一种低频低速电磁发电机

本发明属于新能源，具体涉及一种低频低速电磁发电机，用于旋转、振动及流体能量收集，进而构造自供电的健康监测与定位跟踪系统。

背景技术：

1、机床与车辆等设备运功部件的结构健康监测、海洋潮汛监测、森林与草原等环境监测等在现实生活中已得到广泛应用，为各类机械设备的安全运行、野外救援以及人员失联搜救、城市及自然环境防灾减灾等提供了有力的保障。为实现各类智能监测与传感监测系统的自供电与免维护，人们开始研究基于环境能量收集的自供电发电机。从发电原理方面，目前技术较成熟的发电机主要有压电、电磁及摩擦式三大类；从能源形式上，主要有旋转发电机、振动发电机及流体发电机。虽然用于能量收集的发电机已有多年的研究历史，但从实际应用的角度依然有较多的技术瓶颈急需解决，集中体现在一下几方面：①发电能力及单位体积能量密度较低；②环境适应性差与频率可调，尤其是对较低振动频率与较大振动强度等的适应能力差；③可靠性低，包括结构强度及工作过程两个方面；④功能单一，仅适于单一能量收集，等等。从可靠性与能量效率方面，电磁发电机在优势明显、更具应用潜力，但因其低频与低速性能差，在低频低速能量回收发电方面应用的较少。

技术实现思路

1、本发明的一种低频低速电磁发电机由换能单元和驱动单元构成，换能单元由机壳、振荡器及转换器构成；驱动单元由支架和驱动器构成，机壳与支架为整体结构或分体结构；振荡器由安装有惯性块和副磁铁的悬摆梁、上调谐索簧、下调谐索簧、传动索簧及安装有磁滚的滚轴构成，所述各索簧均为由拉簧和绳索串联而成，上调谐索簧、下调谐索簧及传动索均为由拉簧和绳索串联而成的非线性弹簧，绳索的材料为金属和化纤，如钨丝、钼丝、尼龙线、化纤绳、金属链或棉麻织物带；转换器由安装在滚轴上的磁滚和安装在壳体上的线圈构成；，驱动器分为旋转驱动器、振动驱动器及流体驱动器，即驱动器为经架销安装在支架上的镶嵌有主磁铁的转动柱体，或驱动器为经平衡簧安装在支架上镶嵌有主磁铁的振动或摆动柱体。

2、本发明中，一种可行的换能单元实施方案如下。换能单元由内壳、侧壳、盖板、座板、转换器、悬摆梁、销轴、惯性块、副磁铁、电路板、上调谐索簧、下调谐索簧及传动索簧构成，上调谐索簧、下调谐索簧及传动索均为由拉簧和绳索串联而成的非线性弹簧；内壳、两个侧壳、盖板以及两个座板构成发电机的机壳，内壳、两个侧壳经螺钉分别连接在上下两个座板上；悬摆梁、销轴、惯性块、副磁铁、上调谐索簧、下调谐索簧及传动索簧共同构成振荡器，振荡器为换能单元的振动系统；转换器由滚轴、磁滚、线架以及线圈构成；上调谐索簧、下调谐索簧及传动索簧均为由拉簧和绳索串联而成的非线性弹簧, 上调谐索簧由上拉簧和上绳索串联而成，下调谐索簧由下拉簧和下绳索串联而成，传动索簧由传动索与传动簧串联而成；四条传动索分别绕在四组滚轴的绕线槽内，每组转轴由多个滚轴构成，每组转轴由六个滚轴构成；电路板经螺钉安装在侧壳内，电路板经螺钉安装在侧壳的侧壳下梁上；上绳索、下绳索、传动索的材料为金属和化纤，传动索为钨丝、钼丝或尼龙线，或为化纤绳、金属链或棉麻织物带。

3、本发明中，一种可行的驱动单元的实施方案如下。驱动单元由支架和驱动器构成，支架由架梁与其两端所连接的架壁构成，驱动器由柱体与其上所镶嵌的主磁铁构成；驱动器、即柱体经架销安装在支架上构成旋转驱动器，柱体与架销经平键连接；驱动器、即柱体经平衡簧安装在支架上构成振动驱动器及流体驱动器，平衡簧为弹簧片或螺旋弹簧，驱动器与平衡簧构成激振系统；旋转驱动器中，柱体上所镶嵌的主磁铁沿圆周方向均布，柱体经架销安装在支架的架壁上；振动驱动器和流体驱动器中，柱体上镶嵌一条、两条或三条主磁铁，主磁铁靠近发电单元一侧，柱体经平衡簧安装在架梁上。

4、内壳为设有端口的长方形结构，且其前方设有端口，即内壳由壳顶壁、壳底壁、壳左壁、壳右壁以及壳后壁构成；壳顶壁和壳底壁上设有凸台；壳左壁和壳右壁上均设有转轴孔和销孔，壳左壁和壳右壁上均设有一组转轴孔和一个销孔；一组转轴孔按四行分布，各行转轴孔之间的距离相等，靠近壳顶壁的两行转轴孔为一组转轴孔，靠近壳底壁的两行转轴孔为另一组转轴孔；销孔位于内壳高度方向的中心处，销孔靠近壳后壁。

5、侧壳由侧壳顶壁、侧壳底壁、侧壳左壁、侧壳右壁、侧壳后壁、侧壳上梁、侧壳下梁以及一组转轴孔构成；侧壳顶壁和侧壳底壁的宽度相同，侧壳上梁和侧壳下梁的长度相同，侧壳上梁和侧壳下梁的长度小于侧壳顶壁和侧壳底壁的宽度；转轴孔为圆柱形，一组转轴孔和一组转轴孔分别对应同心。

6、本发明中，内壳、侧壳相互连接构成机壳，内壳和侧壳安装在座板上构成机壳，内壳和两个侧壳经螺钉分别连接在两个座板上，侧壳对称配置在内壳两侧，盖板安装在内壳上；同时，壳顶壁上平面和侧壳顶壁的上平面共面；电路板经螺钉安装在侧壳的侧壳下梁上，电路板上设有能量收集与能量管理单元。

7、线圈经线架、磁滚经滚轴分别安装在机壳上；线圈经线架安装在侧壳后壁上，磁滚经滚轴安装在内壳的侧壁上，磁滚经滚轴安装在内壳的壳左壁或壳右壁上，磁滚安装在装在滚轴上，磁滚置于线圈内，磁滚的磁极沿径向分布，磁滚的轴线与线圈的轴线垂直；滚轴、磁滚及线圈构成转换器。

8、转换器由滚轴、磁滚、线架及线圈构成，其功能是将机械能转换成电能；滚轴上设有绕线槽，线架包含外缘槽、外缘槽孔、环壁以及线架腔；线圈置于线架的外缘槽中，各线圈经不同的导线组及整流桥与电路板相连；滚轴的细长段穿过外缘槽孔和位于磁滚中心的通孔，磁滚安装在滚轴的细长段上且置于线架腔内；磁滚的极化方向与滚轴的轴线垂直，磁滚沿滚轴的径向极化；磁滚位于线架腔的中心处；滚轴的细长段末端置于侧壳的转轴孔内，另一端置于内壳的转轴孔内。

9、安装有惯性块和副磁铁的悬摆梁经销轴安装在机壳上；上调谐索簧和下调谐索簧的一端固定在悬摆梁上，另一端分别固定在机壳的壳顶壁和壳底壁上；传动索簧两端分别固定在机壳和悬摆梁上，传动索簧的传动索依次缠绕在各滚轴上，悬摆梁摆动时传动索带动各滚轴转动。

10、悬摆梁由纵梁、轴套以及横梁构成；销轴安装在内壳上，销轴的两端分别置于内壳壳左壁和壳右壁的销孔内，销轴经螺钉安装于轴套内，轴套位于销轴的中间，销孔、轴套以及销轴的轴线重合；惯性块、和副磁铁置于纵梁上，通过调节惯性块的质量或惯性块在纵梁上的位置获得所需的振荡器固有频率。

11、本发明中，传动索簧两端分别固定在内壳和悬摆梁上，传动索簧的传动索依次缠绕在各滚轴上，传动索带动各滚轴转动；传动索一端固定在横梁上、另一端经传动簧固定在内壳上，即传动索的另一端沿转轴组的末端绕线槽延伸至传动簧的一端并与其串接，传动簧的另一端固定在内壳上；传动索在每一个绕线槽内缠绕多圈以增大传动索与滚轴之间的摩擦力；一条传动索的各连接线段即横梁与滚轴之间的连接线段、滚轴与滚轴之间的连接线段、以及滚轴与内壳之间的连接线段处于同一个平面且所处的平面与壳左壁或壳右壁平行；各传动索在横梁上的各固定点处于同一平面且所处平面与内壳的壳后壁平行；各传动索和传动簧均以一定的预拉力安装；各传动索与悬摆梁、即悬摆梁的纵梁间的夹角r定义为传动角。

12、本发明中， 上调谐索簧和下调谐索簧为由拉簧和绳索串联而成的非线性弹簧,上调谐索簧和下调谐索簧的一端固定在悬摆梁上，另一端分别固定在壳顶壁和壳底壁上；上调谐索簧由上拉簧和上绳索串联而成，上拉簧的一端固定于纵梁上、另一端经上绳索固定在内壳上，上绳索的一端与上拉簧串接、另一端固定于内壳上；下调谐索簧由下拉簧和下绳索串联而成，下拉簧的一端固定于纵梁上，另一端经下绳索固定在内壳上；上调谐索簧与内壳的壳顶壁之间的上调频角p及上拉簧的拉伸长度可调，下调谐索簧与内壳壳底壁表面之间的下调频角q及下拉簧的拉伸长度可调。目的是：获得所需的振荡器固有频率和悬摆梁的初始状态，同时增加悬摆梁的摆动振幅。

13、根据实际工况，换能单元和驱动单元相互组装一体或独立安装，且副磁铁和主磁铁靠近安装；非工作状态下，悬摆梁与驱动器共面或相互垂直，即二者的几何中界面均位于同一个平面或位于两个相互垂直的平面内。

14、工作中，驱动单元的驱动器旋转或往复振动并经主磁铁与副磁铁间的耦合作用驱动悬摆梁往复摆动，悬摆梁再经驱动索簧迫使滚轴及磁滚在线圈内转动，线圈切割磁力线发电。

15、驱动器为旋转驱动器时，驱动器为旋转的机械主轴或由机械主轴带动，或由风轮或水轮叶片驱动，驱动器经磁耦合力驱动振荡器；驱动器为振动驱动器时，振荡器与激振系统构成双自由度系统，振荡器和激振系统均受惯性力作用产生振动，且激振系统给振荡器施加驱动力；驱动器为流体驱动器时，激振系统受流体力作用产生往复振动并经磁耦合力带动振荡器往复振动。振荡器受驱动器的磁耦合力作用时，其发电过程如下。

16、①悬摆梁由初始水平状态向上摆动的时间内，发电机的工作过程如下：悬摆梁由初始水平状态向上摆动→位于悬摆梁下方的传动索受到拉力，其与绕线槽表面的摩擦力带动下方的一组滚轴转动，传动簧被所串联的传动索拉伸；同时，位于悬摆梁上方的传动索被放松，传动簧的回复力拉动传动索，其与绕线槽表面的摩擦力带动上方的一组滚轴转动→安装在滚轴上的磁滚转动→通过线圈的磁通量发生改变→由于电磁感应原理，线圈内产生感应电流→电流输送至电路板；

17、②悬摆梁向下摆回水平状态的时间内，发电机的工作过程如下：悬摆梁向下摆回水平状态→位于悬摆梁下方的传动索被放松，传动簧的回复力拉动传动索，传动索带动滚轴回转，传动索与绕线槽表面的摩擦力带动下方的一组滚轴回转；同时，位于悬摆梁上方的传动索受拉、传动索所缠绕的一组滚轴回转，传动索与绕线槽表面的摩擦力带动，传动簧被所串联的传动索拉伸→安装在滚轴上的磁滚转动→通过线圈的磁通量发生改变→由于电磁感应原理，线圈内产生感应电流→电流输送至电路板。

18、本发明中，通过改变振荡器的相关系统参数调节悬摆梁初始状态和振荡器的固有频率，振荡器固有频率与驱动单元的激励频率相适应时发电性能最佳，振荡器的固有频率为：，式中：ζ为振荡器阻尼比，kp、kq及kr分别为上拉簧、下拉簧及传动簧的刚度， m和m1为惯性块和副磁铁的质量；p、q以及r分别为上调谐索簧的上调频角、下调谐索簧的下调频角及传动索的传动角；x、x1、y1、y2以及z分别为惯性块、副磁铁、上调谐索簧、下调谐索簧以及传动索在横梁上的固定点与销轴之间的距离；其他参数确定时，通过改变kp、kq、kr、m、p、q、r、x、y1、y2及z调节悬摆梁初始状态和振荡器的固有频率。

19、本发明的一种低频低速电磁发电机，由装在机壳上的振荡器和转换器与装在支架上的的驱动器构成，振荡器由安装有惯性块和副磁铁的悬摆梁、上调谐索簧、下调谐索簧、传动索簧及安装有磁滚的滚轴构成，所述各索簧均为由拉簧和绳索串联而成；悬摆梁经销轴安装在机壳上，上调谐索簧和下调谐索簧的一端固定在悬摆梁上，另一端分别固定在机壳的壳顶壁和壳底壁上；传动索簧两端分别固定在机壳和悬摆梁上，传动索簧的传动索依次缠绕在各滚轴上并带动滚轴转动；转换器由磁滚和线圈构成，线圈经线架、磁滚经滚轴装在机壳上，磁滚置于线圈内；驱动器为镶嵌有主磁铁的柱体，驱动器的主磁铁与振荡器的副磁铁靠近安装；非工作时，悬摆梁与驱动器共面；工作中，驱动器受外力作用转动、振动或摆动，驱动器经主磁铁与副磁铁间的磁耦合力迫使振荡器振动，传动索带动各滚轴及磁滚转动，各线圈切割磁力线发电。

20、优势与特色：通过改变驱动单元中驱动器的安装方式，改变发电机的应用领域，可用于旋转、振动及流体能量收集；利用杠杆放大方法将驱动器的旋转或微幅往复振动转换成大幅往复旋转运动，提高副磁铁翻转速度，磁通量变化梯度大，电磁发电效率高；通过改变振荡器的相关系统参数调节悬摆梁f初始状态和振荡器的固有频率，调频方法简单、适用范围广。

技术特征：

1.一种低频低速电磁发电机，由装在机壳上的振荡器和转换器与装在支架上的驱动器构成，其特征在于：振荡器由安装有惯性块和副磁铁的悬摆梁、上调谐索簧、下调谐索簧、传动索簧及安装有磁滚的滚轴构成，所述各索簧均由拉簧和绳索串联而成；悬摆梁经销轴安装在机壳上，上调谐索簧和下调谐索簧的一端固定在悬摆梁上，另一端分别固定在机壳的壳顶壁和壳底壁上；传动索簧两端分别固定在机壳和悬摆梁上，传动索簧的传动索依次缠绕在各滚轴上并带动滚轴转动；转换器由磁滚和线圈构成，线圈经线架、磁滚经滚轴装在机壳上，磁滚置于线圈内；驱动器为镶嵌有主磁铁的柱体，驱动器的主磁铁与振荡器的副磁铁靠近安装；非工作时，悬摆梁与驱动器共面；工作中，驱动器受外力作用转动、振动或摆动，驱动器经主磁铁与副磁铁间的磁耦合力迫使振荡器振动，传动索带动各滚轴及磁滚转动，各线圈切割磁力线发电。

2.根据权利要求1所述的一种低频低速电磁发电机，其特征在于：驱动器分为旋转驱动器、振动驱动器及流体驱动器，旋转驱动器为经架销安装在支架上的镶嵌有主磁铁的转动柱体，振动驱动器及流体驱动器为经平衡簧安装在支架上镶嵌有主磁铁的可振动或摆动的柱体。

3.根据权利要求1所述的一种低频低速电磁发电机，其特征在于：振荡器固有频率与驱动器激励频率相适应时发电性能最佳，振荡器的固有频率为：，式中：ζ为振荡器阻尼比，kp、kq及kr分别为上拉簧、下拉簧及传动簧的刚度， m和m1分别为惯性块和副磁铁的质量；p、q以及r分别为上调谐索簧的上调频角、下调谐索簧的下调频角及传动索的传动角；x、x1、y1、y2以及z分别为惯性块、副磁铁、上调谐索簧、下调谐索簧及传动索在横梁上的固定点到销轴的距离。

技术总结
本发明涉及一种低频低速电磁发电机，属新能源领域；由振荡器、转换器驱动器构成，振荡器由装有惯性块和副磁铁悬摆梁、上下调谐索簧、传动索簧及装有磁滚的滚轴构成，各索簧均由拉簧和绳索串联而成；悬摆梁经销轴装在机壳上，上下调谐索簧的一端固定在悬摆梁上，另一端分别固定在机壳顶壁和底壁上；传动索簧两端分别固定在机壳和悬摆梁上，传动索簧的传动索依次缠绕在各滚轴上；转换器由磁滚和线圈构成，线圈经线架、磁滚经滚轴装在机壳上，磁滚置于线圈内；驱动器为镶嵌有主磁铁的柱体，驱动器的主磁铁与振荡器的副磁铁靠近安装；驱动器受外力作用时经主磁铁与副磁铁间的磁耦合力迫使振荡器振动，传动索带动滚轴及磁滚转动，线圈切割磁力线发电。

技术研发人员：阚君武,于林俊,顾思怡,孙超,张金波,孟凡许,张忠华,王淑云,程光明,曾平
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5