专利名称：微型高效水波能获取装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水波能获取装置，尤其是一种把水面波浪动能转换成电能的微型高效能量获取装置。
背景技术：
无线传感器网络将向天、空、海、陆、地一体化综合传感器网络的方向发展，无线传感器网络与互联网的融合是下一代物联网的发展方向。无线传感器网络将最终成为现实世界和数字世界的最优接口。地球村的梦想，期待无线传感器网络技术的不断成熟和应用的日益广泛而成为现实。因此，无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。
但是，无线传感器网络与传统的无线网络不同，无线传感器网络中的节点带宽、内存等资源更为匮乏，尤其是其有限的能量资源直接影响传感器网络的生命周期以及网络的信息质量。由于传感器节点的能量通常很难得到补充，因此，就无线传感器网络的能量利用问题，形成了无线传感器网络技术的两大研究主流。一种是以节约已有的有限的能量资源为主的研究方向，在能量有限的前提下，讨论如何提高有限能量的利用率，如研究单个节点的节能优化，通过设计低功耗硬件、通过动态电源管理等措施降低能耗，再如研究通信协议层的节能机制，通过休眠等待、低耗路由、数据融合及功率控制等措施。这些措施的综合应用，能够有效地利用节点有限的能量，以延长网络的生命周期。这对于要求传感器节点微型化、成本低廉、生命周期不长的无线传感器网络是非常重要的。但对于要求生命周期较长，如数年、数十年甚至更长的无线传感器网络，就必须从根本上解决能量的补充问题。因此，形成了另一种是以能量补充为主的研究方向，主要讨论如何利用太阳能、风能、地热能等自然能或其它形式的能对传感器节点实施能量补充。这就保证了传感器网络的生命周期以及网络的信息质量。
目前，虽然利用太阳能、风能、地热能等自然能的技术很多，然而，由于无线传感器网络节点要求体积小、重量轻、成本低。这就要求与之配套的节点能量获取装置也必须是超微型结构。如何设计制造体积厘米级以下的超微型能量获取装置以高效地获取环境能量是该领域研究的热点问题和难点问题。
本发明是在国家自然科学基金项目、科技部创新基金项目及重庆市自然科学基金项目、重庆市科技攻关项目的联合支持下，开展“基于无线传感器网络的三峡库区水环境监系统”等相关课题的研究。为了充分利用三峡水库的水波能资源，解决三峡库区水环境监网络的节点能量补给问题，提出了这种微型高效水波能获取装置。
通过调研及查阅大量的文献资料表明以水面波浪为动力的发电装置早已出现， 如已公布的水波浮力发电装置O00510043912. 8)，其技术方案是借鉴目前液压驱动发电技术的部分优势，结合水波浪的特点提出的。它包括发电机、液压马达、油箱、高压输油管、低压回油管和液压油泵连接后装置在平台上组成。多个液压油泵间隔联接固定在浮力平台的周边，并依次与联接固定在周边的高压输油管和低压回油管并行连接，在每个液压油泵的加力轴上分别联接固定有连杆，每根连杆的外端联接固定有浮球或浮筒。为了防止平台被大风浪淹覆，平台采用浮力平台，平台周边设有联接固定拉绳，防止平台任意漂移；再如已经公布的高效水波发电机O00910158119. 0)，其特点是有一种浮板通过转轴与底板相铰链，底板上面通过支架支撑一套传动机构，传动机构有一支一端铰链在浮板上，另一端两侧分别装有齿条的推杆，两条齿条各与一个双向齿轮相啮合，两个双向齿轮各通过一支传动轴固连一个同步齿轮，各传动轴上均通过轴承装有单向齿轮，同步齿轮通过千斤爪与单向齿轮保持间歇传动，两个单向齿轮与一个输出齿轮相啮合，输出齿轮与发电机相联系；还有许多专利是利用海浪的发电装置。它们的共同特点都是利用水波能进行发电。
通过对现有的水波能发电技术的研究可知，现有的水波能获取装置多采用水波转换成机械动力驱动发电机运转以产生电能，这种水波能获取装置设备庞大，技术复杂，成本高，只适合于水波能丰富的水域。而在一些只需要微小电能补给的应用场所，如库区水环境监测无线传感器网络的节点能量补给、河道航标灯及导航器的能量补给、水文监测点的能量补给等，只需功率很小的发电装置即可，且要求水波能获取装置的体积小、成本低。因此，现有的水波能获取装置不能满足这种应用需求。
为此，发明了一种专门用于微电子低功耗电子设备供能的微型水波能采集装置， 该装置具有水波能采集效率高、无机械磨损、体积微小、重量轻、成本低等特点。可有效满足水面、河道、库岸的低功耗电子设备水波能采集应用需求，特别适用于水域及其附近的无线传感器网络节点的能量补给，具有广泛的应用前景。
本发明的出现，为开发利用水波能资源，构建一种具有长效机制的新型传感器网络，由此彻底解决现有节点的能量有限问题以延长网络生存时间，进而解决因节点能量有限问题而引起的网络信息质量问题，这将为大规模传感器网络的发展提供理论和技术支撑，具有重要的理论价值和实用价值。发明内容
本发明的目的在于克服上述现有水波能获取装置的不足，提供一种微型水波能获取装置。本发明主要采用惯性式电磁感应原理，通过电磁铁与感应线圈在水波能作用下的上下相对运动，将水波能转换为电能，并储存在蓄电池或超级电容中，以实现对微电子低功耗设备及无线传感器网络节点的电能补给。
本发明在设计制作时，采用了新材料和新工艺电磁铁采用高性能烧结钕铁硼磁体，以提供最大磁通密度；线圈采用细铜丝密绕数匝，以提高有效匝数，最终实现水波能获取装置的微型化封装。该水波能获取装置不再采用传统的机械传动装置，不再存在机械磨损，从而使其能量转换效率大大提高、故障率大大降低、整体寿命延长、体积和重量以及制造成本大大降低。
为了实现上述发明的目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下
本发明所涉及的微型高效水波能获取装置，其基本组成框图如图1所示主要由外壳底座1、微型线圈空心骨架2、微型电磁感应线圈3、骨架底4、下弹簧5、微型电磁铁6、 上弹簧7、骨架顶8、微型整流器及电路板9、微型电能储存器10、外壳顶盖11组成。
外壳底座1，由轻质防水防腐材料制成，外壳的外形圆柱体，其底盘为圆盘状结构， 能托起微型线圈空心骨架2、微型电磁感应线圈3、骨架底4、下弹簧5、微型电磁铁6、上弹簧7、骨架顶8、微型整流器及电路板9、微型电能储存器10、外壳顶盖11漂浮在水面上，随着水波的波动而上下振动；外壳底座1的边缘设有联接固定拉绳，以防止其任意漂移。
微型线圈空心骨架2，由绝缘塑料制成，用于绕制微型电磁感应线圈3。
微型电磁感应线圈3绕制在微型线圈空心骨架2上，微型电磁感应线圈3采用细铜丝密绕数匝，以提高有效匝数，起到减小体积和提高转换效率的作用。
骨架底4，由绝缘塑料制成，骨架底4的下底面联接固定在外壳底座1上，上底面与微型线圈空心骨架2的下底面粘接联接固定；骨架底4上底面的中心部位联接固定下弹簧 5的下端。
下弹簧5的上端与微型电磁铁6的下端联接固定。
微型电磁铁6采用高性能烧结钕铁硼磁体，以提供最大磁通密度，起到减小体积和提高转换效率的作用。
上弹簧7的下端与微型电磁铁6的上端联接固定；上弹簧7的上端与骨架顶8下底面的中心部位联接固定。
骨架顶8，由绝缘塑料制成。骨架顶8下底面与微型线圈空心骨架2的上顶面粘接联接固定；骨架顶8下底面的中心部位联接固定上弹簧7的上端。
微型整流器及电路板9，PCB电路板上安装焊接四个肖特基二极管构成桥式整流器，PCB电路板上的微型整流器有交流电源输入端(二个接点)，分别与微型电磁感应线圈 3的二个线端联接；微型整流器的另一端有直流电源输出端(一个正接点和一个负接点)， 分别与微型电能储存器10的二个线端(一个正接点和一个负接点)联接。微型整流器及电路板9连接固定于骨架顶8的上顶面。
微型电能储存器10，采用超薄型高功率蓄电池或超级电容器，将其正、负电极与微型整流器及电路板9的正、负电极对应相联。微型电能储存器10与电路板9联接固定。
外壳顶盖11，由轻质防水防腐材料制成，与外壳底座螺纹连接，并采用防水密封。
微型高效水波能获取装置的外壳剖视图如图2所示外壳剖视后，能看到内部安装的微型线圈空心骨架2、微型电磁感应线圈3、骨架底4、骨架顶8、微型整流器及电路板9、 微型电能储存器10的形状及相对位置和连接关系。
微型线圈空心骨架2的半剖视图如图3所示半剖视后，能看到内部安装的骨架底4、下弹簧5、微型电磁铁6、上弹簧7、骨架顶8的部分形态及相对位置和连接关系。
微型高效水波能获取装置的电器联接电路图如图4所示微型电磁感应线圈3的二个线端与微型整流器的交流电源输入端(二个接点)联接；微型整流器的另一端的直流电源输出端(一个正接点和一个负接点)，分别与微型电能储存器10的二个线端(一个正接点和一个负接点)联接。
本发明的基本工作原理如下
微型高效水波能获取装置，有轻质防水防腐材料制成的外壳，能承载所容器件并可漂浮在水面上，在水波浪的作用下，上、下振动。其中的微型电磁铁6，因为是通过下弹簧5、上弹簧7与微型线圈空心骨架2成柔性连接，微型电磁铁6将在惯性的作用下，与微型电磁感应线圈3产生相对运动。根据电磁感应原理，将在微型电磁感应线圈3的两端产生交变的感生电动势，若联接负载将产生感生电流。该感生电动势通过微型整流器9将交流电转换成直流电，以实现对微型电能储存器10的充电。
根据电磁感应定律，线圈和磁铁间相对运动时，线圈产生的感应电势大小为 e = BCNv
式中B为空气隙磁通密度，C为每匝线圈的周长，N为线圈处于空气隙磁场中的匝数，也称为有效匝数，ν为沿轴线方向线圈与磁铁的相对运动速度。
当结构选定之后，式中的B、C、N均为常数，线圈的感应电势仅与相对运动速度ν成正比。其发电系数S为s = e-ν
易知S = BCN
为了得到尽可能高的发电灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的空气隙长度，以提高空气隙磁通密度B的数值，或者选择大的线圈周长C和提高有效匝数N。
微型整流器采用肖特基二极管构成桥式整流器，主要利用肖特基二极管的管压降较低的特点，以提高整流效率。
本发明专利具有以下特点
1、外壳由轻质防水防腐材料制成，外壳的外形圆柱体，其底盘为圆盘状结构，能托起微型线圈空心骨架2、微型电磁感应线圈3、骨架底4、下弹簧5、微型电磁铁6、上弹簧7、 骨架顶8、微型整流器及电路板9、微型电能储存器10、外壳顶盖11漂浮在水面上，随着水波的波动而上下振动；外壳底座1的边缘设有联接固定拉绳，以防止其任意漂移。
2、本发明，采用了新材料和新工艺电磁铁采用高性能烧结钕铁硼磁体，以提供最大磁通密度；线圈采用细铜丝密绕工艺，以提高有效匝数。采用微细精密加工技术和微型化封装技术，以提高能量转换效率，最终实现水波能获取装置的微型化。该水波能获取装置不再采用传统的机械传动装置，不再存在机械磨损，从而使其能量转换效率大大提高、故障率大大降低、整体寿命延长、体积和重量以及制造成本大大降低。
3、本发明，采用肖特基二极管构成桥式整流器，主要利用肖特基二极管的管压降较低的特点，以提高整流效率。
图1微型高效水波能获取装置基本组成原理框图。
图2微型高效水波能获取装置的外壳剖视图。
图3微型线圈空心骨架2的半剖视图。
图4微型高效水波能获取装置的电器联接电路图。
具体实施方式
实施例1 采用惯性动铁式电磁感应模式的微型高效水波能获取装置，通过电磁铁与感应线圈的弹性连接，在水波的作用下，使电磁铁因惯性与线圈产生相对运动而形成感生电动势，把水波能转换成电能，参见图2、图3。惯性动铁式电磁感应模式的水波能转换装置，主要包括由外壳底座1、微型线圈空心骨架2、微型电磁感应线圈3、骨架底4、下弹簧 5、微型电磁铁6、上弹簧7、骨架顶8。
实施例2 采用惯性动圈式电磁感应模式的微型高效水波能获取装置，其基本原理实施例1相同，主要区别在于惯性动圈式电磁感应模式是利用线圈及线圈质块一起的惯性作用而随水波与磁缸产生相对运动。
权利要求
1.微型高效水波能获取装置，其特征在于由外壳底座1、微型线圈空心骨架2、微型电磁感应线圈3、骨架底4、下弹簧5、微型电磁铁6、上弹簧7、骨架顶8、微型整流器及电路板 9、微型电能储存器10、外壳顶盖11组成。
2.根据权利要求1所述的微型高效水波能获取装置，其特征在于外壳底座1，由轻质防水材料制成，外壳的外形圆柱体，其底盘为圆盘状结构，能托起微型线圈空心骨架2、微型电磁感应线圈3、骨架底4、下弹簧5、微型电磁铁6、上弹簧7、骨架顶8、微型整流器及电路板9、微型电能储存器10、外壳顶盖11漂浮在水面上，随着水波的波动而上下振动；外壳底座1的边缘设有联接固定拉绳，以防止其任意漂移。
3.根据权利要求1所述的微型水波能采集装置，其特征在于微型高效水波能获取装置，有轻质防水材料制成的外壳，能承载所容器件并可漂浮在水面上，在水波浪的作用下， 上、下振动。其中的微型电磁铁6，因为是通过下弹簧5、上弹簧7与微型线圈空心骨架2成柔性连接，微型电磁铁6将在惯性的作用下，与微型电磁感应线圈3产生相对运动。根据电磁感应原理，将在微型电磁感应线圈3的两端产生交变的感生电动势，若联接负载将产生感生电流。该感生电动势通过微型整流器9将交流电转换成直流电，以实现对微型电能储存器10的充电。
4.根据权利要求1所述的微型水波能采集装置，其特征在于可采用惯性动铁式电磁感应模式，也可以采用惯性动圈式电磁感应模式。
全文摘要
一种水波能获取装置，属于一种把水面波浪动能转换成电能的微型高效能量获取装置。主要由外壳底座1、微型线圈空心骨架2、微型电磁感应线圈3、骨架底4、下弹簧5、微型电磁铁6、上弹簧7、骨架顶8、微型整流器及电路板9、微型电能储存器10、外壳顶盖11组成。其目的在于利用由于航运或者河风等因素激励起的较强水波，水波能激励微型高效水波能获取装置上下波动，在惯性的作用下，使其微型电磁感应线圈3与微型电磁铁6产生相对运动而切割磁力线做功，进而产生感生电动势，实现水波能到电能的转换。该装置体积微小、重量轻，成本低，可有效满足水域及其附近的传感器节点能量补给应用需求，具有广泛的应用前景。
文档编号H02K35/02GK102497079SQ20111043376
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者丁漩, 仲元昌, 刘昊灵, 杨柳, 王帆, 王恒, 贾年龙, 赵贞贞, 闫河, 陈锋, 鲁银枝, 黄旭 申请人:重庆大学