前言

随着对地球未来状况的日益关注，对全球野生动物和气候监测能力的需求也越来越大。然而，在海洋的某些地方，勘探和记录数据是困难的，这导致了无人驾驶地面车辆的高度普及。虽然这种船只可以用电池或燃料电池运行几天或几周，但它们的容量有限，太阳能可能很有用，但在经常黑暗的北极和南极海洋中长期运行仍是遥不可及的。从这些由海浪产生的船只振动中获取能量，可以提供一种替代能源，从而大大延长它们的运行周期。

研究内容

英国的研究人员开发了一种具有全新机械旋转整流器系统的替代摆式能量采集器，以利用水下无人器的运动，该系统通过偏置布局使用最小的正齿轮来校正输入运动。对于这种应用，直齿轮是最可靠且通常是最有效的齿轮类型，能够在轴上没有轴向推力的情况下传递大量的动力。两个单向楔块离合器用于将双向输入激励转换为齿轮电机的单向旋转。这些离合器比以前文献中经常使用的滚柱离合器更大，能够以极低的齿隙传递更大的扭矩。这些因素，加上高扭矩、高齿轮比的齿轮头和高效的电机，使这种能量采集器能够可靠地传输比以前这种尺寸的设计更大的功率。此外，收割机的简单设计使得改变变得容易，从而使其能够适应所需的操作条件。摆臂长度、质量和飞轮惯性的缩放允许谐振频率、功率水平和输出整流量被调整，而对整体设计很少或没有改变。

实验方法

摆式能量采集器的总体设计由摆式框架、质量、机械旋转整流器(MRR)和带飞轮的齿轮电机组成，飞轮的存在与否取决于对输出功率的贡献。最长的轴作为横跨USV宽度的固定旋转中心，其端部固定在船体中，使得整个摆架在由海浪引起的俯仰运动驱动时，围绕它旋转。让整个组件旋转，使该装置可以很容易地安装到USV的船体，同时允许电机和齿轮的重量贡献给钟摆的质量。摆的双向运动由作者专门开发的MRR转换成单向旋转，以提高DC电动发电机的能量转换效率。这种单向旋转驱动电机发电。MRR由两个单向离合器和4个偏置正齿轮组成。

摆式能量采集器的总体设计。

演示摆式能量采集器工作机理的CAD设计模型。

(a)测试能量采集器原型的实验装置和(b)不带飞轮的摆式能量采集器原型。

摆式能量采集器实测实验与仿真结果的比较。

结论

带有机械旋转整流器(MRR)的摆式能量采集器已经被设计、建模、原型化和特征化，以采集由海浪产生的低频环境振动，从而为无人驾驶的水面车辆提供动力。能量采集器采用新型MRR设计，包括偏置齿轮和离合器，允许使用最少数量的正齿轮，以最大限度地提高效率，减少传输线的齿隙，同时保持高扭矩能力。这种设计是精确的3D模型，采用全金属结构。该装置的1赫兹共振频率在船舶的预期固有频率范围内，可以进一步调整以匹配特定船舶的特定需求。考虑到系统的耦合和解耦状态，推导出数学模型，以模拟和预测设备对给定正弦输入振动的响应和性能。数学模型与实验结果有很好的相关性。该研究进一步对摆的三个关键器件参数变化的影响进行了仿真分析，揭示了摆臂长度与固有频率、摆质量与最大功率之间的具体关系。此外，还研究了不同飞轮的影响，表明在飞轮惯性较高时，电压明显平滑，并且在稳定状态下，以延长启动时间为代价，整体功率增加。这种装置有可能以目前的规模协助为USV通信提供动力，但可以很容易地扩大规模，延长水下运载器的勘探持续时间并提供有效的能源。

https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112356。