一种多用途可调频电磁发电机

本发明属于新能源与自供电，具体涉及一种多用途可调频电磁发电机，用于载运工具运行及波浪引起的振动能、风与水流等流体动能收集，进而构造自供电的健康监测与定位跟踪系统。

背景技术：

1、车辆与船舶等运载工具的结构健康监测与定位跟踪、海洋潮汛监测、森林与草原等环境监测等在现实生活中已得到广泛应用，为各类运载工具的行驶安全、野外救援以及人员失联搜救、防灾减灾等提供了有力的保障。为实现各类智能系统的自供电与免维护，人们开始研究基于环境能量收集的自供电发电机。从发电原理方面，目前技术较成熟的发电机主要有压电、电磁及摩擦式三大类；从能源形式上，主要有旋转发电机、振动发电机及流体发电机。虽然用于能量收集的发电机已有多年的研究历史，但从实际应用的角度依然有较多的技术瓶颈急需解决，集中体现在一下几方面：①发电能力及单位体积能量密度较低；②环境适应性差与频率可调，尤其是对较低振动频率与较大振动强度等的适应能力差；③可靠性低，包括结构强度及工作过程两个方面；④功能单一，仅适于单一能量收集，等等。从可靠性与能量效率方面，电磁发电机在优势明显、更具应用潜力，但因其低频性能差，主要用于构造旋转式、尤其是高速旋转发电机，在振动及流致振发电方面应用的较少，其主要原因是磁铁-线圈平动过程中所引起的穿过线圈的磁通量变化率低。

技术实现思路

1、本发明的一种多用途可调频电磁发电机，由机架、机盖、摆销、摆梁、定摆壳、动摆壳、调频块、滑块、调频簧索、驱动簧索、磁滚、线圈和电控板构成，电控板上设有能量收集与能量管理单元、信息处理与发射单元，电控板经螺钉安装在机架内。

2、机架由两个半壳经顶板、底板及侧梁连接而成，两个半壳的壳侧壁与顶板、底板围城机架腔，侧梁位于顶板与底板之间，侧梁位于机架腔内；每个半壳上都设有电控腔、磁滚腔及线圈腔；磁滚腔与其上下一侧或上下两侧的线圈腔构成换能器腔组，电控腔上下两侧对称地设有换能腔组；电控腔、磁滚腔和线圈腔的端口朝向一致，电控腔、磁滚腔和线圈腔的端口所在腔端面与壳侧壁平行；壳侧壁上设有滚轴孔和摆销孔，每个壳侧壁上都设有一组滚轴孔和一个摆销孔，壳侧壁上的滚轴孔和摆销孔为通孔，机架腔与磁滚腔和电控腔分别经滚轴孔和摆销孔连通。

3、机盖上设有滚轴腔，机盖上的滚轴腔为盲孔，机盖上的滚轴腔的数量与半壳上的滚轴孔的数量相等。

4、摆梁的两端分别设有摆销套和滑槽，滑槽沿摆梁的长度方向设置，摆销套的轴线与摆梁垂直。

5、定摆壳为半圆柱形壳体，由定壳壁、壳座套和定壳底构成，定壳底位于定壳壁的两端，定壳底上设有凸台，定壳底与凸台同心，两个定壳底上的凸台相对安装；壳座套位于定摆壳壁的外缘上，壳座套上设有座孔。

6、动摆壳由动壳壁与其两端的动壳底构成，动摆壳为扇形圆柱壳体，即动壳壁的横截面及动壳底为扇形结构。

7、两个动摆壳经螺钉安装在定摆壳上与定摆壳共同构摆壳，动壳底经螺钉安装在定壳底上，两个动摆壳相对定壳壁沿圆周方向对称配置，两个动摆壳间的夹角、即两个动壳壁间远离定壳壁的夹角为壳夹角，壳夹角在0~180度范围内可调，壳夹角为零时摆壳为封闭的圆柱壳体，壳夹角为180度时两个动摆壳与定摆壳在圆周方向上完全重叠。

8、磁滚由滚套和磁芯构成，磁芯被套在滚套内；滚套的两端分别设有短轴和长轴，长轴设有环槽，或长轴端部安装有链轮；短轴、长轴、滚套及磁芯同轴；滚套由非铁磁性材料制成；磁芯为柱状永磁铁，磁滚、即磁芯的磁极沿径向磁滚的径向排列。

9、调频簧索和驱动簧索均为由拉簧和绳索串接而成的非线性弹簧, 调频簧索由调频簧和调频索串接而成，驱动簧索由驱动簧和驱动索串接而成；驱动索和调频索为线、丝、带或链等非弹性柔性体，驱动索和调频索不具伸缩性。

10、本发明中，除了磁芯外，其他器件均有非铁磁性材料制成。

11、机盖安装在机架的腔端面上，两个半壳的腔端面上都经螺钉安装有机盖； 机盖将磁滚和线圈分别封装在磁滚腔和线圈腔中，机盖将线圈压接在线圈腔中，线圈固定不动；磁滚轴端分别机盖和机架上，磁滚的轴端从半壳中伸出至机架腔中；磁滚的短轴和长轴分别置于机盖的滚轴腔和机架的滚轴孔中，长轴经滚轴孔伸出并进入机架腔中，磁滚可以自由滚动; 磁滚和与其相邻的线圈构成换能器，磁滚的轴线与线圈的轴线垂直；两个相邻的磁滚之间无耦合作用或耦合作用力较弱，两个相邻的磁滚之间的磁耦合力远远小于激励簧索j所提供的常规驱动力。

12、摆梁经摆销安装在机架腔内，摆梁的摆销套套在摆销上，摆梁可绕摆销往复摆动；调频块和滑块经螺钉安装的摆梁上，调频块和滑块的固定点沿摆梁长度方向可调，滑块位于摆梁的滑槽中；摆壳经螺钉安装在摆梁的自由端，定摆壳经螺钉安装的摆梁的自由端，定摆壳的壳座套套在摆梁的自由端并经螺钉固定。

13、摆梁上下两侧经调频簧索分别与顶板和底板连接，调频簧端与摆梁相连，调频簧索与摆梁、顶板及底板的固定点位置、调频簧索与摆梁间的夹角及调频簧索的拉伸量可调；调频簧索两端均经滑块与摆梁、顶板及底板相连，改变滑块的安装位置即可改变调频簧索与摆梁间的调频角及等效刚度，改变调频簧索拉伸量或自然长度即可改变调频簧索的等效拉力；如，调频簧索的一端经滑块与摆梁连接、另一端与顶板或底板固定连接时，改变滑块在摆梁上的位置即可改变调频角、等效刚度及拉力；调频簧索的自然长度是指调频簧索不受拉力作用时两端点间的距离；顶板和底板上安装有滑块时，顶板和底板上均设有滑槽。

14、摆梁上下两侧经驱动簧索分别与机架的侧梁连接，驱动簧和驱动索分别与侧梁和摆梁相连接，驱动索依次与各个磁滚的长轴缠绕或与长轴上的轮齿啮合传动动力，驱动索置于环槽中，驱动索与摆梁的固定点位置可调；驱动索为丝线、如钨丝或钼丝时，驱动索在环槽中缠绕多圈已增加摩擦力；驱动索为带或链条时，环槽处安装有带轮或链轮；驱动索的预拉伸量可调，驱动簧不与磁滚接触。

15、本发明中，摆梁、定摆壳、动摆壳、调频块、滑块、调频簧索及驱动簧索构成激励器，激励器的固有频率即为发电机的固有频率；通过调频簧索与摆梁间的夹角、调频簧索两端点的固定位置及调频簧索的预拉伸量调节摆梁振动特性，其调节方法包括：改变调频块h的质量和安装位置、驱动簧索和调频簧索与摆梁的夹角及在摆梁上的固定点、驱动簧和调频簧的刚度及预拉伸量；如：调频簧索在摆梁上的固定点及其他条件确定时，通过改变调频角r调节系统的固有频率及振幅，具体地：调频角r<90度且逐渐减小时，固有频率降低、振幅增加；调频角r>90度且逐渐增加时，固有频率降低、振幅减小。

16、本发明中，发动机可分别或同时用于收集振动能和流体能，收集振动能时摆梁的摆动方向与振动方向相同，振动方向为纵向振动或横向振动；收集风及水流能时，流体流向与摆梁平行且流体逆向激励，流体由摆壳沿摆梁的长度方向流向摆销。

17、非工作时，即环境中无振动或流体流经发电机时，摆梁及摆壳不受外力作用，摆梁处于水平或铅垂的自然状态。

18、工作中，摆梁受环境力作用发生往复摆动并经驱动簧索带动磁滚转动，摆壳受环境振动或流体力作用使摆梁绕摆销往复摆动时，摆梁经驱动簧索带动磁滚滚动，磁滚、即磁芯的磁极相对线圈翻转，穿过线圈的磁芯的磁力线方向翻转、磁通量密度发生变化，线圈切割磁力线发电，所生成电能经导线传输给电控板，电能经转换处理后存储或输出给状态监测与定位跟踪单元及信息发射单元，信息发射单元将信息发射出去。

19、采用传统弹簧时弹簧被压死后摆梁将不会再转动；本发明采用非线性调频簧索，摆梁回程时调频索弯曲、并非沿长度方向收缩，故不会制约摆梁的回摆、限制振幅。

20、本发明中，摆梁的摆角一定时，易于通过增加摆梁的长度、或驱动簧索在摆梁上的固定点的回转半径增加磁滚的转数；正常工况下需确保磁滚转数n=qx/(360r)≥1，其中，q为摆梁的常规摆角，x为激励簧索j在摆梁上固定点处的回转半径，r为磁滚上环槽或所安装的带轮与齿轮的半径。

21、本发明中，发电机可收集风及水流能，形成流致振发电机，其激励器及摆梁的振动特性随摆壳形状的变化而变化：壳夹角为零时，摆壳为圆柱壳体，摆梁产生具有收敛性的涡振，器振幅不随流速增加线性激增、可避免振幅过大损毁，适于高速环境；壳夹角大于零时，摆壳为非圆柱壳体，摆梁产生具有发散特性的驰振，摆梁的振幅随流速增加线性激增，适于低速环境，驰振特性随壳夹角的增加而越发明显。

22、优势与特色：1）利用驱动簧索将振动运动转换成旋转运动，结构简单、激励过程可靠，驱动簧索同步激励多组发电单元、体积能量密度高；2）采用刚性摆梁放大振幅、提升激励频率，低频发电效果好；3）利用由调频簧与调频索串接而成的非线性调频簧索，易于实现大幅振动及频率调整；4）可实现振动能、波浪能、流体动能收集及振动-流体能同步收集，用途广泛，尤其适于车船搭载环境；5）作为流致振发电机时，通过摆壳的结构调整实现涡振-驰振模式互换，以适应不同的流速环境、提高发电能力与机械可靠性。

技术特征：

1.一种多用途可调频电磁发电机，由机架、摆梁、摆壳、调频簧索、驱动簧索、磁滚、线圈构成，两个半壳经顶板、底板及侧梁连接构成机架及机架腔，摆梁经摆销装在机架腔中，摆壳装在摆梁上；半壳中装有电控板、线圈及由磁芯和滚套构成的磁滚，磁芯的磁极沿磁滚的径向配置，磁滚轴线与线圈轴线垂直，磁滚的端部从半壳中伸出至机架腔中；其特征在于：摆壳由两个动摆壳与定摆壳组装而成，两个动摆壳间的壳夹角在0~180度范围内可调；调频簧索和驱动簧索均由拉簧和绳索串接而成；摆梁的上下两侧经调频簧索分别与顶板和底板连接、经驱动簧索与侧梁连接，驱动簧索依次与各磁滚端部缠绕或与轴端的轮齿啮合；通过调频簧索与摆梁间的夹角、调频簧索两端点的固定位置及调频簧索的预拉伸量调节摆梁振动特性；工作中，摆梁摆动并经驱动簧索带动磁滚转动、磁芯磁极相对线圈翻转，线圈切割磁力线发电。

2.根据权利要求1所述的一种多用途可调频电磁发电机，其特征在于：调频簧索由调频簧和调频索串接而成，驱动簧索由驱动簧和驱动索串接而成；驱动簧和驱动索分别与侧梁和摆梁相连接，驱动索依次与各磁滚端部缠绕或与端部的轮齿啮合。

3.根据权利要求1所述的一种多用途可调频电磁发电机，其特征在于：正常工况下磁滚转数n=qx/(360r)≥1，其中，q为摆梁的常规摆角，x为激励簧索j在摆梁上固定点处的回转半径，r为磁滚端部或所装带轮与齿轮的半径。

4.根据权利要求1所述的一种多用途可调频电磁发电机，其特征在于：收集风及水流能且壳夹角为零时摆梁产生具有收敛性的涡振、壳夹角大于零时摆梁产生具有发散特性的驰振。

技术总结
一种多用途可调频电磁发电机，属于新能源领域。由机架、摆梁、调频簧索、驱动簧索、磁滚、线圈构成，两个半壳经顶板、底板及侧梁连接构成机架及机架腔，带摆壳的摆梁经摆销装在机架腔中；半壳中装有电控板、线圈及由磁芯和滚套构成的磁滚，磁滚端部伸出至机架腔中；摆壳由两个动摆壳与定摆壳构成，两个动摆壳间的壳夹角可调；调频簧索和驱动簧索均由拉簧和绳索串接而成；摆梁上下两侧经调频簧索分别与顶板和底板连接、经驱动簧索与侧梁连接，驱动簧索依次与各磁滚端部缠绕或与轴端轮齿啮合；通过调频簧索与摆梁间的夹角、调频簧索端点的固定位置及调频簧索的预拉伸量调节摆梁振动特性；摆梁摆动并经驱动簧索使磁滚转动，线圈切割磁力线发电。

技术研发人员：阚君武,杨柯忆,罗凌琪,顾思怡,付琳菲,孟凡许,张忠华,王淑云,程光明,曾平
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5