一种气流能量收集器

1.本发明涉及能量收集技术领域，具体涉及一种气流能量收集器。

背景技术：

2.随着mems和微电子领域的快速发展，微电子器件的功耗和尺寸朝着超低功耗和超小尺寸的方向大幅发展，在我国环境检测、结构检测、军事应用和医疗等领域均有许多应用。目前，这些器件通常是采用化学电池或者布设电路为其供能，但是化学电池免不了定期更换且对环境污染严重，布设电路在一些野外环境下成本通常也不菲。环境中气流通常无处不在，若是能对环境中的气流能量进行采集，那将可以解决这些微电子器件的供电问题，同时跟这些微电子器件结合也蕴含着巨大的应用前景。国内外现在已经具备了很成熟的风力发电机技术且已经在许多风力资源富集的地方有了大规模应用，但其也有着对微小气流激励不敏感的缺点。低流速的气流虽然从能量密度的角度来看并不是很大，但是分布极其广泛，人体呼吸、手臂摆动、几乎任何一个运动、温差的改变都可以带来微弱的气流扰动，这就对应用场景做了极大的拓宽。若是将这一部分能量收集起来，那将可以彻底解决能量收集器自供电的能量来源问题，故应用前景巨大。

技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种气流能量收集器，其可以自适应气流方向、将微弱气流转化为电能，实现气流能量的采集，可以在多应用场景下为微电子器件提供能源。
4.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种气流能量收集器，包括收集器外壳和固定在收集器外壳顶端的盖板，收集器外壳内自上而下依次设有提升磁铁、上热解石墨板、上感应线圈、摩擦片、悬浮转子机构、下感应线圈、下热解石墨板和下拉磁铁，上感应线圈固定在上热解石墨板的底面上，下感应线圈固定在下热解石墨板的顶面上，所述摩擦片位于上感应线圈和悬浮转子机构中间，悬浮转子机构在竖直方向上受到自身的重力与下拉磁铁的磁吸引力之合与提升磁铁的磁吸引力相等，所述悬浮转子机构由第一悬浮转子、设置在第一悬浮转子下方的第二悬浮转子和固定在第一悬浮转子和第二悬浮转子外周的悬浮转子外壳构成，第一悬浮转子的圆周壁上均布有第一豁口、第二悬浮转子的圆周壁上均布有第二豁口，悬浮转子外壳的圆周壁上均布有第三豁口，第一豁口的口径大于第二豁口的口径，第二豁口的口径大于第三豁口的口径，收集器外壳的周壁上于悬浮转子机构外周设有喷嘴，喷嘴的喷气方向沿悬浮转子机构的外周壁的切向布置，悬浮转子机构的中心水平面与喷嘴的中心水平面的位置高度相同，收集器外壳的内周壁上于悬浮转子机构外周开设有排气口，外收集器壳的下端周壁上开设有出气口，收集器外壳的周壁内开设有分别与出气口和排气口连通的排气通道，收集器外壳的周壁外侧安装有导流叶片机构。
5.所述收集器外壳为马鞍状外壳，导流叶片机构由旋转柱和固定在旋转柱上的导流
叶片构成，旋转柱的顶端设有旋转卡扣，所述盖板上开设有导流叶片上安装孔，导流叶片上安装孔内开设有与旋转卡扣配合的角度卡槽，外壳的底端设有导流叶片下安装孔，导流叶片通过旋转柱安装在盖板和收集器外壳上。
6.所述上热解石墨板通过第一热解石墨板固定机构与收集器外壳的内周璧固定连接，第一热解石墨板固定机构包括纵截面为h型的第一安装架，上热解石墨板由榫卯结构镶嵌进在第一安装架的下部腔体内，下热解石墨板通过第二热解石墨板固定机构与收集器外壳的内周璧固定连接，第二热解石墨板固定机构包括纵截面为h型的第二安装架，下热解石墨板由榫卯结构镶嵌进在第二安装架的上部腔体内。
7.所述提升磁铁通过第一磁铁固定机构固定在第一安装架的上部腔体内，第一磁铁固定机构包括纵截面为u型的第一磁铁固定外壳和设置在第一磁铁固定外壳的开口端的第一固定板，第一安装架的上部腔体的内周壁上均布有内螺纹，第一磁铁固定外壳的内周壁和外周壁上均布有螺纹，提升磁铁和第一固定板的外周壁上均布有外螺纹，提升磁铁和第一固定板均通过螺纹与第一磁铁固定外壳固定连接，第一磁铁固定外壳通过螺纹与第一安装架固定连接，所述下拉磁铁通过第二磁铁固定机构固定在第二安装架的下部腔体内，第二磁铁固定机构包括纵截面为u型的第二磁铁固定外壳和设置在第二磁铁固定外壳的开口端的第二固定板，第二安装架的下部腔体的内侧壁上均布有内螺纹，第二磁铁固定外壳的内周壁和外周壁上均布有螺纹，下拉磁铁和第二固定板的外周壁上均布有外螺纹，下拉磁铁和第二固定板通过螺纹与第二磁铁固定外壳固定连接，第二磁铁固定外壳通过螺纹与第二安装架固定连接。
8.所述收集器外壳、摩擦片、盖板、第一磁铁固定机构、第二磁铁固定机构、导流叶片机构、悬浮转子外壳均由非磁性材料制成。
9.所述上拉磁铁、下拉磁铁和第一悬浮转子和第二悬浮转子由磁性材料制成。
10.所述悬浮转子外壳的圆周壁上均布有四个第三豁口。
11.所述上感应线圈和下感应线圈数量相同，上感应线圈和下感应线圈由铜、铝或银制成，上感应线圈的数量为第三豁口的整数倍。
12.所述上热解石墨板和下热解石墨板为高定向热解石墨板，由抗磁性材料制成。
13.所述外壳的顶端周璧上均布有定位孔，盖板的底面上的均布有与定位孔相对应的定位销。
14.本发明的悬浮转子机构由第一悬浮转子、第二悬浮转子和固定在第一悬浮转子和第二悬浮转子外周的悬浮转子外壳构成，这样在保证原有大小豁口悬浮转子换能因子不变的情况下，用悬浮转子外壳改变转子的豁口，使其在同样的气流下，转速更快，提高了能量收集器的能量转换效率，并且通过改变第一悬浮转子、第二悬浮转子的豁口，可以根据自己的需求调整转子的换能因子；通过设置导流叶片机构，其可将随机的气流风向调整为适用于本装置的气体流向，达到自适应气流风向的效果，拓宽了本装置的收集器的适用性；通过设置摩擦片结构，使得本装置不仅可以收集气流能量，同时可以收集振动、摩擦能量，极大的拓宽了能量收集器收集能量的单一性。
附图说明
15.图1为本发明的结构示意图。
16.图2为本发明的整体结构示意图。
17.图3本发明的悬浮转子机构的结构示意图。
18.图4为本发明的第一悬浮转子的结构示意图。
19.图5为本发明的第二悬浮转子的结构示意图。
20.图6为本发明的悬浮转子外壳的结构示意图。
21.图7为本发明的收集器外壳的轴测图。
22.图8为本发明的导流叶片机构的结构示意图。
23.图9为本发明的盖板的结构示意图。
24.图10为本发明的盖板上的导流叶片上安装孔和角度卡槽的结构示意图。
25.图11为本发明的第一安装架和第二安装架的结构示意图。
26.图12为本发明的第一安装架和第二安装架装配的轴测图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步说明。
28.如图1-图6所示，一种气流能量收集器，包括收集器外壳10和固定在收集器外壳顶端的盖板6，收集器外壳内自上而下依次设有提升磁铁1、上热解石墨板2、上感应线圈7、摩擦片3、悬浮转子机构、下感应线圈8、下热解石墨板4和下拉磁铁5，上感应线圈7固定在上热解石墨板2的底面上，下感应线圈8固定在下热解石墨板4的顶面上，摩擦片3位于上感应线圈和悬浮转子机构中间，悬浮转子机构在竖直方向上受到自身的重力与下拉磁铁5的磁吸引力之合与提升磁铁1的磁吸引力相等，悬浮转子机构由第一悬浮转子14、设置在第一悬浮转子下方的第二悬浮转子15和固定在第一悬浮转子和第二悬浮转子外周的悬浮转子外壳13构成，第一悬浮转子14的圆周壁上均布有第一豁口16，第二悬浮转子15的圆周壁上均布有第二豁口17，悬浮转子外壳13的圆周壁上均布有第三豁口18，第一豁口16的口径大于第二豁口17的口径，第二豁口17的口径大于第三豁口18的口径，第一悬浮转子14和第二悬浮转子15数量可以根据需要进行选择设置，第一豁口16、第二豁口17、第三豁口18的形状可以不一致，第一悬浮转子14上的大豁口径向外表面和第二悬浮转子15上的小豁口径向外表面与悬浮转子外壳13上的大豁口径向内表面和小豁口径向内表面通过过度配合连接，本装置在保证原有换能因子不变的情况下，用悬浮转子外壳改变悬浮转子的豁口，减小悬浮转子的豁口，使其在同样的气流下，转速更快，可以增加能量转换效率。换能因子主要由悬浮转子的豁口大小来决定，根据公式2*arccos((r-r^2/(2*r))/r)《=(360/n)，其中r为转子半径，r为豁口半径，n为豁口个数，在一定范围内，豁口越大，换能因子越大，有一个最佳豁口大小达到最大换能因子，当2*arccos((r-r^2/(2*r))/r) =(360/n)时，豁口大小为最佳豁口，换能因子决定了同样的转速可以收集到更多的能量，更高的电压幅值，大豁口的转子和小豁口的转子配合，可以改变两侧的换能因子，达到一侧线圈收集的能量多，另一侧收集到的能量少的效果，这就为摩擦片的加入提供了可能，最大豁口并不对应最大转速，悬浮转子外壳可以减小豁口，增大转子转速，从而提高能量转换效率。本装置采用提升磁铁1和下拉磁铁5两块磁铁来使悬浮转子机构悬浮，可以自调节悬浮转子机构的径向回复力，使其在旋转的过程中更加稳定，同时两块磁铁可以很方便的通过磁场叠加的方式调节轴向间距使悬浮转子机构处于悬浮状态，可以大大减小原有气流能量收集器的轴向尺寸，提升磁铁1给悬
浮转子机构一个向上的磁吸引力，下拉磁铁5给悬浮转子机构一个向下的磁吸引力，上热解石墨板2给悬浮转子机构一个向下的抗磁力、下热解石墨板4给悬浮转子机构一个向上的抗磁力，通过调节提升磁铁1和下拉磁铁5与悬浮转子机构之间的距离，可以调节出若干个提升磁铁1和下拉磁铁5的位置关系，使悬浮转子机构悬浮，从而达到调节整个能量收集器轴向结构尺寸的功能。提升磁铁1和下拉磁铁5与悬浮转子机构之间的距离的不同对应着不同的水平方向上的径向回复力，所以可以自调节悬浮转子机构的径向回复力。与只有一个提升磁铁的结构相比，由于增加了下拉磁铁，从而减小了悬浮转子机构与提升磁铁之间的距离从而增加了径向回复力，下拉磁铁对悬浮转子机构也是由一定的径向回复力，从而成倍的提升了径向回复力，这个可以很大的拓宽能量收集器的应用场景。
29.如图7所示，收集器外壳10的周壁上于悬浮转子机构外周设有喷嘴22，喷嘴22的喷气方向沿悬浮转子机构的外周壁的切向布置，悬浮转子机构的中心水平面与喷嘴的中心水平面的位置高度相同，收集器外壳的内周壁上于悬浮转子机构外周开设有排气口25，收集器外壳的下端周壁上开设有出气口26，收集器外壳的周壁内开设有分别与出气口和排气口连通的排气通道23，收集器外壳的周壁外侧安装有导流叶片机构。
30.如图8-图10所示，收集器外壳为马鞍状外壳，马鞍状外壳的作用为将吹向导流叶片中的风聚拢到马鞍状外壳壁中心，同时使气流沿马鞍状外壳壁的轴向旋转，导流叶片机构由旋转柱29和固定在旋转柱上的导流叶片27构成，旋转柱29的顶端设有旋转卡扣28，盖板6上开设有导流叶片上安装孔30，导流叶片上安装孔30内开设有与旋转卡扣配合的角度卡槽31，角度卡槽的形状为扇形，外壳的底端设有导流叶片下安装孔24，导流叶片27通过旋转柱29安装在盖板和收集器外壳上。当风以任意角度吹向导流叶片27的外表面时，导流叶片27在旋转柱29与流叶片上安装孔30和导流叶片下安装孔24的作用下将风导向为单侧风，并沿着马鞍状外壳壁流动，当风达到能量收集器的另一侧时，导流叶片27的内表面被单侧风的吹动下转动并关闭另一侧的出口，形成一个封闭的空间，这时两个喷嘴22处的压力是相等的，气流被压入喷嘴22，切向吹向悬浮转子机构使其沿轴向转动，风从排气通道23流出收集器外壳。旋转卡扣28与角度卡槽31配合，使导流叶片27在一定范围内转动，导流叶片有两个极限角度，一个是叶片闭合，即不同导流叶片的外侧与内侧相互贴合，即最小角度，另一个极限角度是风吹的时候，导流叶片靠近马鞍面的那一侧的切面与马鞍面的切面平行，从而可以关闭/打开能量收集器的进风口，且不至于旋转角度过大而阻碍气流沿着马鞍状外壳壁流动，达到自适应气流风向的效果。
31.如图11、图12所示，上热解石墨板2通过第一热解石墨板固定机构与收集器外壳的内周璧固定连接，第一热解石墨板固定机构包括纵截面为h型的第一安装架9，上热解石墨板2由榫卯结构镶嵌进在第一安装架9的下部腔体内，下热解石墨板4通过第二热解石墨板固定机构与收集器外壳的内周璧固定连接，第二热解石墨板固定机构包括纵截面为h型的第二安装架11，下热解石墨板4由榫卯结构镶嵌进在第二安装架11的上部腔体内。
32.提升磁铁通过第一磁铁固定机构固定在第一安装架9的上部腔体内，第一磁铁固定机构包括纵截面为u型的第一磁铁固定外壳12和设置在第一磁铁固定外壳的开口端的第一固定板19，第一安装架9的上部腔体的内周壁上均布有内螺纹，第一磁铁固定外壳12的内周壁和外周壁上均布有螺纹，提升磁铁1和第一固定板19的外周壁上均布有外螺纹，提升磁铁1和第一固定板19分别通过螺纹与第一磁铁固定外壳12固定连接，第一磁铁固定外壳通
过螺纹与第一安装架固定连接。下拉磁铁5通过第二磁铁固定机构固定在第二安装架的下部腔体内，第二磁铁固定机构包括纵截面为u型的第二磁铁固定外壳20和设置在第二磁铁固定外壳的开口端的第二固定板21，第二安装架11的下部腔体的内侧壁上均布有内螺纹，第二磁铁固定外壳20的内周壁和外周壁上均布有螺纹，下拉磁铁5和第二固定板21的外周壁上均布有外螺纹，下拉磁铁5和第二固定板21分别通过螺纹与第二磁铁固定外壳20固定连接，第二磁铁固定外壳20通过螺纹与第二安装架固定连接。本装置可以通过第一磁铁固定外壳、第一热解石墨板固定外壳、第二磁铁固定外壳和第二热解石墨板固定外壳来调整提升磁铁、下拉磁铁及上热解石墨板、下热解石墨板的轴向位置，水平回复力的改变可以使悬浮转子机构在旋转的过程中更加稳定，同时悬浮转子机构具有了若干个悬浮点和悬浮状态。通过调节提升磁铁和下拉磁铁的轴向位置来改变水平回复力的大小，使其可以适应单喷嘴以至于若干喷嘴数量和不同放置位置的极端应用环境，极大的拓宽了对环境的适应性。
33.为了防止提升磁铁、下拉磁铁、第一悬浮转子和第二悬浮转子受到收集器外壳、摩擦片、盖板、第一磁铁固定机构、第二磁铁固定机构、导流叶片机构、悬浮转子外壳的作用力，收集器外壳、摩擦片、盖板、第一磁铁固定机构、第二磁铁固定机构、导流叶片机构、浮转子外壳均由非磁性材料制成。
34.上拉磁铁、下拉磁铁和第一悬浮转子和第二悬浮转子为磁性材料制成。
35.悬浮转子外壳的圆周壁上均布有四个第三豁口。
36.上感应线圈和下感应线圈数量相同，上感应线圈和下感应线圈由铜、铝或银制成，上感应线圈的数量为第三豁口的整数倍。
37.上热解石墨板和下热解石墨板为高定向热解石墨板，为抗磁性材料制成。
38.收集器外壳10的顶端周璧上均布有定位孔32，盖板6的底面上的均布有与定位孔相对应的定位销33，这样方便盖板6与收集器外壳10装卸。
39.本发明具体使用时，当气流无论从哪个方向吹向导流叶片27的外表面时，均会被导流叶片的外表面改变风向为逆时针围绕马鞍状外壳壁轴向旋转，同时在马鞍状外壳壁和导流叶片的内表面的作用下使气流在轴向旋转的同时向马鞍状外壳壁的中心平面靠拢。当气流吹入收集器外壳的另一侧时，推动导流叶片的内表面旋转，使其关闭形成单入的空间，在压力的作用下气流被导流入喷嘴，吹向第三豁口处，使悬浮转子机构旋转，能量被上感应线圈、下感应线圈8和摩擦片3收集，最终气流通过排气通道23离开能量收集器外壳，形成一个单向的循环。当能量收集器受到振动能量时，悬浮转子机构与摩擦片3之间产生摩擦，同时由于大豁口的第一悬浮转子14和小豁口的第二悬浮转子15有豁口和中心孔，其周围的磁通量密度并不均匀，所以摩擦片3和上感应线圈、下感应线圈都可以收集到能量，摩擦片3可以收集到径向振动能量，上感应线圈、下感应线圈可以收集到径向和轴向的振动能量，之后通过现有技术中的能量管理电路将产生的感应电荷和电动势收集起来。
40.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种气流能量收集器，其特征在于：包括收集器外壳和固定在收集器外壳顶端的盖板，收集器外壳内自上而下依次设有提升磁铁、上热解石墨板、上感应线圈、摩擦片、悬浮转子机构、下感应线圈、下热解石墨板和下拉磁铁，上感应线圈固定在上热解石墨板的底面上，下感应线圈固定在下热解石墨板的顶面上，所述摩擦片位于上感应线圈和悬浮转子机构中间，悬浮转子机构在竖直方向上受到自身的重力与下拉磁铁的磁吸引力之合与提升磁铁的磁吸引力相等，所述悬浮转子机构由第一悬浮转子、设置在第一悬浮转子下方的第二悬浮转子和固定在第一悬浮转子和第二悬浮转子外周的悬浮转子外壳构成，第一悬浮转子的圆周壁上均布有第一豁口、第二悬浮转子的圆周壁上均布有第二豁口，悬浮转子外壳的圆周壁上均布有第三豁口，第一豁口的口径大于第二豁口的口径，第二豁口的口径大于第三豁口的口径，收集器外壳的周壁上于悬浮转子机构外周设有喷嘴，喷嘴的喷气方向沿悬浮转子机构的外周壁的切向布置，悬浮转子机构的中心水平面与喷嘴的中心水平面的位置高度相同，收集器外壳的内周壁上于悬浮转子机构外周开设有排气口，外收集器壳的下端周壁上开设有出气口，收集器外壳的周壁内开设有分别与出气口和排气口连通的排气通道，收集器外壳的周壁外侧安装有导流叶片机构。2.根据权利要求1所述的气流能量收集器，其特征在于：所述收集器外壳为马鞍状外壳，导流叶片机构由旋转柱和固定在旋转柱上的导流叶片构成，旋转柱的顶端设有旋转卡扣，所述盖板上开设有导流叶片上安装孔，导流叶片上安装孔内开设有与旋转卡扣配合的角度卡槽，外壳的底端设有导流叶片下安装孔，导流叶片通过旋转柱安装在盖板和收集器外壳上。3.根据权利要求1所述的气流能量收集器，其特征在于：所述上热解石墨板通过第一热解石墨板固定机构与收集器外壳的内周璧固定连接，第一热解石墨板固定机构包括纵截面为h型的第一安装架，上热解石墨板由榫卯结构镶嵌进在第一安装架的下部腔体内，下热解石墨板通过第二热解石墨板固定机构与收集器外壳的内周璧固定连接，第二热解石墨板固定机构包括纵截面为h型的第二安装架，下热解石墨板由榫卯结构镶嵌进在第二安装架的上部腔体内。4.根据权利要求3所述的气流能量收集器，其特征在于：所述提升磁铁通过第一磁铁固定机构固定在第一安装架的上部腔体内，第一磁铁固定机构包括纵截面为u型的第一磁铁固定外壳和设置在第一磁铁固定外壳的开口端的第一固定板，第一安装架的上部腔体的内周壁上均布有内螺纹，第一磁铁固定外壳的内周壁和外周壁上均布有螺纹，提升磁铁和第一固定板的外周壁上均布有外螺纹，提升磁铁和第一固定板均通过螺纹与第一磁铁固定外壳固定连接，第一磁铁固定外壳通过螺纹与第一安装架固定连接，所述下拉磁铁通过第二磁铁固定机构固定在第二安装架的下部腔体内，所述第二磁铁固定机构包括纵截面为u型的第二磁铁固定外壳和设置在第二磁铁固定外壳的开口端的第二固定板，第二安装架的下部腔体的内侧壁上均布有内螺纹，第二磁铁固定外壳的内周壁和外周壁上均布有螺纹，下拉磁铁和第二固定板的外周壁上均布有外螺纹，下拉磁铁和第二固定板通过螺纹与第二磁铁固定外壳固定连接，第二磁铁固定外壳通过螺纹与第二安装架固定连接。5.根据权利要求4所述的气流能量收集器，其特征在于：所述收集器外壳、摩擦片、盖板、第一磁铁固定机构、第二磁铁固定机构、导流叶片机构、悬浮转子外壳均由非磁性材料制成。
6.根据权利要求1所述的气流能量收集器，其特征在于：所述上拉磁铁、下拉磁铁和第一悬浮转子和第二悬浮转子由磁性材料制成。7.根据权利要求1所述的气流能量收集器，其特征在于：所述悬浮转子外壳的圆周壁上均布有四个第三豁口。8.根据权利要求7所述的气流能量收集器，其特征在于：所述上感应线圈和下感应线圈数量相同，上感应线圈和下感应线圈由铜、铝或银制成，上感应线圈的数量为第三豁口的整数倍。9.根据权利要求1所述的气流能量收集器，其特征在于：所述上热解石墨板和下热解石墨板为高定向热解石墨板，由抗磁性材料制成。10.根据权利要求1所述的气流能量收集器，其特征在于：所述外壳的顶端周璧上均布有定位孔，盖板的底面上的均布有与定位孔相对应的定位销。

技术总结

本发明涉及一种气流能量收集器，包括收集器外壳和盖板，收集器外壳内自上而下依次设有提升磁铁、上热解石墨板、上感应线圈、摩擦片、悬浮转子机构、下感应线圈、下热解石墨板和下拉磁铁，悬浮转子机构由第一悬浮转子、设置在第一悬浮转子下方的第二悬浮转子和固定在第一悬浮转子和第二悬浮转子外周的悬浮转子外壳构成，收集器外壳的周壁上于悬浮转子机构外周设有喷嘴，收集器外壳的周壁外侧安装有导流叶片机构。本发明通过设置喷嘴、导流叶片机构，可以收集任何方向的气流，来驱动悬浮转子机构旋转，从而使得上感应线圈和下感应线圈内磁通量发生变化进而在线圈中产生感应电动势，本发明能够有效地将机械能转化为电能，大大提高了能量转化效率。能量转化效率。能量转化效率。