一种滚动式振动能量收集器

1.本发明涉及振动能量收集技术领域，尤其涉及一种适用于海洋环境将海浪引起的振动转化为电能的滚动式振动能量收集器。


背景技术：

2.随着海洋经济及微机技术的发展，人们越来越关注于使用机器人进行海洋环境的探索。然而海洋机器人系统的作业时间及范围受电池容量的限制，因此设计一款能够将海洋环境能量转换为可用电能的能量采集器应用前景广阔。目前，已有研究者设计用于从环境中获取振动能量并转化为电能的能量收集器，主要分为两类：滑动式和摆式。其中，滑动式振动能量收集装置是通过磁铁滑块在线圈组成的腔道内往复滑动，或者线圈滑块在磁铁组成的腔道内往复滑动，从而通过法拉第电磁感应定律在线圈上产生感应电动势，输出电能；但是滑动式存在共振频率高、摩擦系数大和能量转换效率低等缺点。而摆式振动能量收集器是通过单摆的运动，带动电机主轴旋转，从而产生电能；然而，摆式能量收集器其共振频率和摆长成反比关系，需要较大的摆长才能实现装置在低频振动环境中实现共振，将导致收集器空间体积较大。目前，现有的滚动振子直线振动能量收集装置(cn 104883026 b)，提供一种漏磁较少、能量转换率较高、摩擦系数小、稳定性良好的滚动振子直线振动能量收集装置；其通过球型滚动磁铁在线圈腔道内做往复运动，从而在线圈中产生感应电动势；但是通过查阅相关论文“analytical model of a vibrating electromagnetic harvester considering nonlinear effects”(ieeetransactions on power electronics, 2010, 25(8):1989-1997)以及论文“a magnetic-spring-based, low-frequency-vibration energy harvester comprising a dual halbach array”(smart materials and structures, 2016, 25(9):095017)可知，此种直线型结构的振动能量收集器共振频率约为10hz，共振频率较高，不适用于海洋低频的振动环境。公开的摆式摩擦纳米发电机及能量采集器(cn 111865133 a)，该装置通过摆动结构在外部激励下自由摆动，通过与分布式摩擦层发生摩擦带电，对应在电极层上产生电学输出；但是该装置的大部分体积被摆杆占据，空间利用率较低。
3.因此，针对海洋机器人系统电能持续性需求高、体积小、海浪运动频率较低的特点，需要一款体积较小、共振频率较低、能量转换效率较高的振动能量收集装置。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，设计了一种滚动式振动能量收集器。一方面，相对于滑动式能量收集器，利用滚动代替滑动，摩擦系数小能量转换效率高；另一方面，相对于摆式振动能量收集器，使用滚动转子，无需摆杆，大大缩减了装置的体积；此外，通过设计不同的壳体轨道尺寸，可设计出共振频率在0.5-1.5hz的能量收集器，以改善并丰富现有的小尺寸、低频振动发电装置。
5.本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明公开了一种滚动式振动能量收集器，包括壳体、瓦片磁体、滚动转子、滚珠、线圈组和线圈支架。
6.所述滚动转子的外圆周面均布有扇形凹槽，用于嵌入瓦片磁体；所述瓦片磁体采用径向充磁方式，以交替的极性布设于滚动转子外圆周面。
7.所述滚动转子的两端面上各设有一个半圆形凹槽，用于嵌入滚珠。
8.所述壳体前后两侧面的内壁上，开有圆弧凹槽，作为滚珠的运动轨道。
9.所述壳体内部设有一圆弧轨道，作为滚动转子的运动轨道。
10.所述线圈支架设置于壳体底部，线圈支架的上端面等距设置有线圈安装槽，用于安装线圈组。
11.所述线圈支架安装线圈组后形成的上圆弧面和所述圆弧轨道的下圆弧面紧密贴合。
12.本发明的有益效果是：本发明使用滚动代替滑动，摩擦系数小；同时基于摆式能量收集装置原理，使用滚动转子代替摆锤，无需摆杆，大大缩减了装置的空间体积。此外，通过设计不同的壳体轨道尺寸，可得到共振频率在0.5-1.5hz的能量收集器，能够改善并丰富现有的小尺寸、低频振动发电装置。此外，该装置整体结构稳定，易于安装，泛用性好，可以安装在任何振动装置中进行发电。
附图说明
13.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
14.图1是本发明的滚动式振动能量收集器主视图。
15.图2是本发明的滚动式振动能量收集器爆炸视图。
16.图3为本发明的滚动式振动能量收集器装配示意图。
17.图4为本发明的滚动式振动能量收集器的壳体剖视图。
18.图中：1、上层盖板，2、壳体，3、瓦片磁体，4、滚动转子，5、滚珠，6、线圈组，7、线圈支架。
具体实施方式
19.本发明提供了一种摩擦系数小、空间体积小、共振频率较低的滚动式振动能量收集器。
20.本发明的滚动式振动能量收集器主要由上层盖板、壳体、瓦片磁体、滚动转子、滚珠、线圈组和线圈支架组成。所述滚动转子的外圆周面嵌有瓦片磁体，两端面各嵌有滚珠；所述壳体内设计有圆弧轨道面，作为滚动转子的运动轨道；壳体两侧内壁面开有圆弧凹槽，作为滚珠的运动轨道；所述瓦片磁体采用径向充磁方式，以交替的极性分布于滚动转子外圆周面；所述线圈支架上方设计有线圈安装槽，用于安装线圈组；所述线圈支架安装线圈组后形成的上圆弧面和壳体内部圆弧轨道的下圆弧面紧密贴合。此外，通过设计不同的壳体轨道尺寸，可设计出共振频率在0.5-1.5hz的能量收集器，适用于海浪引起的低频振动能量收集。
实施例
21.如图1~图4所示，实施例中的滚动式振动能量收集器，包括上层盖板1、壳体2、瓦片磁体3、滚动转子4、滚珠5、线圈组6和线圈支架7。
22.在所述壳体2的内部，设计有圆弧轨道，作为滚动转子4的运动轨道。所述圆弧轨道和壳体是一体的，为树脂材质，可采用3d打印制作。所述圆弧轨道的半径决定了装置的共振频率，轨道半径越大装置的共振频率就越低（当圆弧轨道的半径为0.2m时，装置的共振频率约为1hz）。
23.所述滚动转子4使用纯铁材质，其外圆周面均布有八个扇形凹槽，用于嵌入瓦片磁体3；所述滚动转子4和瓦片磁体3之间使用环氧树脂ab胶粘接固定；滚动转子4的两端面各设计有一个半圆形凹槽，用于嵌入滚珠5，滚珠5和半圆凹槽间涂有润滑油。所述滚珠5为采用不锈钢材质的圆球。
24.所述壳体2的前后两侧面上，内壁开有圆弧半圆形凹槽，作为滚珠5的运动轨道。
25.所述瓦片磁体3采用铷铁硼材质的瓦片磁铁，其采用径向充磁方式(即内、外圆弧面分别为两个磁极)，并按照交替的极性嵌入滚动转子4外圆周面的扇形凹槽内固定。例如滚动转子4上的一块瓦片磁铁安装为内圆弧面为s极、外圆弧面为n极，则其相邻的两块瓦片磁体为内圆弧面为n极、外圆弧面为s极。
26.所述线圈组6由九个线圈串联而成，每个线圈由漆包铜线绕制而成。
27.如图2所示，所述线圈支架7的上端面，等距设置有九个线圈安装槽，用于安装线圈组6。所述线圈支架安装线圈组后形成的上圆弧面和壳体2内部圆弧轨道的下圆弧面紧密贴合。
28.所述上层盖板1和线圈支架7分别通过螺栓与壳体2连接。
29.本发明的工作原理如下：将滚动式振动能量收集器安装在海洋机器人的舱体内，通过壳体2左右两侧的安装孔固定。
30.在运动过程中，搭载有该能量收集器的机器人在外部海浪激励下发生振动，从而带动壳体2以及与之固定的线圈组6和线圈支架7做往复运动。滚动转子4由于惯性的作用，会沿着壳体2内的圆弧轨道滚动。以交替的极性均布在滚动转子4外圆周面的瓦片磁体3，在滚动过程中产生交变的磁场，依次从线圈组6上方经过。根据法拉第电磁感应定律，线圈组6内部的磁通量因此发生改变，内部产生感应电动势。
31.在运动的过程中，由于滚动转子4的运动是复杂的，线圈组6最终产生电流的大小和方向也是无规律的。使用时，在线圈组6两端接整流稳压模块，然后整流稳压模块再接负载，用于将不规则交流电转换为直流电收集起来。
32.最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。