一种基于机械整流的混合振动能量收集器

摘要

本申请提供了一种基于机械整流的混合振动能量收集器，包括机箱，所述机箱上设有机械整流装置、电磁感应模块和压电摩擦发电模块，所述机械整流装置与所述电磁感应模块传动连接并向所述电磁感应模块传输单向扭矩，所述机械整流装置与所述压电摩擦发电模块传动连接并向压电摩擦发电模块传输双向扭矩。本申请利用机械整流装置收集振动源的振动能，并利用机械整流装置将输入的线性振动分别转化为单向和双向转动使两个发电模块的输出均能得到最大化，以此提高能量利用率和输出的稳定性，是传感器供电的一种优秀解决方案。

说明书

【技术领域】

本申请属于能量收集技术领域，具体涉及一种基于机械整流的混合振动能量收集器。

【背景技术】

在过去的十年里，能量收集技术取得了重大进展，国内外学者已经研究并开发了多种能量收集器，通过实施各种转换机制，如光伏、热电、热电、压电、电磁、摩擦电等，收集周围的可再生/可持续能源(如振动能)并将其转化为电能，从而提供可持续的电力解决方案。当前，能量采集器通常被设计成使用单一转换机制采集能源。但单一转换机制的能量采集器通常存在着稳定性不佳或能量收集效率不高的问题。

【发明内容】

本申请的目的在于利用不同发电方式的特性，使能量收集器在振动源运动周期的各个阶段都有较为可观的能量输出，从而在不大幅增加装置体积与质量的前提下提高发电功率和输出电压的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于机械整流的混合振动能量收集器，包括机箱，所述机箱上设有机械整流装置、电磁感应模块和压电摩擦发电模块，所述机械整流装置与所述电磁感应模块传动连接并向所述电磁感应模块传输单向扭矩，所述机械整流装置与所述压电摩擦发电模块传动连接并向压电摩擦发电模块传输双向扭矩。

如上所述的一种基于机械整流的混合振动能量收集器，所述机械整流装置包括传动齿轮和与所述传动齿轮相啮合的传动齿条，所述传动齿轮一侧设有单向轴承，所述单向轴承的外圈与所述传动齿轮相连接，所述单向轴承的内圈连接有第一输出轴，所述电磁感应模块与所述第一输出轴相连接，所述传动齿轮另一侧设有第二输出轴，所述压电摩擦发电模块与所述第二输出轴相连接。

如上所述的一种基于机械整流的混合振动能量收集器，所述电磁感应模块包括线圈转子、套设于所述线圈转子外的多极磁环以及套设于所述多极磁环外与所述多极磁环固定连接的第一外筒，所述第一外筒与所述机箱固定连接，所述线圈转子的一端与所述第一输出轴相连接，所述线圈转子的另一端设有惯容。

如上所述的一种基于机械整流的混合振动能量收集器，所述线圈转子包括转子主体和缠绕在所述转子主体外侧上的导线，所述转子主体的外侧设有多个供所述导线缠绕的导线凹槽。

如上所述的一种基于机械整流的混合振动能量收集器，所述多极磁环为圆环主体，所述多极磁环由铁氧体或铷磁铁制成。

如上所述的一种基于机械整流的混合振动能量收集器，所述导线为漆包铜线。

如上所述的一种基于机械整流的混合振动能量收集器，所述线圈转子与所述多极磁环之间的间隙为1-2mm。

如上所述的一种基于机械整流的混合振动能量收集器，所述压电摩擦发电模块包括与所述第二输出轴相连接的摩擦发电转子、包围并贴合在所述摩擦发电转子外表面上与所述摩擦发电转子相配合摩擦发电的摩擦发电套筒、套设于所述摩擦发电套筒外侧并与所述机箱固定连接的第二外筒以及连接所述第二外筒与所述摩擦发电套筒的压电片。

如上所述的一种基于机械整流的混合振动能量收集器，所述摩擦发电转子的外表面沿周向间隔分布有多个第一摩擦发电层，所述摩擦发电套筒的内表面上沿周向间隔分布有多个第二摩擦发电层。

如上所述的一种基于机械整流的混合振动能量收集器，所述第一摩擦发电层由聚四氯乙烯制成，所述第二摩擦发电层由聚氯乙烯制成，所述压电片由复合纤维材料制成。

与现有技术相比，本申请有如下优点：

本申请利用机械整流装置收集振动源的振动能，并利用机械整流装置将输入的线性振动分别转化为单向和双向转动使两个发电模块的输出均能得到最大化，以此提高能量利用率和输出的稳定性，是传感器供电的一种优秀解决方案。相较于单一转换方式能量收集系统，本申请通过多种转换方式将能量转化为电能。多种能量转换机制的合理混合不仅可以提高空间利用效率，还可以显著提高功率输出。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为基于机械整流的混合振动能量收集器的示意图；

图2为基于机械整流的混合振动能量收集器内部传动结构示意图；

图3为图1沿A-A的剖视图；

图4为线圈转子的转子主体示意图；

图5为图1沿B-B的剖视图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他全部实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本实施例公开了一种基于机械整流的混合振动能量收集器，包括机箱1，所述机箱1分为三室，分别设有机械整流装置2、电磁感应模块3和压电摩擦发电模块4，可在必要时打开机箱进行检查与更换。所述机械整流装置2用于采集振动源的振动能，所述机械整流装置2与所述电磁感应模块3传动连接并向所述电磁感应模块3传输单向扭矩以产生电动势，所述机械整流装置2与所述压电摩擦发电模块4传动连接并向压电摩擦发电模块4传输双向扭矩以产生电动势。本实施例利用机械整流装置收集振动源的振动能，并利用机械整流装置将输入的线性振动分别转化为单向和双向转动使两个发电模块的输出均能得到最大化，以此提高能量利用率和输出的稳定性，是传感器供电的一种优秀解决方案。相较于单一转换方式能量收集系统，本申请通过多种转换方式将能量转化为电能。多种能量转换机制的合理混合不仅可以提高空间利用效率，还可以显著提高功率输出。

进一步地，所述机械整流装置2包括传动齿轮21和与所述传动齿轮21相啮合的传动齿条22，传动齿条22与振动源相连，随振动源的振动做往复直线运动以驱动传动齿轮21双向转动，所述传动齿轮21一侧设有单向轴承23，所述单向轴承23的外圈与所述传动齿轮21相连接，所述单向轴承23的内圈连接有第一输出轴24，所述电磁感应模块3与所述第一输出轴24相连接，所述传动齿轮21另一侧设有第二输出轴25，所述压电摩擦发电模块4与所述第二输出轴25相连接。机械整流装置2的核心是齿条-齿轮副，该部分的几何尺寸(模数)由振动源的运动特性(振幅，频率，冲击特性等)确定，在确定齿条-齿轮副的模数后便可据此确定基于机械整流的混合振动能量收集器其他部分乃至整个装置的几何尺寸。具体来说，齿条-齿轮副的技术指标主要有传动效率、空程和使用寿命，对于振幅较小的振动应该采用精密度更高的齿轮，对于冲击较强烈的振动应该采用软齿面，对于频率较高的振动为了提高使用寿命可采用调质齿轮。在振动源的质量非常大(如桥梁，建筑物)时，为提高能量回收效率，可在机械整流装置中增加一齿轮变速箱。机械整流装置的关键部件是单向轴承，其特性是内、外圈沿某个方向可以自由转动，但沿另一个方向则会锁死并传递扭矩，因此其关键指标除几何尺寸外还有最大力矩及使用寿命。按照图2的配置，传动齿轮的一侧经单向轴承和第一输出轴24相连、另一侧直接与第二输出轴25相连，这样机械整流装置为单输入-双输出的配置，其中输入为往复直线运动、输出为仅大小随时间变化的扭矩，即第一输出轴24所输出的扭矩，和大小、方向均随时间变化的扭矩，即第二输出轴25所输出的扭矩。再通过第一输出轴24与电磁感应模块3传动连接，第二输出轴25与压电摩擦发电模块4传动连接，就可有效实现将输入的线性振动分别转化为单向和双向转动使电磁感应模块3和压电摩擦发电模块4这两个发电模块的输出均能得到最大化。

进一步地，如图3所示，所述电磁感应模块3包括线圈转子31、套设于所述线圈转子31外的多极磁环32以及套设于所述多极磁环32外与所述多极磁环32固定连接的第一外筒33，所述线圈转子31可在多极磁环32内自由转动，优选地，所述多极磁环32为圆环主体，所述多极磁环32由铁氧体或铷磁铁制成。所述第一外筒33与所述机箱1固定连接，所述线圈转子31的一端与所述第一输出轴24相连接，所述线圈转子31的另一端设有惯容34，实现线圈转子31的单向转动。电磁感应模块的发电原理是线圈转子相对多极磁环转动时切割磁感线而产生电势差，而铁氧体或铷磁铁制成的多极磁环具有较高的表面磁通量，且大小变化为近似的正弦曲线，能够提高电磁发电的效率。由于电磁感应模块从与单向轴承相连的第一输出轴获得扭矩，而该扭矩只在一个运动周期的某个片段存在，因此在没有扭矩输入的时刻线圈转子只能靠自身惯性保持旋转。通过在线圈转子上增加附加质量，即惯容，我们可以提高线圈转子在一个运动周期内的最低速度，使线圈转子保持平稳旋转从而增加发电功率和输出电压的平稳性。为了保证切割磁感线效率，所述线圈转子31与所述多极磁环32之间的间隙为1-2mm。

进一步地，如图3和图4所示，所述线圈转子31包括转子主体311和缠绕在所述转子主体311外侧上的导线312，优选地，所述导线312为漆包铜线。为了便于缠绕导线，提高切割磁感线效率，所述转子主体311的外侧设有多个供所述导线312缠绕的导线凹槽3111。

进一步地，如图5所示，所述压电摩擦发电模块4包括与所述第二输出轴25相连接的摩擦发电转子41、包围并贴合在所述摩擦发电转子41外表面上与所述摩擦发电转子41相配合摩擦发电的摩擦发电套筒42、套设于所述摩擦发电套筒42外侧并与所述机箱1固定连接的第二外筒43以及连接所述第二外筒43与所述摩擦发电套筒42的压电片44，所述压电片数量可根据实际工程需要调整。为了有效实现摩擦发电，所述摩擦发电转子41的外表面沿周向间隔分布有多个第一摩擦发电层45，所述摩擦发电套筒42的内表面上沿周向间隔分布有多个第二摩擦发电层46，优选地，所述第一摩擦发电层45由聚四氯乙烯制成，所述第二摩擦发电层46由聚氯乙烯制成。由于摩擦发电转子外表面与摩擦发电套筒内表面紧贴，二者间的静摩擦力使得摩擦发电转子在旋转时可带动所述摩擦发电套筒一同旋转，而旋转的摩擦发电套筒又使压电片发生形变并产生电势差。当压电片的形变增大至其应力可克服摩擦发电转子与摩擦发电套筒间的静摩擦力时，压电片形变不再增大，而摩擦发电转子与摩擦发电套筒间开始产生相对转动。由于摩擦发电转子外表面和摩擦发电套筒内表面均为沿圆柱面且周向间隔布置了得失电子能力不同的高分子聚合物，如聚四氯乙烯和聚氯乙烯，二者的相对转动能够摩擦起电并输出电流。在上述过程中，压电片需要有一定的弹性和刚度，综合其力学指标和电学指标可选用复合纤维材料。

本实施例利用机械整流装置收集振动源的振动能，并利用机械整流装置将输入的线性振动分别转化为单向和双向转动使两个发电模块的输出均能得到最大化，以此提高能量利用率和输出的稳定性，是传感器供电的一种优秀解决方案。相较于单一转换方式能量收集系统，本申请通过多种转换方式将能量转化为电能。多种能量转换机制的合理混合不仅可以提高空间利用效率，还可以显著提高功率输出。

本实施例工作原理如下：

机械整流装置中，传动齿条在振动源的带动下做往复直线运动，带动传动齿轮做往复转动。单向轴承的外圈和传动齿轮一同做往复转动，但由于单向轴承的特性，单向轴承的内圈和外圈仅能做单向的相对滑动，因而与所述单向轴承的内圈相连的第一输出轴仅能做单向转动，第二输出轴直接与传动齿轮相连，因此第二输出轴能随传动齿轮做往复转动。

电磁感应模块中，线圈转子在第一输出轴的带动下相对多极磁环做单向转动，同时切割磁感线产生电动势。在单向轴承运动过程中，其内外圈咬合时所述齿轮对第一输出轴输出力矩，使线圈转子和惯容的角速度增大，而在单向轴承内外圈相对滑动时，第一输出轴上没有力矩输入，线圈转子依靠惯容的惯性克服阻力继续转动，同时切割磁感线产生电动势。

压电摩擦发电模块，其摩擦发电转子在第二输出轴的带动下做双向转动。在转动中由于所述摩擦发电转子和摩擦发电套筒间的静摩擦力，二者先保持相对静止，于是摩擦发电套筒相对机箱发生转动，从而使压电片发生形变并产生电势差。当所述压电片的应力足以克服摩擦发电转子和摩擦发电套筒之间的静摩擦力时，压电片、摩擦发电套筒与机箱保持相对静止，而所述摩擦发电转子和摩擦发电套筒之间产生相对转动，其接触面互相摩擦并产生电势差。

如上所述是结合具体内容提供的多种实施方式，并不认定本申请的具体实施只局限于这些说明。凡与本申请的方法、结构等近似、雷同，或是对于本申请构思前提下做出若干技术推演或替换，都应当视为本申请的保护范围。