适应复杂激励的无接触传动摩擦-电磁复合波浪能量采集器的制作方法

[技术领域]

本发明涉及海洋环境波浪能量采集技术领域，具体地说是一种适应复杂激励的无接触传动摩擦-电磁复合波浪能量采集器。

[

背景技术：
]

近年来，随着各国工业化进程的加快，能源消耗量不断增加，发展可再生能源已成为许多国家推进能源转型的核心内容。海洋能源是一种取之不尽、用之不竭、无污染的可再生能源，是地球上最丰富、清洁、可再生的能源之一。海洋能源中的波浪能具有其他能源无法比拟的优越性，它对季节、昼夜、天气和温度条件的依赖性大大降低。因此，合理开发利用波浪能具有重大战略意义。

无线传感网络的飞速发展为我国海洋信息网络、海洋通信带来了新的发展机遇，也是开发海洋经济、维护海洋安全的客观要求。然而海上无线传感网络的节点分布面积大范围广，如何为这些低功耗小型电子器件长期有效供能是海上无线传感网络的瓶颈问题之一。因此，收集海洋环境中丰富的风波浪能，转化为电能，为数以万计的低能耗传感器节点供电，是保障传感器网络使用寿命的一种具有良好前景的方案。然而，海洋气候环境多变，波浪激励方式复杂，目前大部分小型海洋环境波浪能量采集器输出功率低、可靠性低、环境适应性差，比如：可能适应弱激励，但在强激励下俘获能量有限，或者在强激励下功率输出较高，但在弱激励下无法工作，无法满足复杂海洋环境无线传感网络的可持续供能要求，不利于海洋经济资源的开发。

[

技术实现要素：
]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种适应复杂激励的无接触传动摩擦-电磁复合波浪能量采集器，能够在海洋全天候气候环境中有效工作，适应波浪复杂激励，解决了目前波浪能量采集系统输出功率低、可靠性低、环境适应性差等缺点。

为实现上述目的设计一种适应复杂激励的无接触传动摩擦-电磁复合波浪能量采集器，包括浮球1、摇杆2、升降杆3、升频电磁发电组件4，所述浮球1与摇杆2顶端刚性连接，所述摇杆2底端通过万向接头5连接升降杆3，所述浮球1内置有可滚动的驻极体滚动球6，所述浮球1内下表面设有金属极一7和金属极二8，所述升降杆3内置于升降套9内，所述升降杆3与升降套9之间设置有弹簧10，所述升降杆3上设有驱动永磁体组合11，所述升降套9下端连接升频电磁发电组件4，所述升频电磁发电组件4包括被驱动永磁体组合12、发电永磁体13、发电感应线圈14，所述驱动永磁体组合11与被驱动永磁体组合12磁力耦合连接，所述被驱动永磁体组合12机械传动连接发电永磁体13，并带动发电永磁体13转动，所述发电永磁体13对应设置有发电感应线圈14。

进一步地，所述浮球1内底部构造有环形轨道，所述金属极一7、金属极二8沿环形轨道交错阵列布置，所述驻极体滚动球6沿着环形轨道做旋转运动，并与金属极一7、金属极二8发生相对位移。

进一步地，所述驻极体滚动球6选用氟化乙烯丙烯共聚物，并采用电晕充电法对其表面均匀施加电荷,所述金属极一7、金属极二8的材料选用金、银、铜或铝。

进一步地，所述升降杆3外侧沿母线对称设置有两条导轨，所述升降套9内侧设置有两条导轨槽，所述导轨与导轨槽配合连接。

进一步地，所述驱动永磁体组合11包括永磁体一，所述永磁体一沿圆周阵列分布后，再沿升降杆3母线线性阵列分布，相邻永磁体一的磁极设置相反，所述被驱动永磁体组合12包括永磁体二，所述永磁体二沿圆周阵列分布，且相邻永磁体二的磁极设置相反。作为优选，所述驱动永磁体组合11包括圆周阵列的四个永磁体一以及沿升降杆3线性阵列的若干个永磁体一，所述被驱动永磁体组合12为圆周阵列的四个永磁体二。

进一步地，所述被驱动永磁体组合12设置在大齿轮15上部，所述大齿轮15与小齿轮一16、转换方向齿轮17啮合连接，所述转换方向齿轮17与小齿轮二18啮合连接，所述小齿轮一16下方设有棘抓盘一19，所述小齿轮二18下方设有棘抓盘二20，所述棘抓盘一19、棘抓盘二20上均沿周向安装有若干棘抓21，所述棘抓21与棘轮22啮合连接，所述棘轮22安装在升降套9上，所述发电永磁体13固定在棘轮22的底板下侧，所述发电永磁体13在棘轮22的带动下转动。

进一步地，所述大齿轮15的齿数分别为小齿轮一16、小齿轮二18的齿数的10倍以上。

进一步地，所述发电感应线圈14对称设置在安装板23上，所述安装板23设置在被驱动永磁体组合12上方，所述发电永磁体13按照海尔贝克圆周阵列固定在棘轮22的底板下侧。

进一步地，所述小齿轮一16、转换方向齿轮17、小齿轮二18分别通过小轴承24安装在安装板23上，并通过密封板一27、密封板二28进行密封，所述大齿轮15、棘轮22分别通过大轴承25安装在升降套9上，且外围罩设有密封套26，并通过密封套26进行密封，所述密封套26安装在安装板23下方。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明采用摆动驱动的摩擦发电和升降驱动的电磁发电相结合，能够适应任意方向、宽频域、强弱激励；

(2)本发明采用磁力齿轮传动，使得大部分复杂机电系统容易被密封，能够适应恶劣环境；

(3)本发明构造具有三维双稳态特性的环形轨道，从而有利于驻极体球沿轨道滚动发电；

(4)本发明设计往复转单向旋转以及升频传动机构，显著提升了电磁机电转换效率；

(5)本发明发电永磁体采用海尔贝克圆周阵列，可以采用最少量的磁体产生最强的磁场，有利于电磁感应发电；

综上：本发明能够在海洋全天候气候环境中有效工作，适应波浪复杂激励(任意方向激励、强弱激励)，具有频率提升功能和高可靠性，解决了目前波浪能量采集系统输出功率低、可靠性低、环境适应性差等缺点。

[附图说明]

图1是本发明的总体结构剖视示意图；

图2是图1中a处的局部放大示意图；

图3是本发明中的浮球内部结构示意图；

图4是本发明中的感应线圈安装示意图；

图5是本发明中实现磁力耦合驱动的结构示意图；

图6是本发明中实现单向旋转的结构示意图；

图7是本发明中的发电永磁铁布置示意图；

图8是本发明摇摆工作示意图；

图9是本发明升降工作示意图；

图中：1、浮球2、摇杆3、升降杆4、升频电磁发电组件5、万向接头6、驻极体滚动球7、金属极一8、金属极二9、升降套10、弹簧11、驱动永磁体组合12、被驱动永磁体组合13、发电永磁体14、发电感应线圈15、大齿轮16、小齿轮一17、转换方向齿轮18、小齿轮二19、棘抓盘一20、棘抓盘二21、棘抓22、棘轮23、安装板24、小轴承25、大轴承26、密封套27、密封板一28、密封板二。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图所示，本发明提供了一种适应复杂激励的无接触传动摩擦-电磁复合波浪能量采集器，包括浮球1、摇杆2、升降杆3、升频电磁发电组件4，浮球1与摇杆2顶端刚性连接，摇杆2底端通过万向接头5连接升降杆3，浮球1内置有可滚动的驻极体滚动球6，浮球1内下表面设有金属极一7和金属极二8，升降杆3内置于升降套9内，升降杆3与升降套9之间设置有弹簧10，升降杆3上设有驱动永磁体组合11，升降套9下端连接升频电磁发电组件4，升频电磁发电组件4包括被驱动永磁体组合12、发电永磁体13、发电感应线圈14，驱动永磁体组合11与被驱动永磁体组合12磁力耦合连接，被驱动永磁体组合12机械传动连接发电永磁体13，并带动发电永磁体13转动，发电永磁体13对应设置有发电感应线圈14。

其中，浮球1内底部构造有环形轨道，金属极一7、金属极二8沿环形轨道交错阵列布置，金属极一7、金属极二8材料可选用金、银、铜或铝，驻极体滚动球6沿着环形轨道做旋转运动，并与金属极一7、金属极二8发生相对位移；驻极体滚动球6可选用氟化乙烯丙烯共聚物(fep：fluorinatedethylenepropylene)，并采用电晕充电法对其表面均匀施加电荷。升降杆3外侧沿母线对称设置有两条导轨，升降套9内侧设置有两条导轨槽，导轨与导轨槽配合连接，即导轨安装于升降套9内侧两条导轨槽内。

本发明中，驱动永磁体组合11包括永磁体一，永磁体一先沿圆周阵列分布，相邻永磁体一的磁极设置相反，再沿升降杆3圆柱母线线性阵列分布，相邻永磁体一的磁极设置相反；被驱动永磁体组合12包括永磁体二，永磁体二沿圆周阵列分布，且相邻永磁体二的磁极设置相反。可优选为，驱动永磁体组合11先圆周阵列四个永磁体一，再沿圆柱母线线性阵列若干个永磁体一，即驱动永磁体组合11包括圆周阵列的四个永磁体一以及沿升降杆3线性阵列的若干个永磁体一；被驱动永磁体组合12为圆周阵列的四个永磁体二，被驱动永磁体组合12设置在大齿轮15上部。

大齿轮15与小齿轮一16、转换方向齿轮17啮合连接，转换方向齿轮17与小齿轮二18啮合连接，小齿轮一16下方设有棘抓盘一19，小齿轮二18下方设有棘抓盘二20，棘抓盘一19、棘抓盘二20上均设有若干孔且均沿周向安装有若干棘抓21，棘抓21与棘轮22啮合连接，棘轮22安装在升降套9上，发电永磁体13固定在棘轮22的底板下侧，发电永磁体13在棘轮22的带动下转动，大齿轮15的齿数分别为小齿轮一16、小齿轮二18的齿数的10倍以上。

发电感应线圈14对称设置在安装板23上，安装板23设置在被驱动永磁体组合12上方，发电永磁体13按照海尔贝克圆周阵列固定在棘轮22的底板下侧。小齿轮一16、转换方向齿轮17、小齿轮二18分别通过小轴承24安装在安装板23上，并通过密封板一27、密封板二28进行密封，大齿轮15、棘轮22分别通过大轴承25安装在升降套9上，且外围罩设有密封套26，并通过密封套26进行密封，密封套26安装在安装板23下方。

如附图8和附图9所示，当适应复杂激励的无接触传动摩擦-电磁复合波浪能量采集器受到波浪激励，浮球1会发生摆动，由于浮球1下方摇杆2与万向接头5连接，浮球1可以在任意方向激励下产生摆动，从而浮球1内部的驻极体滚动球6会沿着浮球1底部的几何圆形轨道做旋转运动，与浮球1内部交错排布的金属极一7、金属极二8发生相对位移，驻极体滚动球6与金属之间会产生感应电势差，当电极外接负载电路时，电荷会在电路中流动平衡感应电势差，进而产生电能。金属极一7、金属极二8为栅栏式结构，具有升频作用，可以极大提高摩擦纳米发电机的机电转换效率。当波浪频率较低、强度较弱时，只有浮子1随波摆动，摩擦纳米发电机工作；当波浪频率较高，强度较强时，浮子1下方的摇杆2会带动升降杆3进行工作，驱动下方的电升频电磁发电组件4工作，从而形成摩擦-电磁单元复合发电。

升频电磁发电组件4的工作原理为：波浪激励浮球1进行摆动，通过升降杆3与升降套9上阵列驱动永磁体组合11和被驱动永磁体组合12形成磁力齿轮，进行无接触传动，将浮球1的不规则摆动转换为升降杆3竖直方向的往复运动，进而转换成大齿轮15的旋转运动。无接触传动可以减少摩擦，也使得大部分零部件容易封装，有利于恶劣海洋环境的应用。大齿轮15与小齿轮一16、转换方向齿轮17啮合传动，转换方向齿轮17与小齿轮二18啮合传动。由于小齿轮一16下方设有棘抓盘一19，小齿轮二18下方设有棘抓盘二20，通过棘爪盘上的棘抓21与棘轮22啮合，将齿轮的转动转换为棘轮盘的单向转动。大齿轮15的齿数为小齿轮一16和小齿轮二18的10倍以上，因此通过齿轮升频机制，将低频波浪激励转换为棘轮22高频单向转动，带动发电永磁体13单向高速转动，与发电感应线圈14产生相对运动，通过电磁感应发电。发电永磁体13为海尔贝克阵列排布，可以采用最少量的磁体产生最强的磁场，有利于电磁感应发电。由于圆周阵列多个永磁体，使得发电感应线圈14旋转一周可以产生多个磁激励，因此也具有升频效果。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。