自由端悬置或抵靠在摆体上，复合片的自由端不与摆体接触或抵靠在摆体的直壁上；摆体的两端经螺钉安装有调频块，调频块对称安装在摆体的上下两端；换能器架板为弧板或弯折板时，摆体与换能器架板的凹面或凸面相对；一个摆动磁体组中的两个摆动磁体对称地配置在与其所对应的转动磁体的两侧且摆动磁体与转动磁体共面，摆动磁体与转动磁体的几何中心位于摆体的某一个横截面上；摆动磁体为独用或共用，即与摆体横截面共面的两相邻转动磁体可共用某一摆动磁体或独用各自的摆动磁体组，独用是指非工作自然状态下某个摆动磁体与两相邻转动磁体的距离不等，共用是指非工作自然状态下某一摆动磁体与两个相邻的转动磁体的距离相等，即两个相邻转动磁体之间有两个摆动磁体时为专用、有一个摆动磁体时为共用。

本发明的状态监测与定位跟踪系统用于收集流体能量时，换能器架板的另一个功能是调节流体的流动状态及摆体的振动特性，流体的流动状态及摆体的振动特性与换能器架板结构尺寸及与摆体间的距离有关；扇形摆体的功能是获得发散的振动和降低起振风速。

摆动磁体组中的两个摆动磁体与其相对安装的转动磁体共面且摆动磁体与转动磁体间的径向距离可调，摆体与换能器架板间的距离可调，摆体与换能器架板间的距离为L<0.5D，换能器架板的宽度W<3D，D为摆体的横截面最大宽度。

非工作的自然状态下，摆簧及复合片不发生弯曲变形、转动磁体位于两个摆动磁体中间、即一个摆动磁体组中的两个摆动磁体与其所对应的转动磁体间的距离相等；摆簧与其相邻的复合片以及两个相邻的复合片的金属片与摩擦片贴合，摆簧与其相邻的复合片之间、以及两个相邻的复合片的相邻表面相互贴合，两个复合片中的金属片与摩擦片接触，即一个复合片的金属片与另一个复合片的摩擦片接触。

摆簧、复合片、摆体及摆动磁体构成拾振器，通过改变摆簧的厚度和宽度、调频块的质量调节系统固有频率，一个换能腔组内的线圈和转动磁体构成电磁换能器，摆簧与其相邻的复合片、或两个相邻的复合片均构成摩擦换能器，金属片与其相邻的复合片的摩擦片接触-分离时其表面生成异种电荷；摆簧与其相邻复合片的金属片构成电极对，两个相邻复合片的金属片构成电极对，每个金属片仅与另外一个金属片构成电极对；电磁换能器通过线圈切割磁力线发电，金属片与其相邻复合片上的摩擦片的接触-分离发电；各电磁换能器和摩擦换能器经独立的导线组及整流桥与电控板相连。

本发明中，摆体、换能器架及换能器罩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。

本发明的状态监测与定位跟踪系统可收集运载工具运行引起的振动能及流体能，收集流体动能时流体由拾振器架流向换能器架，收集振动能时摆簧的平面与振动方向垂直。

状态监测与定位跟踪系统置于运动的运载工具上，拾振器及摆体受流体或振动激励时产生往复摆动，摆体带动摆动磁体交替地靠近-离开转动磁体并给其施加转矩，进而迫使转动磁体滚动，转动磁体的磁极换向，拾振器一次往复运动迫使转动磁体转动一周以上，转动磁体的磁极方向变化使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，电磁换能器发电；同时，摆簧及复合片往复弯曲变形，摆簧及摆体迫使复合片弯曲变形，金属片与其相邻复合片上的摩擦片交替地接触与分离，摩擦换能器发电；电磁换能器与摩擦换能器所生成的电能经导线输送到电控板，电能经转换处理后存储或输出给定位跟踪与信息发射单元，信息发射单元将信息发射出去。

本发明的状态监测与定位跟踪系统的启动激励强度低、有效频带宽、振幅变化幅度小。工作前，两个摆动磁体与其所对应的转动磁体间的距离及作用力相等，且转动磁体与两个摆动磁体间的磁耦合力大小相等、方向相反，磁耦合力对摆体的运动影响小、易实现低风速启动；工作中，摆筒摆动使某一摆动磁体与转动磁体逐渐靠近且其间吸引力逐渐增加、二者正对时吸引力达到最大，易于实现等幅激励、即双稳态激励，故可有效拓宽系统有效带宽、将摆幅控制在合理范围内，进而提高环境适应性和可靠性。

本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈x与转动磁体y的参数关系为：λ=L0/D0=2±1，δ=T/D0=0.6±0.4，η=V/D0=2.25±0.75,β=H/D0=1.3±0.7, 其中，D0为球形和圆柱形转动磁体y的直径，L0为圆柱形转动磁体y的长度，T、V和H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沿转动磁体y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。

本发明将两种不同原理换能器有机结合，单位体积能量密度大、发供电能力强；系统动力学响应特性易通过相关参数调节；电磁换能器的结构及原理与现有电磁发电机完全不同：摆动磁体迫使转动磁体滚动，从而改变转动磁体的磁极方向与穿过线圈磁场强度，线圈切割磁力线发电，转动磁体在线圈内部滚动过程中，转动磁体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：用途广泛，可同时用于收集船体颠簸与摇摆的振动能、航行引起的气流与水流能；两种发电方法有机结合，体积能量密度大；拾振器振幅易通过换能器架与摆体间距离及磁耦合力调节；电磁换能器中，通过线圈内的转动磁体磁极变化改变通过线圈的磁通量及场强，发供电能力强；振动系统属于双稳态系统，且实现双稳态效果的磁耦合力具有方向适应性，有助于拓宽频带、获得较宽频带范围的稳定振幅；流体顺流激励，机械可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中状态监测与定位跟踪系统的结构示意图；

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摆体的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明一个较佳实施例中换能器架的结构示意图；

图6是图5的俯视图；

图7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。

具体实施方式

本发明的一种自供电的车船状态监测与定位跟踪系统由底座a、拾振器架b、压板c、摆体d、换能器架e、换能器罩f、调频块m、摆簧k、复合片n、电控板p、电控板罩q、线圈x、转动磁体y、摆动磁体w构成；电控板p上设有能量收集与能量管理单元、定位跟踪与信息发射单元，电控板p经螺钉安装在电控板罩q内，电控板罩q、拾振器架b及换能器架e经螺钉安装在底座a上，拾振器架座b1和换能器架座e1经螺钉安装在底座a上。

摆体d为密闭的空心壳体，摆体d为扇形柱壳体，摆体d的横截面为扇形，摆体d的两个直壁d2的交汇处设有插槽d3，摆体d的弧壁d1上沿圆周方向镶嵌至少一组由两个摆动磁体w构成的摆动磁体组。

摆动磁体w的磁极沿摆体d的横截面的径向配置或圆周方向配置，摆动磁体w的磁极沿径向配置时其磁极配置方向相反，即：一个摆动磁体组中的两个摆动磁体w的磁极配置方向相反、两个相邻摆动磁体组中的相邻摆动磁体w的磁极配置方向相反；摆动磁体w的磁极沿摆体d的横截面的圆周方向配置时其磁极配置方向相同，且其两个磁极位于圆柱面的切线上的切点两侧。

换能器架e的换能器架板e2的一侧设有经腔隔壁e5隔开的内腔e3和外腔e4，内腔e3位于外腔e4的内部并与外腔e4构成换能腔组；换能器架板e2上设有至少一个换能腔组，多个换能腔组可排成一列、一行或一个矩阵；换能器架板e2为平板、弧板或弯折板，换能器架板e2为弧板或弯折板时，换能腔组位于换能器架板e2的凸面或凹面上，即内腔e3和外腔e4位于换能器架板e2的凸面一侧或凹面一侧。

换能器罩f经螺钉安装在换能器架板e2上并罩在换能腔组上，转动磁体y和线圈x分别置于内腔e3和外腔e4内；转动磁体y为球体或圆柱体，转动磁体y径向充磁，转动磁体y的磁极沿径向配置，转动磁体y可在内腔e3内自由滚动；转动磁体y位于线圈x内部，腔隔壁e5将转动磁体y和线圈x隔开，即线圈x和转动磁体y分别安装在腔隔壁e5的外部和内部；转动磁体y为圆柱体时，线圈轴线h与转动磁体轴线i垂直，转动磁体轴线i与摆体长度方向平行。

摆簧k为独立的金属片n1，复合片n由金属片n1与其一侧所粘接的摩擦片n2构成；金属片n1的材料为铜、铜合金、镍合金及不锈钢等非铁磁性材料，摩擦片n2材料为非金属材料，摩擦片n2材料与金属片n1材料的摩擦电序列相隔较远。

摆簧k的两侧均设有至少由两个复合片n构成的复合片组N，摆簧k与各复合片n的一端经压板c和螺钉安装在拾振器架柱b2上，摆簧k的自由端经螺钉安装有摆体d，摆簧k的自由端置于插槽d3内并经螺钉固定，复合片n的自由端悬置或抵靠在摆体d上，复合片n的自由端不与摆体d接触或抵靠在摆体d的直壁d2上；摆体d的两端经螺钉安装有调频块m，调频块m对称安装在摆体d的上下两端；换能器架板e2为弧板或弯折板时，摆体d与换能器架板e2的凹面或凸面相对；一个摆动磁体组中的两个摆动磁体w对称地配置在与其所对应的转动磁体y的两侧且摆动磁体w与转动磁体y共面，摆动磁体w与转动磁体y的几何中心位于摆体d的某一个横截面上；摆动磁体w为独用或共用，即与摆体d横截面共面的两相邻转动磁体y可共用某一摆动磁体w或独用各自的摆动磁体组，独用是指非工作自然状态下某个摆动磁体w与两相邻转动磁体y的距离不等，共用是指非工作自然状态下某一摆动磁体w与两个相邻的转动磁体y的距离相等，即两个相邻转动磁体之间有两个摆动磁体w时为专用、有一个摆动磁体w时为共用。

本发明中，换能器架板e2的功能是调节流体的流动状态及摆体d的振动特性，流体的流动状态及摆体d的振动特性与换能器架板e2结构尺寸及与摆体d间的距离有关；扇形摆体的功能是获得发散的振动和降低起振风速。

摆动磁体组中的两个摆动磁体w与其相对安装的转动磁体y共面且摆动磁体w与转动磁体y间的径向距离可调，摆体d与换能器架板e2间的距离可调，摆体d与换能器架板e2间的距离为L<0.5D，换能器架板e2的宽度W<3D，D为摆体d的横截面最大宽度。

非工作的自然状态下，摆簧k及复合片n不发生弯曲变形、一个摆动磁体组中的两个摆动磁体w与其所对应的转动磁体y间的距离相等，摆簧k与其相邻的复合片n之间、以及两个相邻的复合片n的相邻表面相互贴合，两个复合片n中的金属片n1与摩擦片n2接触，即一个复合片n的金属片n1与另一个复合片n的摩擦片n2接触。

摆簧k、复合片n、摆体d及摆动磁体w构成拾振器，通过改变摆簧k的厚度和宽度、调频块m的质量调节系统固有频率，一个换能腔组内的线圈x和转动磁体y构成电磁换能器，摆簧k与其相邻的复合片n、或两个相邻的复合片n均构成摩擦换能器，金属片n1与其相邻的复合片n的摩擦片n2接触-分离时其表面生成异种电荷；摆簧k与其相邻复合片n的金属片n1构成电极对，两个相邻复合片n的金属片n1构成电极对，每个金属片n1仅与另外一个金属片n1构成电极对；电磁换能器通过线圈x切割磁力线发电，金属片n1与其相邻复合片n上的摩擦片n2的接触-分离发电；各电磁换能器和摩擦换能器经独立的导线组及整流桥与电控板p相连。

本发明中，摆体d、换能器架e及换能器罩f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。

本发明的状态监测与定位跟踪系统可收集运载工具运行引起的振动能及流体能，收集流体动能时流体由拾振器架b流向换能器架e，收集振动能时摆簧k的平面与振动方向垂直。

状态监测与定位跟踪系统置于运动的运载工具上，拾振器受流体或振动激励时产生往复摆动，摆动磁体w交替地靠近-离开转动磁体y并给其施加转矩，进而迫使转动磁体y滚动，转动磁体y的磁极换向，拾振器一次往复运动迫使转动磁体y转动一周以上，转动磁体y的磁极方向变化使穿过线圈x的磁通量密度与磁场强度发生变化，线圈x切割磁力线，电磁换能器发电；同时，摆簧k及摆体d迫使复合片n弯曲变形，金属片n1与其相邻复合片n上的摩擦片n2交替地接触与分离，摩擦换能器发电；电磁换能器与摩擦换能器所生成的电能经导线输送到电控板p，电能经转换处理后存储或输出给状态监测与定位跟踪单元及信息发射单元，信息发射单元将信息发射出去。

本发明的状态监测与定位跟踪系统的启动激励强度低、有效频带宽、振幅变化幅度小。工作前，两个摆动磁体w与其所对应的转动磁体y间的距离及作用力相等，且转动磁体y与两个摆动磁体w间的磁耦合力大小相等、方向相反，磁耦合力对摆体d的运动影响小、易实现低风速启动；工作中，摆筒d摆动使某一摆动磁体w与转动磁体y逐渐靠近且其间吸引力逐渐增加、二者正对时吸引力达到最大，易于实现等幅激励、即双稳态激励，故可有效拓宽系统有效带宽、将摆幅控制在合理范围内，进而提高环境适应性和可靠性。

本发明中，为获得较佳的发供电能力，线圈x与转动磁体y的参数关系为：λ=L0/D0=2±1，δ=T/D0=0.6±0.4，η=V/D0=2.25±0.75,β=H/D0=1.3±0.7, 其中，D0为球形和圆柱形转动磁体y的直径，L0为圆柱形转动磁体y的长度，T、V和H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沿转动磁体y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。

本发明将两种不同原理换能器有机结合，单位体积能量密度大、发供电能力强；系统动力学响应特性易通过相关参数调节；电磁换能器的结构及原理与现有电磁发电机完全不同：摆动磁体w迫使转动磁体y滚动，从而改变转动磁体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，转动磁体y在线圈x内部滚动过程中，转动磁体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 (2)

1.一种自供电的车船状态监测与定位跟踪系统，由底座、拾振器架、压板、摆体、换能器架、换能器罩、调频块、摆簧、复合片、电控板、电控板罩、线圈、转动磁体、摆动磁体构成，摆体、换能器架及换能器罩均由非铁磁性材料制成；拾振器架及换能器架装在底座上，摆簧及其两侧的复合片组的一端装在拾振器架柱上，复合片组含至少两个复合片；摆簧为独立的金属片，复合片由金属片与其一侧所粘接的摩擦片构成；摆簧端部装有摆体，摆体为扇形柱壳体；复合片自由端悬置或抵靠在摆体上，摆体两端装有调频块，摆体的弧壁上沿圆周方向镶嵌至少一组含两个摆动磁体的摆动磁体组；换能器架板上设有内腔和外腔，内腔位于外腔内并与外腔构成换能腔组；其特征在于：换能器罩罩在换能腔组上，内腔和外腔内分别裝有转动磁体和线圈，转动磁体为磁极径向配置的球体或圆柱体；转动磁体为圆柱体时，线圈轴线与转动磁体轴线垂直，转动磁体轴线与摆体长度方向平行；转动磁体与其所对应的一个摆动磁体组中的两个摆动磁体共面，摆动磁体对称地配置在转动磁体两侧；非工作时，摆簧及复合片不发生弯曲变形、转动磁体位于两个摆动磁体中间，摆簧与其相邻的复合片以及两个相邻的复合片的金属片与摩擦片贴合；工作中，摆簧及复合片往复弯曲变形、摆动磁体交替地靠近-离开转动磁体并给其施加转矩，转动磁体滚动、线圈切割磁力线发电，金属片与其相邻复合片上的摩擦片交替地接触-分离并发电，电能供给监测与定位跟踪系统。

2.根据权利要求1所述的一种自供电的车船状态监测与定位跟踪系统，其特征在于：可收集运载工具运行引起的振动能及流体能，收集流体动能时流体由拾振器架流向换能器架，收集振动能时摆簧平面与振动方向垂直。