[发明专利]一种电磁式俘能器

说明书

本发明属于可再生能源和微小型发电技术领域，尤其涉及一种将振动、直线往返运动转换为旋转运动的两自由度电磁式俘能器，该装置，其特征是：至少包括底座、转子、顶盖、弹簧、线绳、磁铁、线圈、径向轴承、铁磁性贴片；径向轴承与圆柱形轴固定连接；转子与径向轴承的外圈固定连接；弹簧的两端分别与顶盖和底座固定连接以支撑顶盖上下运动；若干组磁铁固定在转子上；两块铁磁性贴片固定在圆柱筒的外圆柱面上；当外部激励作用在顶盖时，线绳将驱动转子旋转，固定在转子的磁铁与线圈产生相对运动，通过电磁感应原理持续输出电能；该俘能器具有输出功率大、工作频带宽、不受放置方向影响、应用范围广等特点。

技术领域

本发明属于可再生能源和微小型发电技术领域，尤其涉及一种将振动或直线往返运动转化为旋转运动的电磁式俘能器，可将环境中的机械能转换成电能为便携式电子设备、空气质量监测装置、无线传感器等低功耗器件供电。

背景技术

近些年，随着微细加工技术及电子设备微小型化的快速发展，可穿戴电子设备、隧道和桥梁状态监测设备等低功耗电子器件不断涌现。目前，这些器件主要依赖传统的电池供电，但电池存在对环境污染大、需要定期更换、成本高昂等缺点。因而，寻找一种新的能源来代替传统电池为低功耗电子器件供电成为一个重要的研究领域。一个理想的能源解决方案是俘获环境中蕴藏的各种形式的可再生能源（太阳能、风能、潮汐能、机械能等），并将其转换为可供微小型电子设备使用的电能。

在各种可再生能源中，太阳能、风能、潮汐能等的收集容易受到时间、天气和地形等因素的影响。相比而言，机械能在自然界中分布广泛，易于收集，成为了现有俘能发电装置的主要能源收集对象。机械能转换为电能的主要原理有电磁感应、压电效应、静电感应、摩擦起电。

典型的电磁式俘能器如Kangqi Fan, Qinxue Tan, Haiyan Liu, Meiling Cai,Hengheng Qu在《Smart Materials and Stuctures》2019, 28 : 07LT01撰文:

“Harvesting energy from twisting vibration of a rotor suspended by apiece of string”（“从线绳悬挂转子的扭摆振动中收集能量”《智能材料与结构》）。该文设计的俘能器采用线绳将转子悬挂在顶盖和底座之间，并用弹簧支撑顶盖上下运动。当外界激励作用于顶盖时，线绳驱动转子扭摆振动。转子的扭摆振动导致转子内嵌入的磁铁与底座上的线圈产生相对运动，从而通过电磁感应原理产生电能。该俘能器的主要缺点是转子的扭摆角度和速度都偏小、输出功率低。

典型的电磁式俘能器如Kangqi Fan, Meiling Cai, Fei Wang, Lihua Tang,Junrui Liang, Yipeng Wu, Hengheng Qu, Qinxue Tan在《Energy Conversion andManagement》2019,198:111820撰文“Astring-suspended and driven rotor forefficient ultra-low frequency mechanical energyharvesting”（“用于高效超低频机械能收集的线绳悬挂和驱动的转子”《能量转换与管理》）。该文设计了一种将振动或直线往返运动转化为旋转运动的电磁式俘能器，通过线绳将拖拉运动转换为转子的高速旋转运动，从而基于电磁感应原理产生电能。该俘能器具有单自由度特性，因而工作频率范围较窄。

在上述俘能器中，转子与筒壁间存在碰撞、摩擦，能量损耗大，降低了输出功率；并且，上述俘能器只有在竖直安装的情况下才能工作，应用范围有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有俘能技术的不足，提供一种成本低、易加工、使用方式灵活、结构尺寸小、可将环境中的超低频振动、直线往返运动转换为高速旋转运动的电磁式俘能器。