一种电磁式风致驰振能量采集装置

1.本发明属于电学技术领域，具体涉及一种电磁式风致驰振能量采集装置。


背景技术：

2.随着现代信息技术的快速发展，对信息的需求以及时效性提出了越来越高的要求，为满足信息的采集需求，无线传感网络的分布和应用变得越来越广泛。随之而来的问题就是如何对这些无线传感网络进行有效稳定的长期供电。传统的化学电池由于其储存容量的限制，使用时间有限，必须进行定期更换，无法满足现在的“设置并忘记”的需求。针对这一问题，目前常用的解决方案就是通过不同的能量转换方式将环境中的能量进行采集利用，其中风能作为自然界中分布最广泛的一种能量，对其采集利用的研究得到了国内外学者的广泛关注。
3.为了收集利用风能，国内外学者提出了许多设计方案及研究方法，其中风致驰振作为风致振动的一个最重要的振动型式，国内外都有大量的研究。如发明专利cn104113232b一种风致振动式压电发电机，采用的方案是在振动梁上固定压电片的压电式结构，阻流体在风力作用下发生振动，同时在磁铁的作用下，内外梁都发生振动，使得固定在振动梁上的压电片发生形变输出电能。该方案中的压电材料内阻抗非常大，一般为兆欧级的，虽然其输出电压较大，但是输出功率较小。
4.另外如z.h.lai等在“harvest wind energy from a vibro-impact deg embedded into a bluff body”的论文中，设计的方案是将一刚性质量球放置于阻流钝体中，该刚性质量体随钝体的运动而左右滚动并撞击两端的介电弹性体，使得介电弹性体变形输出电能。从其实验数据来看，该结构整体尺寸较大，单其悬臂梁的长度已经达到200mm，整体尺寸更大。
5.因此，在现有的驰振能量采集的技术研究中，压电式风致振动俘能结构存在内阻抗大(兆欧级)，能量转换效率低，输出功率小的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种电磁式风致驰振能量采集装置，能够解决压电式风致振动俘能结构的内阻抗大(兆欧级)，能量转换效率低，输出功率小的问题。
7.本发明是通过下述技术方案实现的：
8.一种电磁式风致驰振能量采集装置，包括：主框架、弹性振动梁、线圈、永磁体、阻流振子及限幅组件；
9.所述弹性振动梁的一端固定在主框架上，另一端固定有阻流振子；其中，所述弹性振动梁所在平面沿竖直方向布置，所述阻流振子的长度方向沿竖直方向设置；
10.所述线圈固定在所述主框架上，所述永磁体固定在所述阻流振子的端部，所述线圈和永磁体相对，但不接触；
11.两个限幅组件分别安装在所述主框架上，并分别位于阻流振子的两侧，用于在阻
流振子发生左右往复的周期运动时，对阻流振子的振幅进行限位。
12.进一步的，所述限幅组件包括：限位调节挡块、可调弹簧底座及弹簧；
13.所述主框架上加工有u型通槽；
14.所述限位调节挡块安装在所述主框架的u型通槽内；所述限位调节挡块上沿水平方向设置有两端开口的轨道槽；
15.所述可调弹簧底座安装在所述限位调节挡块的轨道槽中，且可调弹簧底座与对应的所述轨道槽滑动配合；
16.所述弹簧固定在可调弹簧底座上，并与阻流振子相对；
17.其中，通过调节可调弹簧底座在轨道槽中的位置，使得弹簧与阻流振子的碰撞位置位于阻流振子的中间；通过调节限位调节挡块的旋转角度，使得弹簧与阻流振子的碰撞角度为垂直；通过调节限位调节挡块在u型通槽中的位置，使得弹簧与阻流振子之间的初始距离为设定值。
18.进一步的，所述主框架由u形架和两个弧形板一体成型而成；所述u形架所在平面沿竖直方向布置，且u形架的开口为水平方向；两个弧形板分别一体成型在u形架的两个侧板的端部，且两个弧形板所在平面沿水平方向布置，两个弧形板均向所述u形架所在方向弯曲；所述u型通槽分别设置在每个弧形板的两端；
19.所述限位调节挡块为十字形板，所述轨道槽设置在十字形板的中部，所述轨道槽的槽底加工有与其长度方向一致的条状安装孔；十字形板上竖直方向的两端均设有螺杆a；两个所述限位调节挡块分别左右对称安装在所述主框架的两侧，并距阻流振子的距离相等，两个限位调节挡块的轨道槽所在面相对；每个限位调节挡块的竖直方向两端的螺杆a分别穿过位于主框架同一侧的两个弧形板上的u型通槽后，通过螺母紧固，实现限位调节挡块与主框架的连接；
20.两个所述可调弹簧底座分别安装在两个所述限位调节挡块的轨道槽中，且每个可调弹簧底座均与对应的所述轨道槽滑动配合；其中，每个所述可调弹簧底座的正面均固定有一个弹簧，两个弹簧沿主框架左右对称布置；每个所述可调弹簧底座的背面均设有一个螺杆b，该螺杆b穿过限位调节挡块的条状安装孔后，通过螺母紧固，实现可调弹簧底座与限位调节挡块的连接。
21.进一步的，所述弹性振动梁的一端固定在主框架的u形架底板的中部，另一端固定有阻流振子，且所述阻流振子位于主框架的两个弧形板之间；在弹性振动梁未发生振动的情况下，阻流振子的沿长度方向的中心线位于所述主框架上左右对称的对称中心面上。
22.进一步的，所述线圈的数量为两个，所述永磁体的数量为两个；
23.两个所述线圈沿主框架上下对称布置，两个线圈同轴；
24.两个所述永磁体沿主框架上下对称布置，分别内嵌固定在所述阻流振子的上下两端，并分别与两个线圈一一相对，但不与线圈接触；在弹性振动梁未发生振动的情况下，两个永磁体分别与两个线圈同轴。
25.进一步的，所述线圈的数量为两个，所述永磁体的数量为两个；
26.两个所述线圈沿主框架上下非对称布置；
27.两个所述永磁体沿主框架上下对称布置，分别内嵌固定在所述阻流振子的上下两端，并分别与两个线圈一一相对，但不与线圈接触。
28.进一步的，所述线圈的数量为一个，所述永磁体的数量为两个；
29.一个所述线圈安装在主框架上；
30.两个所述永磁体沿主框架上下对称布置，分别内嵌固定在所述阻流振子的上下两端，其中一个永磁体与所述线圈相对，但不与线圈接触。
31.进一步的，所述阻流振子是横截面为正方形、长方形或三角形的柱体结构。
32.进一步的，所述永磁体是横截面为正方形、圆形或三角形的柱体结构。
33.进一步的，所述主框架、限位调节挡块、可调弹簧底座均采用树脂材料，弹性振动梁采用铍青铜材质，弹簧采用304不锈钢材质，线圈采用漆包铜线，永磁体采用钕铁硼强力磁铁，阻流振子采用eva泡沫。
34.有益效果：
35.(1)本发明是结合风致驰振效应和法拉第电磁感应原理而提出来的一种电磁式风致驰振能量采集装置的结构，与传统的压电式结构不同，本发明将阻流振子在风力下的驰振运动通过电磁感应转化为电能输出，实现能量采集，该装置的内阻抗很小，一般只有十欧姆左右，使得输出功率得到大幅提升。
36.(2)本发明针对阻流振子驰振的大振幅特性和永磁体磁场的集中分布特性，设计由左右弹簧、限位调节挡块和可调弹簧底座组成的振动限幅式结构，不但能减小阻流振子的振幅，进而大幅减小阻流振子无功输出的振动时间，解决了阻流振子振动过程中功率输出占空比较小的问题；同时还能将振幅较大时无电势输出的动能，通过弹簧再转换为阻流振子的反向运动动能，提高阻流振子振动频率，同时提高输出占空比和能量转换效率，使得风致振动的转换效率和输出功率得到进一步提高。
37.(3)本发明中的限位调节挡块、可调弹簧底座和主框架的u型通槽，使该装置能够适用于不同风速和振幅的环境；使用时通过对弹簧与阻流振子相对位置和角度的调节，使得弹簧和阻流振子在不同风速下基本都能实现正面碰撞；另外，本发明主框架的三面u型槽结构的多安装孔位设计，也有效增加了其对使用环境的适应性。
38.(4)本发明的阻流振子的结构尺寸仅为15*15*35mm，弹性振动梁的结构尺寸仅为15*50*0.2mm，在相同的输出功率下，本发明的装置结构尺寸大幅减小，实现了结构的小型化，同时，永磁体内嵌在阻流振子的两端，使得本发明的结构尺寸进一步减小。
附图说明
39.图1为本发明的结构组成图；
40.图2为本发明的主视图；
41.其中，1-主框架，2-u型槽结构，3-弹性振动梁，4-限位调节挡块，5-可调弹簧底座，6-弹簧，7-线圈，8-永磁体，9-阻流振子，10-轨道槽，11-u型通槽，12-螺母。
具体实施方式
42.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
43.实施例1：
44.本实施例提供了一种电磁式风致驰振能量采集装置，其整体是对称的框架结构，左右和上下分别对称；参见附图1-2，所述装置包括：主框架1、弹性振动梁3、限位调节挡块
4、可调弹簧底座5、弹簧6、线圈7、永磁体8、阻流振子9及螺母12；
45.所述主框架1为对称的框架结构，由u形架和两个弧形板一体成型而成；所述u形架所在平面沿竖直方向布置，且u形架的开口为水平方向；两个弧形板分别一体成型在u形架的两个侧板的端部，且两个弧形板所在平面沿水平方向布置，两个弧形板均向所述u形架所在方向弯曲；每个弧形板的两端均加工有u型通槽11；
46.所述弹性振动梁3的一端通过螺栓固定在主框架1的u形架底板的中部，另一端通过粘接固定有阻流振子9，且所述阻流振子9位于主框架1的两个弧形板之间；其中，所述弹性振动梁3所在平面沿竖直方向布置，所述阻流振子9是横截面为正方形的长方体结构，其长度方向沿竖直方向设置；在自然状态下(即弹性振动梁3未发生振动的情况下)，阻流振子9的沿长度方向的中心线位于所述主框架1上左右对称的对称中心面上；
47.两个所述线圈7沿主框架1上下对称布置，分别安装在两个弧形板的相对面上，两个线圈7同轴，且两个线圈7的轴线均位于主框架1上左右对称的对称中心面上；
48.所述永磁体8为圆柱状结构，两个所述永磁体8沿主框架1上下对称布置，分别内嵌固定在所述阻流振子9的上下两端，并分别与两个线圈7一一相对，但不与线圈7接触；在自然状态下(即弹性振动梁3未发生振动的情况下)，两个永磁体8分别与两个线圈7同轴；
49.所述限位调节挡块4为十字形板，十字形板加工有沿水平方向设置的两端开口的轨道槽10，所述轨道槽10的槽底加工有与其长度方向一致的条状安装孔；十字形板上竖直方向的两端均设有螺杆a；两个所述限位调节挡块4分别左右对称安装在所述主框架1的两侧，并距阻流振子9的距离相等，两个限位调节挡块4的轨道槽10所在面相对；每个限位调节挡块4与主框架1的具体连接关系为：限位调节挡块4的竖直方向两端的螺杆a分别穿过位于主框架1同一侧的两个弧形板上的u型通槽11后，通过螺母12紧固，实现限位调节挡块4与主框架1的连接；
50.两个所述可调弹簧底座5分别安装在两个所述限位调节挡块4的轨道槽10中，且每个可调弹簧底座5均与对应的所述轨道槽10滑动配合；其中，每个所述可调弹簧底座5的正面均通过粘胶固定有一个弹簧6，两个弹簧6沿主框架1左右对称布置；每个所述可调弹簧底座5的背面均设有一个螺杆b，该螺杆b穿过限位调节挡块4的条状安装孔后，通过螺母12紧固，实现可调弹簧底座5与限位调节挡块4的连接；
51.其中，通过调节可调弹簧底座5在轨道槽10中的位置，可调节弹簧6与所述阻流振子9之间的相对位置，使得弹簧6与阻流振子9的碰撞位置位于阻流振子9的中间；
52.通过调节限位调节挡块4的旋转角度，可任意调节弹簧6相对阻流振子9的角度，保证弹簧6与阻流振子9的碰撞角度为垂直(即正面碰撞)；
53.通过调节限位调节挡块4在u型通槽中的位置，可调节弹簧6与阻流振子9之间的初始距离；
54.其中，所述主框架1、限位调节挡块4、可调弹簧底座5均采用树脂材料或其它非磁性材料，弹性振动梁3采用铍青铜材质、弹性钢或其它弹性材料，弹簧6采用304不锈钢材质，线圈7采用漆包铜线，永磁体8采用钕铁硼强力磁铁(ndfeb)或其它永磁材料，阻流振子9采用eva泡沫或其它非磁性轻质材料；且阻流振子9的结构尺寸为15*15*35mm，弹性振动梁3的结构尺寸为15*50*0.2mm。
55.工作原理：主框架1通过螺栓固定在需要的安装位置(主框架1的上、下和后方均有
用于安装固定的u型槽结构2)；
56.当阻流振子9受到图1所示入风方向的风力作用，会发生驰振，同时又由于弹性振动梁3的作用，阻流振子9形成左右往复的周期运动；此时阻流振子9上下两端的永磁体8也跟随阻流振子9进行左右往复的周期运动，永磁体8在运动过程中，在线圈7的周围形成周期变化的磁场，在周期变化磁场的作用下，线圈7产生周期变化的感应电势；
57.另外，在阻流振子9发生驰振时，由于驰振的不稳定特性，使得阻流振子9振动的幅度很大，但是永磁体8的磁场集中分布在永磁体8自身附近，因此当阻流振子9运动到离线圈7的距离较远时，穿过线圈7的磁场非常微弱，线圈7磁通变化率基本为零，没有电势输出，因此一个周期内有相当长一段时间输出电势为零，电压输出占空比小；如果能够减少输出为零的时间，提高占空比，则会有效提高输出电压和功率；因此，本实施例的限位调节挡块4、可调弹簧底座5及弹簧6组成的振动限幅式结构能够解决该问题，当阻流振子9的振幅较大时，阻流振子9就会撞上左右两侧调节好的弹簧6，并在弹簧6的作用下加速反向运动，既实现了对阻流振子9振幅的限制，缩短了无感应电势输出的运动时间，提高了占空比，又提高了阻流振子9的往复运动频率，同时限幅弹簧的弹力作用能够对阻流振子的返回运动产生加速效应，使得阻流振子运动的最大速度基本不发生变化，进而提高输出电压和功率。
58.实施例2：
59.本实施例在实施例1的基础上，将实施例1中的上下对称的两个线圈7的结构替换为上下不对称的两个线圈的结构或者单个线圈的结构；此时，两个上下对称布置的磁铁7与线圈7不一定同轴，两个线圈的非对称布置或采用单个线圈只是输出功率不同。
60.实施例3：
61.本实施例在实施例1的基础上，阻流振子9的截面形状还可以采用长方形或三角形等非流线型左右对称形状；永磁体4的截面形状还可以采用方形、三角形或其它形状。
62.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。