振动能量收集装置及工作平台

1.本发明涉及振动能收集技术领域，尤其是指一种振动能量收集装置及工作平台。


背景技术：

2.振动能是一种普遍存在于自然界中的能量，以不同的形式、强度和频率存在于如建筑、桥梁、车辆以及大型机械设备、家用电器等生产和生活场合，或是动植物的生命活动中。真动能在持续时长和能量输出等方面相较于其他环境能源具有明显的优势。目前对于振动能量的收集主要有两种类型：一种应用于自然资源中的振动能量收集，将振动能量收集器搭载于机械振动平台上，通过平台的振动间接转换能量；另一种应用于自身产生振动运动的装置，如海上观测平台、汽车、机床等，通过振动能量收集器从装置的振动运动中直接获取能量。大部分直接获取能量的方式如直接机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动等，其装置的体积都相对较大，为了利于收集振动能量，间接转换能量的方式在应用上更为广泛。
3.间接转换能量通常通过将收集振动能的装置集成在各类机械工作平台中，如采矿机、大型机床、海洋浮标等设备平台。现有技术中，通常采用电磁式、压电式或纳米摩擦式进行换能发电。其中，电磁式振动能量收集器采用齿轮增速的方式实现低频环境振动向发电机的高频旋转转化，但是齿轮增速为接触式传动，故在传动的过程中能量损失较大，同时较大的传动比也会使得整个装置的体积过大，导致输出功率密度不高。压电式振动能量收集器采用末端附带质量块的悬臂梁结构，在低频振动激励作用以及惯性作用下由质量块带动自发振动，从而使压电材料的悬臂梁产生正负挠度变化，实现能量输出，但是悬臂梁固有频率较高，与环境振动频率契合程度低，故其前端需要相应的升频机制，其应用时存在一定局限性。纳米摩擦式振动能量收集器通过两种材料的表面相互接触、分离，实现电能输出，但是其受环境中振动频率较低、振动波形复杂的影响，两种材料接触和分离的运动频率较低，且材料间的摩擦容易使得整个装置的寿命较短。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中电磁式振动能量收集器一般采用齿轮增速实现低频环境振动向发电机的高频旋转转化，但是齿轮增速的方式为接触式传动，能量损失较大，较大的传动比也会增大装置体积，导致输出功率密度不高。压电式振动能量收集器一般采用末端附带质量块的悬臂梁结构实现能量收集，但悬臂梁固有频率较高，与环境振动频率契合程度低，环境适应性差，低频环境下输出功率低。纳米摩擦式振动能量收集器通过两种材料的表面相互接触和分离，实现电能输出。但是受环境低频振动影响，材料的接触和分离运动频率低，且材料的摩擦使能量收集器寿命较短的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种振动能量收集装置，包括：
6.壳体；
7.俘能机构，设置在所述壳体内，所述俘能机构包括俘能磁铁，所述俘能磁铁能够相
对所述壳体运动；
8.换能机构，设置在所述壳体内，所述换能机构包括换能支架、设置在所述换能支架内的换能磁铁和绕设在所述换能支架外的线圈，当所述俘能磁铁相对所述壳体运动时，所述换能磁铁相对所述换能支架翻转，所述换能磁铁的翻转轴延伸方向与所述俘能磁铁的运动方向之间的角度差≤45
°
。
9.在本发明的一个实施例中，所述换能机构还包括翻转支架，所述翻转支架上具有容纳所述换能磁铁的换能槽，所述翻转支架上设有翻转轴，所述翻转轴的两端连接所述换能支架。
10.在本发明的一个实施例中，所述翻转轴包括设置在所述翻转支架两侧的翻转支轴，两侧的所述翻转支轴的轴心对应。
11.在本发明的一个实施例中，所述换能槽位于所述翻转支架的两端，且两端的所述换能槽之间设有支撑部，所述翻转轴穿过所述支撑部与所述翻转支架连接，两端的所述换能槽内的换能磁铁相互吸附。
12.在本发明的一个实施例中，所述壳体上设有供所述换能支架插入的调节槽，所述换能支架通过所述调节槽调节其相对所述俘能磁铁的距离。
13.在本发明的一个实施例中，所述俘能机构还包括导杆和质量块，所述俘能磁铁设置在所述质量块上，所述质量块上具有供所述导杆穿过的通槽，所述质量块带动所述俘能磁铁沿所述导杆上下运动。
14.在本发明的一个实施例中，所述导杆的两端均连接所述壳体，所述导杆的两端均设有弹性件，所述弹性件均一端抵接所述壳体，另一端抵接所述质量块。
15.在本发明的一个实施例中，所述俘能机构还包括磁铁支架，所述磁铁支架设置在所述质量块上，限制所述俘能磁铁的运动。
16.在本发明的一个实施例中，所述换能机构包括多个，所述质量块的侧边具有供所述换能机构穿过的避涉槽。
17.本发明还提供了一种工作平台，其特征在于：包括上述的振动能量收集装置。
18.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
19.本发明所述的振动能量收集装置，结构简单，通过所述俘能磁铁与所述换能磁铁的相互吸引，以及所述俘能磁铁的往复运动，实现所述换能磁铁的高频翻转，从而实现了低频波浪激励至高频交流电的转换。
附图说明
20.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
21.图1是本发明中振动能量收集装置的整体结构示意图。
22.图2是如图1所示振动能量收集装置的部分结构示意图。
23.图3是如图1所示振动能量收集装置的部分结构示意图。
24.图4是如图1所示振动能量收集装置的部分结构示意图。
25.图5是如图1所示振动能量收集装置的部分结构示意图。
26.图6是如图1所示振动能量收集装置的部分结构示意图。
27.图7是如图1所示振动能量收集装置的部分结构示意图。
28.图8是如图1所示振动能量收集装置的部分结构示意图。
29.图9是如图1所示振动能量收集装置的部分结构示意图。
30.说明书附图标记说明：1、壳体；101、边框；102、中框；103、调节槽；2、俘能机构；201、俘能磁铁；202、导杆；203、质量块；204、弹性件；205、磁铁支架；3、换能机构；301、换能支架；302、换能磁铁；303、线圈；304、翻转支架；305、换能槽；306、翻转轴；307、支撑部；308、调节孔。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
32.实施例一
33.参照图1-9所示，本发明的振动能量收集装置，包括：壳体1；俘能机构2，设置在所述壳体1内，所述俘能机构2包括俘能磁铁201，所述俘能磁铁201能够相对所述壳体1运动；换能机构3，设置在所述壳体1内，所述换能机构3包括换能支架301、设置在所述换能支架301内的换能磁铁302和绕设在所述换能支架301外的线圈303，当所述俘能磁铁201相对所述壳体1运动时，所述换能磁铁302相对所述换能支架301翻转，所述换能磁铁302的翻转轴306延伸方向与所述俘能磁铁201的运动方向之间的角度差≤45
°
。其中，所述俘能磁铁201通过外部设备的振动产生运动，本实施例中，将其定义为沿所述壳体1的上下移动，所述换能磁铁302与所述俘能磁铁201垂直，即当所述俘能磁铁201在水平位置上位于所述换能磁铁302的中部时，所述换能磁铁302与所述俘能磁铁201不会产生相互吸附或排斥的现象。本实施例中，所述俘能磁铁201初始位置位于所述换能磁铁302沿水平方向的中部，且初始时将所述俘能磁铁201的上方定义为n极，下方定义为s极，所述俘能磁铁201接收到外部设备的振动产生沿所述壳体1的上下移动，当移动至所述换能磁铁302的上方时，所述换能磁铁302的n极朝向所述俘能磁铁201，在所述俘能磁铁201重新回到位于所述换能磁铁302沿水平方向的中部并朝所述换能磁铁302的下方移动时，所述换能磁铁302产生翻转使其s极朝向所述俘能磁铁201，且随着所述俘能磁铁201朝向所述换能磁铁302的下方继续移动，所述换能磁铁302产生一定角度的来回翻转，所述俘能磁铁201受惯性影响，在需要改变方向重新朝向所述换能磁铁302的上方移动时，其速度降低并在下方做短暂停留，所述换能磁铁302始终接收所述俘能磁铁201的吸引力，由于所述换能磁铁302本身处于翻转状态，故其产生高频的往复翻转运动，位于所述换能支架301外的线圈303切割所述换能磁铁302的磁感应线产生电能，从而实现低频波浪激励至高频交流电的转换。本发明的振动能量收集装置，结构简单，通过所述俘能磁铁201与所述换能磁铁302的相互吸引，以及所述俘能磁铁201的往复运动，实现所述换能磁铁302的高频翻转，从而实现了低频波浪激励至高频交流电的转换。
34.需要说明的是，本实施例中，所述俘能磁铁201由多个圆柱状磁铁片正负极吸附构成，同时可根据驱动力的大小和外界激励的大小，调节磁铁片的数量，以使所述俘能机构2达到能够直线运动的最低激励条件，所述换能磁铁302同样可由多个圆柱状磁铁片正负极吸附构成，通过改变数量改变升频的效率。本实施例中，优选地，所述换能磁铁302的翻转轴
306延伸方向与所述俘能磁铁201的运动方向相同，已获得较好的升频效率。
35.具体地，本实施例中，所述换能机构3还包括翻转支架304，所述换能支架301具有容纳槽，所述翻转支架304设置在所述换能支架301的容纳槽内，所述翻转支架304上具有容纳所述换能磁铁302的换能槽305，所述翻转支架304上设有翻转轴306，所述翻转轴306的两端连接所述换能支架301，更为具体地，所述翻转轴306的两端均设有轴承，且所述轴承预设在所述换能支架301上，所述翻转轴306通过所述轴承实现相对所述换能支架301的运动，所述翻转支架304的横截面与所述换能磁铁302的形状适配，本实施例中，所述翻转支架304的横截面为圆形。其中，所述翻转轴306包括设置在所述翻转支架304两侧的翻转支轴，两侧的所述翻转支轴的轴心对应，所述换能槽305为一贯通槽，从而能够容纳更多的所述换能磁铁302。该种设置方式受加工精度的影响无法保证所述换能磁铁302的外径与所述翻转支架304内径的一致性，可能会出现沿所述换能槽305贯通方向的移动，故本实施例中，所述换能槽305位于所述翻转支架304的两端，且两端的所述换能槽305之间设有支撑部307，所述翻转轴306穿过所述支撑部307与所述翻转支架304连接，一方面，所述翻转轴306采用长轴的方式替代所述翻转支轴的短轴方式，能够保证所述翻转轴306的轴心相同，从而提高所述换能磁铁302带动所述翻转支架304翻转时的精确度，另一方面，两端的所述换能槽305内的换能磁铁302能够相互吸附，避免了其轴向窜动。本实施例中，所述翻转支架304位于所述换能支架301靠近所述俘能磁铁201的一侧。
36.具体地，本实施例中，所述壳体1包括边框101和中框102，所述边框101设置在所述中框102的上下两端，所述边框101和中框102的横截面均呈圆形设置，以缩小整个设备的体积。所述中框102具有容纳空间，所述俘能机构2设置在所述中框102的容纳空间内，所述边框101朝向所述中框102的一面具有凸台，以使得边框101与所述中框102连接通过该凸台实现初定位。所述中框102内的侧面上设有供所述换能支架301插入的调节槽103，所述换能支架301通过所述调节槽103调节其相对所述俘能磁铁201的距离，从而调整出与振动频率相近或相同的固有频率。其中，所述换能支架301的横截面同样为圆形，所述调节槽103的内径与所述换能支架301的外径适配，所述换能支架301靠近所述调节槽103的一侧设有多个调节孔308，通过螺栓螺母经所述调节孔308实现所述换能支架301与所述中框102的连接，优选地，本实施例中，为了利于安装，所述中框102上具有安装槽，该安装槽自所述中框102的上方贯通至其下方且穿过所述调节槽103，以使螺栓能够自所述中框102的上方穿入经所述调节槽103和调节孔308后自所述中框102的下方穿出。
37.具体地，本实施例中，所述俘能机构2还包括导杆202和质量块203，所述俘能磁铁201设置在所述质量块203上，所述质量块203上具有供所述导杆202穿过的通槽，所述质量块203带动所述俘能磁铁201沿所述导杆202上下运动，其中，所述质量块203和导杆202为所述俘能磁铁201提供导向，使其能够沿一预定路径往复运动。所述导杆202上具有滑动轴承，所述质量块203通过滑动轴承与所述导杆202连接，以能够带动所述俘能磁铁201沿所述导杆202移动。更为具体地，本实施例中，所述导杆202的两端分别连接位于所述中框102上下两端的所述边框101，所述导杆202的两端均设有弹性件204，所述弹性件204均一端抵接所述边框101，另一端抵接所述质量块203，通过所述弹性件204，一方面能够对所述俘能磁铁201的运动进行一定程度的缓冲，另一方面，通过所述弹性件204能够压缩蓄能以辅助激励。本实施例中，所述弹性件204可为弹簧。优选地，本实施例中，所述质量块203包括两个，分别
设置在所述俘能磁铁201的上下两侧，本实施例中，所述质量块203可采用铜块。更为具体地，所述俘能机构2还包括磁铁支架205，所述磁铁支架205设置在所述质量块203上，限制所述俘能磁铁201的运动，所述磁铁支架205可为上下贯通的中空支架，且其横截面为圆形，以与所述俘能磁铁201对应，所述俘能磁铁201设置在所述磁铁支架205内，所述磁铁支架205的上下分别连接所述俘能磁铁201上下两侧的所述质量块203，从而更好的对所述俘能磁铁201相对所述质量块203的运动进行限制。优选地，本实施例中，所述导杆202可包括多个，且沿所述质量块203的中心阵列分布，以提高所述质量块203移动路径的精确度。优选地，所述换能机构3包括多个，所述质量块203的侧边具有供所述换能机构3穿过的避涉槽，即所述质量块203可呈十字型结构，以避免所述俘能磁铁201和质量块203上下运动时，与所述换能机构3干涉。
38.实施例二
39.本实施例还提供一种工作平台，包括实施例一所述的振动能量收集装置。
40.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。