一种电磁式旋转能量采集器

本发明涉及电机，尤其涉及一种电磁式旋转能量采集器。

背景技术：

1、随着全球能源危机的日益加剧，研究者们开始探究如何对自然环境资源进行开发利用。电磁式能量采集器作为一种可再生能源采集技术，因其结构简单、能量转换效率高及维护成本低等优势，被广泛应用于各类能源的高效采集。在以往的研究中，大多数能量采集器主要针对振动能量的采集，而在风能的采集利用中，其适用性则受到限制。在此背景下，旋转能量采集器因其本身所具有的多方向能源采集优势，在旋转类能量采集过程中彰显出较强的适用性。但是，在实际应用中，由于自然界的能源具有随机性，无法提供持续且稳定的能源激励，这导致了能量采集器难以有效捕获低频能源，从而造成了资源的浪费。

技术实现思路

1、为克服现有能量采集器难以有效地捕获低频能源的技术缺陷，本发明提供了一种电磁式旋转能量采集器。

2、本发明提供了一种电磁式旋转能量采集器，包括中心轴、上磁铁套筒、下磁铁套筒和旋转机构，旋转机构包括线圈套筒、上盖、下盖以及位于线圈套筒内部的线圈组件，上盖和下盖分别固定至线圈套筒的顶部和底部，中心轴穿过线圈套筒且位于线圈套筒的轴线上，上盖和下盖分别与中心轴之间固定连接；线圈套筒外壁中部沿周向向外延伸有用于连接风叶的支撑环，上磁铁套筒位于支撑环的上侧，下磁铁套筒位于支撑环的下侧，上磁铁套筒的内侧固定连接有多块沿上磁铁套筒的周向均匀分布的上磁铁，下磁铁套筒的内侧固定连接有多块沿下磁铁套筒的周向均匀分布的下磁铁，上盖上侧的中心轴通过轴承连接有顶盖，顶盖与上磁铁套筒的顶部固定连接，下盖下侧的中心轴通过轴承连接有底盖，底盖与下磁铁套筒的底部固定连接。

3、支撑环上设置有用于连接风叶的多个安装孔，风叶通过安装孔固定连接至支撑环上整体形成叶轮，外界风能激励下，叶轮转动随之带动旋转机构整体及中心轴绕中心轴的轴线转动，避免了传统齿轮啮合传动模式造成的能量损耗，降低了本发明所述采集器所需的启动能量界限，上磁铁套筒、下磁铁套筒分别通过顶盖和底盖固定连接至中心轴上，上磁铁沿上磁铁套筒的周向均匀分布，下磁铁沿下磁铁套筒的周向均匀分布。当旋转机构和中心轴转动时，上磁铁套筒及上磁铁和下磁铁套筒及下磁铁均固定不动，使得磁铁-线圈发电单元间在任意角度的旋转滚动能量激励下，均可产生相对运动，继而切割磁感线产生感应电流和感应电动势，满足采集器在多种能源的环境中的发电需求。本发明所述电磁式旋转能量采集器尤其适用于低频环境下的能量采集，提高了复杂环境下的能源利用效率，为可再生能源领域的发展提供了可靠的技术支持。

4、优选的，线圈组件包括上线圈架组件和下线圈架组件，上线圈架组件与上磁铁套筒位置对应，下线圈架组件与下磁铁套筒位置对应；上线圈架组件包括驱动机构以及与线圈套筒同轴设置的多块弧形板，其中一块弧形板通过位于线圈套筒径向的连接臂与中心轴固定连接，其余弧形板通过位于线圈套筒径向的连接臂与中心轴转动连接，在驱动机构的带动下，弧形板能沿线圈套筒的周向展开或沿线圈套筒的径向部分层叠，所有弧形板拼接后覆盖的圆心角的范围是45°~180°，弧形板的板层中开有用于固定线圈绕组的槽体，下线圈架组件和上线圈架组件结构相同。在驱动机构的带动以及连接臂的配合下，上线圈架组件中的多块弧形板能层叠设置，也能沿线圈套筒的周向展开，在采集器的实际运行中，当外界能源激励较小时，通过控制驱动机构实现多块弧形板上的线圈层叠设置，进而提高低频环境下的能量采集效率。下线圈架组件和上线圈架组件结构完全相同。具体的，上线圈架组件中弧形板的数量为四个，且上线圈架组件的弧形板与其相连的连接臂一体成型；下线圈架组件中弧形板的数量为四个，且下线圈架组件的弧形板与其相连的连接臂一体成型。这样设置结构合理。

5、以上线圈架组件为例，线圈绕组被固定在弧形板的槽体内，并且每个槽体的槽底均开孔，便于将线圈绕组的两端接头线引出。为避免各个引出线在旋转采集能量时发生缠绕，连接臂的上、下两侧均开有沿连接臂长度方向布置的线槽，且中心轴内开有导线引出通孔。单个线圈绕组引出线分别沿连接臂上侧和下侧的线槽布置，连接臂用于穿置中心轴的端部设置有通孔，则连接臂端部的靠近通孔处的上端面和下端面上分别沿通孔周向粘贴有环形贴片正电极和环形贴片负电极，环形贴片正电极和环形贴片负电极分别与线圈绕组的两根引出线相连接，以上线圈架组件为例，当上线圈架组件组装完成后，相邻连接臂的用于连接中心轴的端部沿中心轴的轴线方向相叠，则相邻连接臂上的环形贴片负电极与环形贴片正电极紧密接触并实现电连接，从而上线圈架组件的多块弧形板的线圈绕组相串联。上线圈架组件整体的最顶部为环形贴片正电极，最底部为环形贴片负电极。同理，下线圈架组件中线圈绕组的电极布置与上线圈架组件的电极布置完全一致，下线圈架组件整体的最顶部为环形贴片正电极，最底部为环形贴片负电极。上线圈架组件和下线圈组件之间的中心轴上套装有导电的定距套筒，导电的定距套筒用于连接上线圈架组件底部的环形贴片负电极和下线圈组件底部的环形贴片正电极，通过导电套筒可使上线圈架组件和下线圈架组件实现串联。最终上线圈架组件顶部的环形贴片正电极和下线圈架组件底部的环形贴片负电极分别从中心轴内的导线引出通孔中引出两根导线连接外部设备的正负极。本装置采用环形贴片正电极和环形贴片负电极作为不同线圈绕组相串联的中介，以替代传统线圈引线焊接方式。这一创新设计避免了引线在采集器旋转过程中出现缠绕、断路等问题，从而显著提高了采集器设备的可靠性与耐用性。

6、优选的，上线圈架组件中弧形板的槽体向上开口，下线圈架组件中弧形板的槽体向下开口。这样设置结构合理。具体线圈固定方式可以选择胶粘等方式。

7、优选的，上盖开有相对设置的第一弧形长圆孔和第二弧形长圆孔，第一弧形长圆孔和第二弧形长圆孔的圆心重合且位于中心轴的轴线上；上线圈架组件底层的连接臂与中心轴固定连接，上线圈架组件顶层的连接臂上固定连接有与线圈套筒轴向平行的第一驱动滑杆，第一驱动滑杆的顶部穿出第一弧形长圆孔，上线圈架组件的所有连接臂通过第一连杆结构相连接，以使第一驱动滑杆沿第一弧形长圆孔移动时，带动上线圈架组件的所有弧形板旋转至展开状态或折叠至层叠状态；下线圈架组件中底层的连接臂与中心轴固定连接，下线圈架组件顶层的连接臂上固定连接有与线圈套筒轴向平行的第二驱动滑杆，第二驱动滑杆的顶部穿出第二弧形长圆孔，下线圈架组件的所有连接臂通过第二连杆结构相连接，以使第二驱动滑杆沿第二弧形长圆孔移动时，带动下线圈架组件的所有弧形板旋转至展开状态或折叠至层叠状态。第一驱动滑杆能沿第一弧形长圆孔滑动，上线圈架组件中底层的连接臂固定后，与其连接的弧形板也固定不动，第一驱动滑杆沿第一弧形长圆孔滑动将带动对应的连接臂上的弧形板移动，由于上线圈架组件中设置了使上线圈架组件的连接臂能够联动的第一连杆结构，所以第一驱动滑杆沿第一弧形长圆孔移动时，能带动上线圈架组件的所有弧形板旋转至展开状态或折叠至层叠状态，展开状态是指上线圈架组件的所有弧形板沿线圈套筒的周向展开，弧形板之间不会在线圈套筒的径向上相叠。层叠状态是指上线圈架组件的所有弧形板在沿线圈套筒的周向展开过程中，弧形板之间在线圈套筒的径向上有部分板体相叠。下线圈架组件和上线圈架组件的运行原理相同。下线圈架组件和上线圈架组件能够根据能量源的特点和角度来调整线圈层叠数量，进而最大程度地捕捉和转化能量，拓宽了其在不同频率能源激励下的应用场景和能量采集效率。

8、优选的，第一驱动滑杆的顶部螺纹连接有第一固定螺母，上盖的顶面上沿第一弧形长圆孔的长度方向均匀开有三个与第一固定螺母配合的第一限位卡槽，三个第一限位卡槽将第一弧形长圆孔均分为两段，每段第一弧形长圆孔对应的圆心角为45°。通过第一固定螺母能将第一驱动滑杆手动调整固定至第一弧形长圆孔的某个具体位置，这样能使上线圈架组件中所有弧形板展开后对应的圆心角固定，当第一固定螺母与第一驱动滑杆紧固配合后，上线圈架组件整体结构固定，在旋转过程中，上线圈架组件与线圈套筒、中心轴之间均相对静止。上线圈架组件可根据能量输入的频率大小，灵活调整圆周面上弧形板的展开程度以控制弧形能量采集区域范围及线圈层叠数目，提高采集器的环境适应性，同时提高低频环境下的能量采集效率，适合外界能源激励较小的情况，进一步提高了复杂环境下的能源利用率，为可再生能源领域的发展提供了可靠的技术支持。每小段第一弧形长圆孔对应的圆心角为45°，是为了以45°为旋转单位实现整个上线圈架组件弧形变换。

9、优选的，第二驱动滑杆的顶部螺纹连接有第二固定螺母，上盖的顶面上沿第二弧形长圆孔的长度方向均匀开有三个与第二固定螺母配合的第二限位卡槽，三个第二限位卡槽将第二弧形长圆孔均分为两段，每段第二弧形长圆孔对应的圆心角为45°。通过第二固定螺母能将第二驱动滑杆手动调整固定至第二弧形长圆孔的某个具体位置，当第二固定螺母与第二驱动滑杆紧固配合后，下线圈架组件整体结构固定，在旋转过程中，下线圈架组件与线圈套筒、中心轴之间均相对静止。这样能使下线圈架组件中所有弧形板展开后对应的圆心角固定，下线圈架组件可根据能量输入的频率大小，灵活调整圆周面上弧形板的展开程度以控制弧形能量采集区域范围及线圈层叠数目，提高采集器的环境适应性，同时提高低频环境下的能量采集效率，适合外界能源激励较小的情况，进一步提高了复杂环境下的能源利用率，为可再生能源领域的发展提供了可靠的技术支持。每小段第二弧形长圆孔对应的圆心角为45°，是为了以45°为旋转单位实现整个下线圈架组件弧形变换。

10、优选的，上磁铁的磁极沿上磁铁套筒的径向布置，且相邻两块上磁铁的磁极相反；下磁铁的磁极沿下磁铁套筒的径向布置，且相邻两块下磁铁的磁极相反。这是为了使尽可能多的磁感线穿过线圈套筒，增强线圈套筒空间内的磁通密度，进一步提高采集器的输出功率。

11、优选的，上盖和顶盖之间的中心轴上安装有上减震弹簧，下盖和底盖之间的中心轴上安装有下减震弹簧。设置上减震弹簧和下减震弹簧，使得采集器在受到外部环境的激励后，旋转机构可沿轴向进行振动，进而对环境中微弱的振动进行拾取与放大，提高了能量采集器的整体采集效率。

12、优选的，中心轴、上磁铁套筒、下磁铁套筒、顶盖、底盖、旋转机构、上减震弹簧以及下减震弹簧均由非磁性材料制成。本技术的能量采集器除了上磁铁和下磁铁之外，其余的结构均为非磁性高韧性轻质材料，这是为了避免磁性材料对磁场干扰的同时保证器件结构强度。

13、优选的，顶盖上开有两个分别与第一弧形长圆孔和第二弧形长圆孔位置对应的弧形窗口。在顶盖上，根据第一弧形长圆孔的范围即第一驱动滑杆的移动范围进行开窗设计，根据第二弧形长圆孔的范围即第二驱动滑杆的移动范围进行开窗设计，这均是为了便于在不改变采集器整体结构的前提下，灵活控制第一驱动滑杆和第二驱动滑杆的位置，进而调整上线圈架组件或下线圈架组件的折叠效果。

14、本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下技术效果：本发明简单实用，能量转换效率高、能量传动损耗小，拓宽了能量采集器在不同频率下的适用性，满足了低频环境下的能量采集的需求。本发明发电效率高，能量采集启动频率要求低，尤其适用于低频环境下的能量采集；上线圈架组件、下线圈架组件实现了线圈层叠面积及能量采集区域的灵活变换，磁铁阵列设计增强了线圈套筒空间内的磁通密度，两者的有效结合极大提高了采集器的能量输出转换效率；上减震弹簧、下减震弹簧的选用可使采集器对轴向环境中的微小振动进行拾取与放大，因此适用于更多不同频率和幅度环境下的能量采集。上线圈架组件、下线圈架组件的创新结构设计，增加了其在有限空间内的应用潜力，最终可实现对能量的高效采集与输出。