一种涡卷弹簧驱动的间歇式能量收集器

本发明属于机械振动传动机构及能量转换，具体涉及一种涡卷弹簧驱动的间歇式能量收集器。

背景技术：

1、常见的振动源包括路面在车轮作用下的振动/变形能、人体运动能、建筑物的振动能等。收集这些振动能可有效缓解物联网时代的分布式能源需求。目前的振动能量收集手段主要包括压电式能量收集器、静电式能量收集器、电磁式能量收集器以及摩擦纳米发电机。与其他俘能方式相比，电磁式能量收集器因其结构简单、输出电流大、技术成熟度高而被广泛用于道路振动/变形能量的收集。路面在车轮作用下的振动/变形能大量存在于自然界中，但由于这种振动/变形能的振动幅度普遍在3毫米以内、振动频率极低、具有间歇性，不能满足大部分电磁式能量收集器的工作条件，因此很难被收集。目前，用于道路能量收集的大部分能量收集器通常被安置在减速带的下方。虽然减速带因其特殊作用能使振动幅度增加至10毫米，但是减速带所占路面面积并不多，所以路面上的大部分振动/变形能依旧无法被利用。除此之外，路面振动往往是间歇性的，因此能量收集器受到的激励也是间歇的，这严重影响了能量收集器的输出功率。

2、对于直线往复振动源，现有电磁式能量收集器的设计重点可以分为两部分，分别是将直线运动转换为旋转运动和将双向旋转运动转换为单向高速旋转运动。本发明中也涉及到这两部分传动机构。目前已知的此类传动机构主要有以下三种：

3、1、齿轮齿条加单向轴承。lin等人在《mechatronics》53(2018):277-286撰文的"efficient electromagnetic energy harvester for railroad transportation."(“铁路运输高效电磁能量收集器”《机电一体化》)，利用齿轮齿条加单向轴承设计了一种单轴机械运动整流器，将双向脉冲振动转化为速度相对稳定的单向旋转，简化了运动和力的传动。

4、2、棘轮棘爪。luo等人在《applied energy》279(2020):115762撰文的"aninertial rotary energy harvester for vibrations at ultra-low frequency withhigh energy conversion efficiency."(“一种用于超低频率振动的具有高能量转换效率的惯性旋转能量收集器”《应用能源》)，利用由棘轮棘爪构成的棘轮离合器系统，在两次冲击之间保持惯性旋转，能有效从超低频的振动中收集能量。

5、3、利用拨片。fan等人在《energy conversion and management》241(2021):114301撰文中的"an eccentric mass-based rotational energy harvester forcapturing ultralow-frequency mechanical energy."(“一种用于捕获超低频机械能基于质量的偏心旋转能量收集器”《能源转换与管理》)，利用一个双层悬臂拨子实现直线摆动转换为单向高速旋转运动。

6、然而，目前使用上述传动机构的能量收集器都需要持续性的外界激励，并且需要一定的振动幅度，故无法满足道路能量收集器的工作条件。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种涡卷弹簧驱动的间歇式能量收集器，利用单向轴承和齿轮齿条等机构将道路上的小振幅积累，并转换为转子的单向旋转运动，再利用涡卷弹簧的反作用力和棘轮棘爪系统实现转子的高速单向旋转，最终实现能量的有效转换。本发明在此类小振幅、低频率的间歇式能量收集领域具有良好的应用前景。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种涡卷弹簧驱动的间歇式能量收集器，包括第一转子和第二转子，所述第一转子有轴一端依次同轴连接有第一底座、第三深沟球轴承、第一齿轮齿条组合、第一单向轴承、第二齿轮齿条组合和第二单向轴承；

4、所述第二转子有轴一侧依次同轴连接有第二底座、第二深沟球轴承、棘爪、棘轮、第一深沟球轴承、棘轮外壳；

5、所述第一转子和第二转子无轴一侧同轴配对，两转子之间存在一定偏移，不相互接触；

6、所述第一单向轴承和第二单向轴承驱动方向同向放置；所述深沟球轴承嵌套于棘轮外壳上，深沟球轴承嵌套于第二底座上，深沟球轴承嵌套于第一底座上，深沟球轴承嵌套于第三底座上；

7、圆形磁铁对称放置在第一转子与第二转子的侧面，所述圆形磁铁在第一转子与第二转子的侧面背对设置，第一转子利用所述圆形磁铁带动第二转子单向旋转；

8、涡卷弹簧的内钩嵌套于涡卷弹簧外壳上，外钩嵌套于第二底座上，外钩固定，内钩随着第二转子的旋转一起运动，使涡卷弹簧顺时针拧紧；

9、环绕棘轮外侧设置方形磁铁，方形磁铁是实现发电单元的一部分；

10、线圈均匀分布于棘轮外壳侧面一圈，是实现发电单元的另一部分，用于与棘轮上分布的方形磁铁进行耦合。

11、所述第一底座上半部分有第一通孔，第一通孔与第一转子第一伸出轴部分同轴；所述第三深沟球轴承嵌套在第一通孔内；所述第一齿轮齿条组合中的齿轮正中心有第二通孔，且与第一转子第一伸出轴同轴；所述第一单向轴承嵌套于第一齿轮齿条组合的第二通孔；所述第二齿轮齿条组合的齿轮正中心内部有第三通孔，第三通孔与第一转子第一伸出轴同轴；所述第二单向轴承嵌套于第三通孔内部；所述第三底座上半部分中心位置有第四通孔，第四通孔与第一转子第一伸出轴部分同轴；所述第四深沟球轴承嵌套于第四通孔内部。

12、所述第二转子包括第二转子的伸出轴，第二转子的伸出轴部分的轴顶端内部有一圆柱形凹槽；所述第二底座的上半部分正中心有第五通孔，第五通孔与第二转子伸出轴同轴；所述第五通孔内嵌套第二深沟球轴承；所述棘爪有齿轮一侧嵌套于第二转子伸出轴的凹槽内部；所述棘轮正中心内部有第六通孔；所述第一深沟球轴承内部嵌套于棘轮外壳的圆柱形凸台，外部嵌套于棘轮的第六通孔。

13、所述棘轮外壳的底面，第二底座、第一底座、第三底座的底面都位于同一水平面上；

14、所述第一转子的第一伸出轴依次与第三深沟球轴承、第一单向轴承、第二单向轴承、第四深沟球轴承过盈配合；所述第二转子的伸出轴部分与第二轴承过盈配合。

15、所述第一转子包括第一圆盘、第一伸出轴、第一圆形凹槽、第二圆形凹槽、圆环、第一方形凹槽、第二方形凹槽；所述第一圆盘和第一伸出轴固定连接，第一伸出轴位于第一圆盘的中心处；所述第一圆形凹槽和第二圆形凹槽对称分布于第一圆盘的两端；所述圆环固定在第一伸出轴上；所述第一方形凹槽和第二方形凹槽分布于第一伸出轴的表面，用于单向轴承与伸出轴的平键连接；所述通孔径向穿过第一伸出轴部分。

16、圆形磁铁对称放置在第一转子的第一圆形凹槽、第二圆形凹槽内，第二转子的第三圆形凹槽、第四圆形凹槽内。

17、所述第二转子部分包括第二圆盘和放置涡卷弹簧的外壳，两者之间用销钉固定；所述第二圆盘上对称分布第三圆形凹槽和第四圆形凹槽；所述放置涡卷弹簧的外壳包括小圆盘、第二伸出轴、通孔、凸台、圆环和第五圆形凹槽；所述凹槽在第二圆盘内部，此凹槽用于放置非接触式平面涡卷弹簧的圆环；所述凸台总体为圆柱形，中心分布有十字形凹槽，非接触式平面涡卷弹簧嵌套在凸台的十字形凹槽内部；所述圆环嵌套固定在第二伸出轴上；所述第五圆形凹槽分布于伸出轴不与第二圆盘连接的另一端内部，用来与棘爪固定连接。

18、涡卷弹簧内钩嵌套于涡卷弹簧外壳的圆柱形凸台的凹槽内，外钩嵌套于第二底座的圆柱形凸台上，外钩固定，内钩随着第二转子的旋转一起运动，使涡卷弹簧顺时针拧紧；

19、销钉插入涡卷外壳的通孔，并相对应插入第二转子第二圆盘的通孔，用于涡卷外壳与第二转子第二圆盘的固定连接。

20、所述第一底座和第三底座结构相同，所述第一底座包括竖直放置的半圆盘一和位于底部水平放置的长方体二，所述半圆盘一包括第一通孔，第一通孔与第三深沟球轴承嵌套；

21、所述第一齿轮齿条组合和第二齿轮齿条组合结构相同，所述第一齿轮齿条组合包括齿轮一、齿条二、通孔；所述齿条二竖直放置；所述齿轮一与齿条二啮合；所述通孔与单向轴承嵌套。所述通孔位于齿轮一内部；

22、所述第二底座包括竖直放置的半圆盘二和位于底部水平放置的长方体二，所述半圆盘二表面开有第五通孔，位于第五通孔一侧设置两个圆柱形凸台，所述两个圆柱形凸台分布于半圆盘二上，与第二转子相对；所述第五通孔与第二深沟球轴承嵌套。

23、所述棘爪包括菱形盘，菱形盘同轴连接小齿轮，且固定连接于菱形盘的一侧，小通孔一贯穿菱形盘正中心和小齿轮正中心；位于菱形盘的两个锐角端分布小通孔二和小通孔三，所述小通孔二和小棘爪一过盈配合，小通孔三和小棘爪二过盈配合，小棘爪一、小棘爪二与棘轮啮合。

24、所述棘轮主体形状为圆柱体，包括若干个方形小凹槽、第六通孔、内啮合式棘轮内壁；所述若干个方形小凹槽均匀分布在棘轮圆周，用于放置若干个一模一样的方形磁铁；所述第六通孔位于棘轮正中心；所述内啮合式棘轮内壁与棘爪进行啮合。

25、方形磁铁均匀嵌入棘轮的凹槽中，是实现发电单元的一部分。

26、所述棘轮外壳包括圆环形外壳、圆环形外壳、若干个圆柱形小凸台、若干个小通孔、1个凸台、底座；所述若干个圆柱形小凸台均匀分布在圆环形外壳的内圈，用于放置缠绕好的圆柱形线圈；所述若干个小通孔均匀分布于圆环形外壳上，用于连接两个线圈；所述1个凸台由三个直径不同的圆柱体固定形成；所述底座由半圆盘和长方体构成；

27、线圈均匀分布于棘轮外壳的内圈上，并嵌套在棘轮外壳的圆柱形凸台上，是实现发电单元的另一部分，用于与棘轮上分布的方形磁铁进行耦合。

28、所述第一转子的伸出轴的第一方形凹槽和第二方形凹槽用平键连接的方式进行连接。

29、所述深沟球轴承嵌套于棘轮外壳的圆柱形凸台上，深沟球轴承嵌套于第二底座的第五通孔上，深沟球轴承嵌套于第一底座第一通孔上，深沟球轴承嵌套于第三底座第四通孔上。

30、本发明的有益效果：

31、(1)本发明可以将往复直线振动转换为高速单向转动，可以在多种运动转换场合下使用。

32、(2)本发明基于涡卷弹簧，利用传动机构对小振幅、低频率的间歇式振动能量进行累积，直至能驱动棘轮高速旋转，不受工作谐振条件的限制，在道路能量收集领域具有良好的应用前景；

33、(3)本发明使用棘轮棘爪机构将双向运动转换为单向运动，且在两次冲击间隙能保持惯性高速旋转，从而显著提升了电磁式能量收集器的能量转换效率和输出功率。

34、(4)本发明相较于目前现有道路能量收集器，结构较为简单，且实现较容易。