基于运动转换与弹簧蓄能自动释放机制的振动能量收集器

本发明属于机械振动传动及能量转换，具体涉及一种基于运动转换与弹簧蓄能自动释放机制的振动能量收集器。

背景技术：

1、在能量收集领域中，机械振动可通过基于电磁感应、压电效应、静电感应、摩擦电效应的能量收集器转换为供微小型低功耗电子器件使用的电能。但是传统的振动能量收集器的工作频率高、工作频带有限、环境适应性差、实际应用不便。针对以上问题，本发明设计出一种适用于变振幅、变频率的振动能量收集器。

2、对于常见的低速往复振动，现有能量收集器的设计可以分为两部分，分别是将往复振动转换为单向旋转运动的运动转换方法、将低频运动转换为高频运动的频率提升方法。

3、目前，已报道的将往复运动转换为单向旋转运动的转换方法主要有以下几种方式：

4、1、齿轮齿条与单向轴承的组合机构。lin等人在《mechatronics》53(2018):277-286撰文的"efficient electromagnetic energy harvester for railroadtransportation"“用于铁路运输的高效电磁能量收集器”《机电一体化》，利用齿轮齿条和单向轴承设计了一种机械运动转换机构，将双向脉冲振动转化为速度相对稳定的单向旋转运动，简化了运动和力的传动过程。

5、2、螺杆机构与棘轮棘爪的组合机构。如公开号为cn110486431a的专利，一种运动转换结构和能量转换装置。该能量收集装置利用螺杆机构将直线运动转换为旋转运动用于收集振动能量。

6、目前已报道的低频运动转换为高频运动的频率提升方法，有齿轮增速装置等。如公开号为cn112796967a的专利，一种利用铁轨振动的杠杆式振动发电装置。该能量收集装置通过齿轮增速装置提高转速，并用于收集铁轨振动所产生的能量。

7、上述齿轮齿条与单向轴承组合机构、螺杆与棘轮棘爪的组合机构、以及齿轮齿条增速箱机构虽然都通过运动转换实现了一定的频率提升，但是升频效果受制于机构本身的传动限制，无法满足变振幅、变频率的复杂振动能量收集。

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基于运动转换与弹簧蓄能自动释放机制的振动能量收集器，该收集器在利用齿轮齿条、单向轴承和棘轮棘爪实现运动转换的基础上，利用弹性元件的储能功能，累积并储存随机振动能，将其转换为弹性势能，并通过齿轮结构，实现弹性势能的自动和可控释放，达到高效收集利用振动能的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、基于运动转换与弹簧蓄能自动释放机制的振动能量收集器，包括运动转换单元、蓄能单元、发电单元三个部分；

4、所述运动转换单元用于将外界的不规则振动转换为齿轮的单向旋转运动；

5、所述蓄能单元用于将运动转换单元转换后的低速单向旋转运动的动能累积到弹簧中转换为弹性势能，实现弹性势能的释放以产生高速直线运动，实现速度提升；

6、所述发电单元用于将高速直线运动转换为发电转子的高速单向旋转运动，进而通过电磁感应产生电能输出；

7、所述运动转换单元获取的动能传递到蓄能单元转化为弹性势能，弹性势能释放的产生的动能传递到发电单元进而通过电磁感应转换为电能输出。

8、所述运动转换单元包括动力输入部件和轴传动部件；动力输入部件是前端获取外界激励的部分，动力输入部件获取到外界振动能后会传递到轴传动部件实现运动的转换；

9、所述动力输入部件包括激励板、子母铆钉、弹簧、第一机械螺钉、激励支撑座、第一齿条部件、第二齿条部件；

10、所述激励板下方两端对称设置有两个激励支撑座，位于激励支撑座之间的激励板下方设置第一齿条部件、第二齿条部件，所述激励支撑座通过子母铆钉、弹簧连接激励板，第一齿条部件、第二齿条部件通过第一机械螺钉连接激励板。

11、所述轴传动部件包括第一轴承、第一轴承支座、转轴、第一齿轮、第一单向轴承、第二齿轮、第二单向轴承、第二轴承支座、第二轴承、缺齿齿轮；

12、所示第一轴承外圈嵌入到第一轴承支座上，第二轴承外圈嵌入到第二轴承支座上；

13、与转轴依次同轴连接是第一轴承、第一轴承支座、第一单向轴承、第一齿轮、第二单向轴承、第二齿轮、第二轴承、第二轴承支座、缺齿齿轮；

14、第一轴承和第二轴承支座结构相同，所述第二轴承支座底部为底板，底板一侧设置竖板，竖板上方一侧设置圆柱槽，圆柱槽内部同轴位置设置通孔。

15、所述激励板主体为长方体，其中一侧靠近四角有四个对称分布的沉头孔一，靠近内侧有两个锥形沉头孔二，激励板的另一侧与沉头孔一同轴的位置开有四个凹槽。

16、所述激励支撑座底部为长方形底板，底板一侧连接竖板，竖板上方有凸台一、凸台二，凸台一、凸台二左右对称设置；

17、凸台一上表面设置通孔一，通孔一同轴靠近上侧设置凹槽一；

18、凸台二上表面设置通孔二，通孔二同轴靠近上侧设置凹槽二；

19、另一个激励支撑座与之结构相同，两激励支撑座相对安装。

20、所述弹簧共四个，其一端嵌入到激励板的凹槽中，另一端嵌入到激励支撑座上的凹槽一、凹槽二中。

21、所述子母铆钉依次穿过激励板上的四颗沉头孔一、四颗弹簧、两个激励支撑座上的四个通孔一、通孔二将激励板与激励支撑座连接在一起。

22、所述弹簧为激励板提供恢复力，弹簧的具体数量可以不作限制。

23、所述子母铆钉与激励板、激励支撑座均不作紧配合，只起导向作用，数量不作限制。

24、所述第一齿条部件包括齿条、第一导轨、第二机械螺钉、第一滑块、滑块支座、第三机械螺钉；

25、所述齿条上端开有第一螺纹孔，该螺纹孔与激励板上的锥形沉头孔二同轴，通过第一机械螺钉将激励板和该齿条固定连接；齿条上与齿相对的另一侧面开有四个螺纹孔，对应导轨上开有等间距的四个沉头孔，四颗第二机械螺钉穿过第一导轨上的四个沉头孔后嵌入到齿条上的四个螺纹孔中将第一导轨与齿条固定在一起。

26、所述第一导轨与第一滑块之间为导轨连接。使用四颗第三机械螺钉将第一滑块与滑块支座固定在一起。

27、所述第二齿条部件与第一齿条部件的零件以及安装方式均相同。

28、所述第一齿条部件中的齿条与轴传动部件中的第一齿轮啮合，第二齿条部件中的第二齿条与第二齿轮啮合。

29、所述第一单向轴承内圈通过第四平键与转轴固定连接，第一齿轮通过第五平键与第一单向轴承的外圈固定连接。

30、所述缺齿齿轮通过第一平键与转轴固定连接。

31、所述缺齿齿轮的结构包括通孔、键槽、缺齿部分、有齿轮部分；所述通孔中嵌入转轴，通过第一平键将缺齿齿轮与转轴固定，实现传动。

32、所述缺齿齿轮包括通孔、键槽、缺齿部分、有齿轮部分；所述通孔位于缺齿齿轮的中心，通孔内侧设置键槽，键槽位于有齿部分靠近齿的内侧。

33、所述蓄能单元包括输入齿条、第三导轨、第四机械螺钉、滑块支架、第三滑块、第五机械螺钉、驱动磁铁、从动磁铁、从动磁铁座、第六机械螺钉、弹性绳、拉伸弹簧、第一滑轴支架、第一直线轴承、第二直线轴承、第一直线滑轴、第二直线滑轴、输出齿条、支撑滑轴、第二滑轴支架、第三直线轴承；

34、所述缺齿齿轮与输入齿条相啮合，所述输入齿条顶部与第三导轨通过机械螺钉固定连接；第三滑块位于滑块支架的上底板的下方；所述第三滑块与滑块支架通过第五机械螺钉固定连接；第三滑块与第三导轨之间为导轨连接，第三导轨位于第三滑块的下方，驱动磁铁嵌入到输入齿条端部，从动磁铁嵌入从动磁铁座上；

35、所述拉伸弹簧一端嵌入从动磁铁座上，另一端嵌入到第一滑轴支架上。

36、所述输入齿条包括齿条主体、第一螺纹孔、凸台、第二螺孔、圆柱槽；

37、所述齿条主体与缺齿齿轮啮合传动；第二螺孔中嵌入第四机械螺钉将输入齿条与第三导轨固定连接；

38、齿条主体的一端设置凸台，凸台端部设置有圆柱槽，圆柱槽顶部为第二螺孔，所述齿条主体齿条主体顶部没有齿的部分设置第一螺纹孔。

39、所述滑块支架底部设置下底板，底板一侧上方设置竖板，竖板上端部设置上底板，上底板表面均匀设置四个沉头孔。

40、所述从动磁铁座主体为长方体，长方体一侧中心位置设置第二圆柱槽，另一侧中心位置设置第三圆柱槽；第二圆柱槽内部同轴位置设置第一圆柱槽。

41、所述第一滑轴支架底部为底板，底板一侧设置竖板，竖板表面下方设置有第一通孔，上方设置圆柱槽，圆柱槽内部设置有第二通孔，竖板的上端部设置有螺纹孔。

42、所述弹性绳一端固定在输入齿条的凸台上，另一端固定在第一滑轴支架的竖板上方端部，所述第一直线轴承、第二直线轴承的外圈分别嵌入到第一滑轴支架的两个通孔中，第一滑轴支架的第一通孔位于竖板表面的下方，第二通孔位于竖板表面的上方。

43、所述驱动磁铁嵌入圆柱槽内，与从动磁铁座上的从动磁铁为引力作用。

44、所述从动磁铁座包括长方体、第一圆柱槽、第二圆柱、第三圆柱槽；

45、长方体一侧中心位置开有第二圆柱槽，第二圆柱槽内部中心位置为第一圆柱槽，所述长方体另一侧设置第三圆柱槽；

46、第一圆柱槽中嵌入第一直线滑轴的一端，用于输出动力到输出齿条上，第二圆柱槽中嵌入拉伸弹簧的一端，拉伸弹簧的另一端嵌入到第一滑轴支架的圆柱槽中，第三圆柱槽中嵌入从动磁铁。

47、所述第一滑轴支架包括底板以及设置在底板一侧的竖板，竖板表面下方设置有第一通孔，上方设置圆柱槽，圆柱槽内部设置有第二通孔，竖板上端部设置有螺纹。

48、所述螺纹孔通过第六机械螺钉将弹性绳的一端与之固定连接；所述第二通孔中嵌入第一直线轴承外圈，圆柱槽中嵌入拉伸弹簧的一端，第一通孔中嵌入第二直线轴承外圈。所述第一直线轴承、第二直线轴承分别为第一直线滑轴、第一直线滑轴起支撑和导向作用，将拉伸弹簧储存的弹性势能平稳输出到输出齿轮机构上。

49、所述第一直线滑轴一端穿过第一直线轴承后嵌入到从动磁铁座上，另一端嵌入到输出齿条上；所述第二直线滑轴一端穿过第二直线轴承，另一端嵌入到输出齿条上；所述第三直线轴承外圈嵌入到第二滑轴支架上，所述支撑滑轴一端嵌入到输出齿条上，另一端穿过第三直线轴承。

50、所述输出齿条包括齿条主体、受力板、第一凸起、第一圆柱槽、第二凸起、第二圆柱槽、第三凸起、第四凸起、第三圆柱槽；

51、所述受力板位于齿条主体的一端，在受力板外侧有第一凸起和第二凸起，第一凸起位于第二凸起上方，第一圆柱槽位于第一凸起上并与之同轴，其槽内嵌入第一直线滑轴的一端；第二圆柱槽位于第二凸起上并与之同轴，其槽内嵌入第二直线滑轴的一端；所述第三凸起位于齿条主体的另一端，第四凸起起位于第三凸起上并与之同轴，第三圆柱槽位于第四凸起上并与之同轴，其槽内嵌入支持滑轴。

52、所述第二滑轴支架底部设置底板，底板一侧设置竖板，竖板上方表面设置通孔。

53、所述发电单元所述发电单元以电磁发电方式，可以使用摩擦发电、混合式发电等其它发电方式。

54、所述发电单元包括轴基座、支撑轴、驱动齿轮、棘爪、转子轴承、磁铁、转子、线圈、定子基座；

55、所述支撑轴的一端嵌入到定子基座上，另一端嵌入到轴基座上；

56、在支撑轴上依次同轴连接轴基座、驱动齿轮、棘爪、定子基座；

57、所述驱动齿轮与蓄能单元的输出齿条啮合；棘爪嵌入到驱动齿轮上并与之固定连接，所述转子轴承内圈嵌入到定子基座上，外圈嵌入到转子上，所述磁铁嵌入到转子上的环形阵列槽中，所述线圈缠绕在定子基座上的凸轴上。

58、所述定子基座底部设置底板，底板表面设置外壳，第一圆柱槽位于外壳的中心，第一圆柱槽的中心设置凸台，凸台上面设置中心凸轴，与中心凸轴同轴设置第二圆柱槽。第一圆柱槽内圆周设置凸轴。

59、所述发电单元中使用的棘爪机构起单向驱动作用，可以使用单向轴承、单向离合器等其它机构实现，不作固定。

60、所述转子包括环形阵列槽、棘齿、通孔、棘轮盘、凸起、圆柱槽；

61、所述环形阵列槽位于转子圆周外侧，环形阵列槽槽内嵌入磁铁；所述棘轮盘位于转子的一侧中心，用于安装棘爪；环绕棘轮盘外侧为棘齿，所述棘齿与棘爪啮合传动；所述通孔中穿过支撑轴；凸起位于转子的另一侧，圆柱槽位于凸起中间且与凸起同轴，其槽内嵌入转子轴承；转子通过转子轴承安装于定子基座上的中心凸轴上。

62、所述定子基座的结构包括底板、外壳、第一圆柱槽、凸台、中心凸轴、第二圆柱槽；

63、所述底板位于底部起支撑作用；底板表面设置外壳，第一圆柱槽位于外壳的中心，在第一圆柱槽的中心设置凸台，凸台上面设置中心凸轴，与中心凸轴同轴开有第二圆柱槽，第二圆柱槽内嵌入支撑轴的一端，中心凸的外表面嵌入转子轴承；所述第一圆柱槽中安装转子。

64、本发明的有益效果：

65、1本发明通过运动转换、弹簧蓄能和自动可控释放等机制实现对振动能量的收集，可以将变频率、变振幅的往复振动转换为转子的高速旋转运动，在复杂振动的环境能量收集领域具有良好的应用前景。

66、2本发明通过磁力拉伸弹簧累积并储存随机振动能，将其转换为弹性势能，并通过设计的缺齿齿轮实现弹性势能的自动、可控释放，达到高效收集利用振动能的目的。

67、3本发明通过棘轮棘爪驱动转子旋转实现发电，由于转子惯性作用使弹簧弹性势能释放间隙转子仍然保持高速旋转，提高了能量收集器的转换效率。