一种具有雨水收集功能的水循环振动发电装置的制作方法

本发明属于振动能量收集及发电的领域，涉及一种基于超磁致伸缩材料的具有雨水收集功能的水循环振动发电装置。

背景技术：

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，它是一种室温下具有极强磁致伸缩效应的一类金属化合物，其典型代表是tb0.27dy0.73fe1.95和t0.7dy0.73fe2，商品名称为terfenol-d。作为一种新型高效磁能-机械能转换材料，与普通的磁致伸缩材料（如钴、镍）和压电材料（如pzt）等其他材料相比，其具有大应变、高效功率密度、精度高、响应速度快及可靠性高等优点，因此在振动收集与利用过程中具有优异的性能。

目前针对汽车振动能量收集装置的研究，主要是应用压电材料来实现微型电路的能量供给。例如在2005年仪表技术与传感器第8期3-10页发表的基于压电的车载传感器自供电技术研究中提出了，利用压电技术对振动能量进行收集，设计压电式振动能量收集系统以用来解决微功耗传感器供能问题。在2015年苏州市职业大学学报第26卷第3期发表的基于压电材料的车辆振动能量收集提出了，将压电材料用于车辆振动能量收集，用来直接供电或进行储存。但是目前尚无有关利用超磁致伸缩材料实现汽车轮胎振动能量收集的研究。相比于压电技术，超磁致伸缩材料具有磁滞系数大、能量转换效率高等优点，因此需要一种吸收振动而产生电能的、能量转换效率高的能量收集装置。

技术实现要素：

发明目的：

为了实现对雨水振动能量的吸收并进行利用，本发明提供一种以超磁致伸缩材料薄片为核心元件的振动收集装置，通过雨水拍打使超磁致伸缩薄片振动，雨水存储到水箱中，再通过叶轮的回转运动带动滑块作直线往复运动带动托水板上下运动，把雨水传递到漏斗中实现循环供水，缠有拾取线圈的超磁致伸缩材料薄片将振动能量收集起来并转换为电能输出。

技术方案：

一种具有雨水收集功能的水循环振动发电装置，缠绕有拾取线圈的超磁致伸缩材料薄片一端安装在流水板的下端面，缠有拾取线圈的超磁致伸缩材料薄片的另一端安装在固定板上；固定板与保持架一端连接，保持架另一端与滤水装置连接，滤水装置下端与花洒连接，滤水装置上端与漏斗连接，漏斗与送水管的一端连接，送水管的另一端与上水通道一端连通，上水通道另一端设置在水箱内，上水通道的上端固定有定滑轮，钢丝绕过定滑轮，钢丝一端与滑块连接，钢丝另一端穿过托水板与重物连接，滑块在上水通道侧面的滑道内上下运动，滑块侧面与连杆一端连接，连杆的另一端与曲柄连接，曲柄的另一端与阶梯轴一端连接，阶梯轴上设有叶轮。

矩形薄片结构的超磁致伸缩材料薄片一端固定在固定板的矩形通孔内，超磁致伸缩材料薄片另一端固定在流水般下端的矩形腔体内；在矩形结构的固定板的侧面以宽边中心线为对称中心，打有两个对称的螺纹通孔，在中心位置沿厚度方向打有一个完全贯穿的矩形通孔。

流水板具有矩形腔体结构，流水板上端面右侧设有一个方形接水口，流水板的右侧下端面设有一个左右开口的开腔结构，开腔结构大小与超磁致伸缩材料薄片垂直方向的矩形截面相匹配，靠近开腔结构的左侧设有一个与流水板内部连通的出水口a，流水板下端面左端设有一个向下开口的出水口b。

t型结构的保持架一端前壁上设有两个对称的螺纹通孔，保持架另一端设有一个圆环，保持架的螺纹通孔与固定板上的螺纹孔通过螺钉连接，保持架另一端的圆环套在滤水装置上；滤水装置为圆柱形薄壁结构，在滤水装置的内壁的下端面上设有一层圆柱形的过滤网；花洒为锥形薄壁结构，花洒的上端是小端面，下端是大端面，花洒的小端面为开口结构，大端端面处打有若干个完全贯通的圆形孔；漏斗为锥形薄壁结构，在漏斗的上端面设有一个带有缺口的薄壁圆环。

送水管为l形直角薄壁结构，长端的尾处设有一斜度切口，且送水管长端底面有一定的倾斜角度；送水管带有坡度的一端安装在漏斗的凹槽内，并通过焊接固定，送水管的另一端与上水通道的矩形通孔对齐，且通过焊接固定。

上水通道为矩形的薄壁结构，上水通道的上下端面开口，右侧面设一矩形凹槽轨道，后壁面上端打有一个矩形通孔；右侧面顶端焊接一个定滑轮，上水管道下端置于水箱的一角，上水管道左侧面和水箱的内左侧面相接触，上水管道前侧面和水箱的内前侧面接触，并通过焊接固定，上水管道的下端与水箱的底面有一定距离。

整体呈长方体结构的滑块设置在上水通道右侧的轨道内，滑块的左侧面与上水通道的右侧面接触，滑块的后壁面中心处设有螺纹孔，螺纹孔与连杆通过螺栓连接，滑块上端面中心处设有圆形凸起，圆形凸起上中心设有贯通的圆孔；贯通的圆孔与钢丝一端连接，钢丝的另一端与设置在上水通道内的托水板中心圆孔连接。

连杆为两端为半圆弧形的长条状扁平杆，连杆长度长于曲柄，连杆一端通过螺栓与滑块连接，连杆另一端与曲柄通过螺栓连接；

两端为半圆弧形的长条状曲柄两端各设有一个螺纹通孔；曲柄一端通过螺栓与连杆连接，曲柄另一端与阶梯轴带有螺纹孔的一端连接。

左右对称的圆柱形阶梯轴，由a、b、c、b'、a'五个直径对称的轴段构成，c段为轴径最大段，b段与b’段、a段与a’段直径分别相等且相对于c段呈左右对称分布；阶梯轴c段开有键槽；齿轮套装在阶梯轴的c段上，叶轮和阶梯轴通过键连接；阶梯轴两端分别安装在两个轴承座内，轴承座安装水箱内；三角形结构的轴承座顶角处为圆弧形结构，在圆心处设有一个贯通的圆形通孔，轴承间隙配合安装在轴承座的圆孔内，阶梯轴的a段和a'段分别安装在轴承内圈内，两轴承的内端面分别和阶梯轴b段的左端面、阶梯轴的b'右端面接触。

水箱为矩形开口型腔结构；水箱置于最下方，两个轴承座平行焊接固定在水箱内底面上。

本发明是一种具有雨水收集功能的水循环振动发电装置，具有如下优点：

本发明以超磁致伸缩薄片为核心元件，通过雨水拍打使超磁致伸缩薄片振动，雨水存储到水箱中，再通过叶轮的回转运动带动滑块作直线往复运动带动托水板上下运动，把雨水传递到漏斗中实现循环供水，缠有拾取线圈的超磁致伸缩材料薄片将振动能量收集起来并转换为电能输出。和压电材料相比较，超磁致伸缩材料的机电耦合系数较高，所以有较高的能量转换效率，能达到70%。在室温下，磁致伸缩应变值也很大，因此，较小的振幅也能输出更高的电压。

附图说明

图1为一种具有雨水收集功能的水循环振动发电装置的结构示意图；

图2为一种具有雨水收集功能的水循环振动发电装置的后视立体图；

图3为超磁致伸缩材料薄片的结构示意图；

图4为固定板的主视图；

图5为固定板的左视图；

图6为流水板的结构示意图；

图7为流水板的结构示意图；

图8为流水板的主视图；

图9为流水板的俯视图；

图10为保持架的主视图；

图11为保持架的俯视图；

图12为过滤装置结构示意图；

图13为过滤装置的主视图；

图14为过滤装置的俯视图；

图15为花洒的主视图；

图16为花洒的俯视图；

图17为漏斗的主视图；

图18为漏斗的俯视图；

图19为送水管的后视图；

图20为送水管的俯视图；

图21为送水管的透视图；

图22为上水通道的后视图；

图23为上水通道的右视图；

图24为滑块的后视图；

图25为滑块的左视图；

图26为曲柄的俯视图；

图27为曲柄的a-a剖面图；

图28为连杆的结构示意图；

图29为阶梯轴的俯视图；

图30为阶梯轴的主视图

图31为叶轮的右视图；

图32为叶轮的后视图；

图33为轴承座的主视图；

图34为轴承座的俯视图；

图35为水箱的结构示意图；

图36为托水板的结构示意图。

附图标记说明：

图中，1-漏斗；2-滤水装置；3-花洒；4-保持架；5-固定板；6-超磁致伸缩材料薄片；7-水箱；8-叶轮；9-曲柄；10-连杆；11-上水通道；12-滑块；13-钢丝；14-定滑轮；15-送水管；16-流水板；17-阶梯轴；18-轴承座；19-拾取线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

一种具有雨水收集功能的水循环振动发电装置。本发明的工作原理为：通过雨水拍打超磁致伸缩材料薄片6提供振动，用拾取线圈19拾取产生的电能，实现了将吸收雨水下落产生的振动能量转化为电能输出的过程。本发明装置的工作过程是：当雨水充足时，打开第二出水口，雨滴从高空中降落，拍打超磁致伸缩材料薄片6的雨滴沿着流水板16流到水箱7，当雨水不充足时，关闭第二出水口，雨水经过第一出水口流向叶轮8的叶片，使叶轮8转动，叶轮8带动阶梯轴17回转从而带动曲柄9回转，曲柄9带动滑块12做直线往复运动，运动的滑块12沿着上水通道11的矩形凹槽运动，带动托水板将水箱内的雨水通过上水通道11输送到送水管15内，雨水沿着送水管15流进漏斗1，经过滤水装置2流到花洒3，滴落在流水板16的矩形腔内再次拍打超磁致伸缩材料薄片6，实现循环供水，超磁致伸缩材料薄片6在受到力的作用时，会使该材料中的磁化状态产生变化，进一步利用法拉第电磁感应效应，在变化的磁场中将产生电场。在拾取线圈19中会产生感应电动势，该过程将重力势能转换为磁能，再转换为电能。拾取线圈19两端连接导线将电能传递出去，实现了通过吸收雨水振动而进行发电的过程。

如图1、图2所示，本发明装置包括超磁致伸缩材料薄片、拾取线圈、流水板、固定板、保持架、滤水装置、花洒、漏斗、送水管、上水通道、水箱、定滑轮、钢丝、托水板、滑块、连杆、曲柄、阶梯轴和叶轮。缠有拾取线圈19的超磁致伸缩材料薄片6一端安装在流水板16的下端面，超磁致伸缩材料薄片6的另一端安装在固定板5上；固定板5与保持架4一端连接，保持架4另一端与滤水装置2连接，滤水装置2下端与花洒3连接，滤水装置2上端与漏斗1连接，漏斗1与送水管15的一端连接，送水管15的另一端与上水通道11一端连通，上水通道11另一端设置在水箱7内，上水通道11的上端固定有定滑轮14，钢丝13绕过定滑轮14，钢丝13一端与滑块12连接，钢丝13另一端穿过托水板与重物连接，托水板和重物焊接固定，重物设置在上水通道11内，通过重力向下作用，带动滑块12向上运动滑块12，托水板托水时，滑块12通过钢丝13带动重物向上运动。在上水通道11侧面的滑道内上下运动，滑块12侧面与连杆10一端连接，连杆10的另一端与曲柄9连接，曲柄9的另一端与阶梯轴17一端连接，阶梯轴17上设有叶轮8。

超磁致伸缩材料薄片6的一端插装在固定板5的矩形凹槽内，另一端套装在流水板16的下部开腔内。保持架4的t形端两个螺纹孔的中心轴线与固定板5上的两个螺纹孔的中心轴线重合，二者通过紧定螺钉连接，保持架4另一端的圆环内套有滤水装置2，滤水装置2焊接在圆环内。滤水装置2的下端连接花洒3，滤水装置2的上端连接漏斗1。送水管15带有坡度的一端安装在漏斗1的凹槽内，送水管15的另一端与上水通道11的矩形通孔对齐，通过焊接固定。上水管道11置于水箱7的一角，上水管道11右侧面下端和水箱7的内右侧面相接触，后侧面下端和水箱7的内后侧面接触，二者通过焊接固定，上水管道11的下端与水箱7的底面有一定距离。上水管道11的右侧面上端焊接一定滑轮14，钢丝13绕过定滑轮14，与滑块12上表面的圆形凸起连接，钢丝13另一端穿过托水板的中心孔连接一重物。滑块12安装在上水管道11的右侧面的轨道内，带有螺纹孔的一侧和连杆10的一端接触，连杆10的另一端和曲柄9的一端接触，曲柄9的另一端与阶梯轴17带有螺纹孔的端面接触，阶梯轴17穿过叶轮8的中心孔固定在两个轴承座18上。轴承座18的底端与水箱7的内表面接触，二者焊接固定。其余装配及各零件的结构图见图3-图36。

如图3所示，矩形薄片结构的超磁致伸缩材料薄片6一端固定在固定板5的矩形通孔内，超磁致伸缩材料薄片6另一端固定在流水般下端的矩形腔体内；超磁致伸缩材料薄片6为矩形薄片结构，超磁致伸缩材料薄片6一端间隙配合在固定板5的矩形通孔内，另一端间隙配合在流水板16下端的矩形型腔内。

如图4和图5所示，在矩形结构的固定板5的侧面以宽边中心线为对称中心，打有两个对称的螺纹通孔，在中心位置沿厚度方向打有一个完全贯穿的矩形通孔。

如图6、图7、图8及图9所示，流水板16具有矩形腔体结构，流水板16上端面右侧设有一个方形接水口，流水板16的右侧下端面设有一个左右开口的开腔结构，开腔结构大小与超磁致伸缩材料薄片6垂直方向的矩形截面相匹配，靠近开腔结构的左侧设有一个与流水板16内部连通的出水口a，流水板16下端面左端设有一个向下开口的出水口b。流水板16为矩形腔体结构，长边中心线右侧设有一开腔结构，在腔的底面焊接有一左右开口的薄壁矩形。左端有一向下伸出薄壁矩形结构，为第一出水口a，流水板16下表面长边中心线右旁打有一矩形通孔，为第二出水口b。

如图10和图11所示，保持架4为t形结构，t字结构的头部前壁面上两端打有两个对称的螺纹通孔，保持架4的尾部设有一圆环。保持架4的t形端的两个螺纹孔的中心轴线与固定板5上的两个螺纹孔的中心轴线重合，二者通过螺钉连接，保持架4另一端的圆环内套有滤水装置2，滤水装置2焊接在圆环内。

如图12、图13和图14所示，滤水装置2为圆柱形薄壁结构，在内壁的下端面上焊接一层圆柱形的过滤网。

如图15和图16所示，花洒3为锥形薄壁结构，花洒3的上端是小端面，下端是大端面，花洒3的小端面为开口结构，大端端面处打有若干个完全贯通的圆形孔。

如图17和图18所示，漏斗1为锥形薄壁结构，在漏斗1的上端面设有一个带有缺口的薄壁圆环。漏斗1上底面面积大于下底面面积，滤水装置2上端和漏斗1焊接固定，滤水装置2下端焊接花洒3的上端。

如图19、图20和图21所示，送水管15为l形直角薄壁结构，长端的尾处设有一斜度切口，且送水管15长端底面有一定的倾斜角度。送水管15带有坡度的一端安装在漏斗1的凹槽内，二者通过焊接固定，送水管15的另一端与上水通道11的矩形通孔对齐，二者的中心线重合，且通过焊接固定。

如图22和图23所示，上水通道11为矩形的薄壁结构，上水通道11的上下端面开口，右侧面设一矩形凹槽轨道，后壁面上端打有一个矩形通孔；右侧面顶端焊接一个定滑轮14，上水管道下端置于水箱7的一角，上水管道左侧面和水箱7的内左侧面相接触，上水管道前侧面和水箱7的内前侧面接触，并通过焊接固定，上水管道的下端与水箱7的底面有一定距离。

如图24和图25所示，滑块12为长方体结构，滑块12的左侧面与上水通道11的右侧面接触，滑块12的后壁面中心处设有螺纹孔，在滑块12后壁面的中心处打有一不贯穿的螺纹孔，螺纹孔与连杆10通过螺栓连接。滑块12上端面中心处设有圆形凸起，圆形凸起上中心设有贯通的圆孔；贯通的圆孔与钢丝13一端连接，钢丝13的另一端与设置在上水通道11内的托水板中心圆孔连接。

如图26和图27所示，曲柄9整体为矩形结构，曲柄9左右两端为半圆弧形。在曲柄9左右两端各打有一螺纹通孔；曲柄9一端通过螺栓与连杆10连接，曲柄9另一端与阶梯轴17带有螺纹孔的一端连接。如图28所示，连杆10为两端为半圆弧形的长条状扁平杆，连杆10长度长于曲柄9，连杆10一端通过螺栓与滑块12连接，连杆10另一端与曲柄9通过螺栓连接；连杆10与曲柄9的结构相同，连杆10的长度大于曲柄9的长度。连杆10一端的螺纹孔与滑块12的螺纹孔对正，两者轴线重合，通过螺栓连接，连杆10另一端的螺纹孔和曲柄9的螺纹孔对齐，通过螺栓连接曲柄9和连杆10。曲柄9的另一端面与阶梯轴17带有螺纹孔的一端接触，且曲柄9的螺纹孔中心线与阶梯轴17的螺纹孔中心线重合，二者通过螺钉连接。

如图29和图30所示，左右对称的圆柱形阶梯轴17，由a、b、c、b'、a'五个直径对称的轴段构成，c段为轴径最大段，b段与b’段、a段与a’段直径分别相等且相对于c段呈左右对称分布；阶梯轴17c段开有键槽；齿轮套装在阶梯轴17的c段上，叶轮8和阶梯轴17通过键连接；阶梯轴17两端分别安装在两个轴承座18内，轴承座18安装水箱7内。两个轴承分别安装在两个轴承座18内，其外圆表面与轴承座18的凹槽接触，两个轴承的内圆孔分别套在阶梯轴17的a段和a’段上，且两个轴承的端面分别贴紧阶梯轴17b段和b’段的轴肩上。

如图31和图32所示，叶轮8为圆柱形结构，一端面上设有以圆心为中心，沿圆周方向均匀分布的6个叶片，叶片为波浪形结构，在叶轮8中心位置处打有完全贯穿的圆孔，通孔的内表面上方加工有一个键槽。叶轮8的通孔套在阶梯轴17c段，叶轮8与阶梯轴17之间通过键固定连接，叶轮8的叶片位置安装在流水板16第一出水口的下方。

如图33和图34所示，轴承座18为三角结构，顶角处为圆形结构，且在圆心处沿厚度方向打一完全贯通的圆形孔，轴承间隙配合安装在轴承座18的圆孔内，阶梯轴17的a段和a'段分别安装在轴承内圈内，两轴承的内端面分别和阶梯轴17b段的左端面、阶梯轴17的b'右端面接触。

如图35所示，水箱7为矩形开口型腔结构；水箱7置于最下方，两个轴承座18平行焊接固定在水箱7内底面上。

如图36所示，托水板为方形薄片结构，在中心处沿高度方向打一贯穿的圆孔。

结论：本发明为一种具有雨水收集功能的水循环振动发电装置，能够将雨水落下时的重力势能转化为电能进行能量的收集。