CN106953495B - 一种磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置，该装置由外壳腔体和悬浮磁子两个部分组成。其中，悬浮磁子为组合式永磁铁形式，其上下面和侧面均有磁极；外壳腔体侧面绕有发电线圈。悬浮磁子置于外壳腔体内部，悬浮磁子上下表面的磁极与外壳腔体上下盖上固定磁体的磁极同名相对，根据同名磁极相斥的原理，悬浮磁子悬浮在外壳腔体的内部。外壳腔体的壁上嵌有阵列式侧向固定磁铁，侧向固定磁铁指向外壳腔体内表面的磁极与悬浮磁子侧面的磁极相同，同名磁极相斥，避免了悬浮磁子与外壳腔体内表面的摩擦。当能量采集装置处于振动环境中，其内部悬浮磁子相对于外壳腔体振动，外壳腔体上的发电线圈切割磁力线，产生电动势，实现机械能到电能的转化。
Description
技术领域
本发明属于新能源领域，具体涉及一种磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置。
技术背景
随着科技的发展，人们正在利用和开发新能源设备，以满足低碳生活的需求。在工程实际和日常生活中，机械振动是非常普遍的，如车辆的晃动，机床和刀具的振动，行走时的颠簸等。振动能量由于普遍存在于周围环境中，可以为能量采集器提供方便而又充足的能量来源。振动能量采集器可以把系统周围的机械振动能转化为电能。
根据振动能量转换的物理原理，振动能量采集器主要分为三种形式：静电式、压电式和电磁式。其中，电磁式振动能量采集器的工作原理是法拉第电磁感应定律。典型的电磁式振动能量采集器由弹簧、永磁体和感应线圈组成，永磁体连接在弹簧上面，在外界振源的作用下上下振动，使得感应线圈中磁通量随时间不断变化，在线圈两端产生感应电动势，从而将环境中的机械振动能转化为电能。这类装置中，弹簧本身对振动起缓冲作用，消耗一部分振动能，降低能量转换的效率。此外，基于磁悬浮的能量采集器(M.P.S.Santos,etal.Sci.Rep.6,18579(2016))，所选永磁铁为轴向充磁，虽然避免了弹簧结构的使用，但磁铁在振动时会与内腔壁发生摩擦，无法充分利用振动能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一款磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置。
所述能量采集装置包括外壳腔体和悬浮磁子两个部分。
外壳腔体由腔体5、上盖2和下盖6组成，构成封闭结构。其中，腔体5的外壁绕制多股铜线圈4；上盖2的内侧固设径向充磁的上固定磁铁8，下盖6的内侧固设径向充磁的下固定磁铁14。悬浮磁子采用组合形式，由径向充磁的上悬浮磁铁9、辐射型充磁的辐射充磁磁铁11和径向充磁的下悬浮磁铁13。
上悬浮磁铁9、辐射充磁磁铁11和下悬浮磁铁13组合安装于磁铁固定块12；其中，辐射充磁磁铁11套在磁铁固定块12的外侧，上悬浮磁铁9和下悬浮磁铁13分别固定在磁铁固定块12的两端。
悬浮磁子利用同名磁极相斥的原理，悬浮在外壳腔体的内部。其中，上固定磁铁8与上悬浮磁铁9同名磁极相斥；下悬浮磁铁13与下固定磁铁14同名磁极相斥；为避免悬浮磁子与腔体5的内壁发生摩擦，腔体5增设侧向固定磁铁10与辐射充磁磁铁11同名磁极相斥。
所述磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置的优点在于：
①利用永磁铁同名磁极相斥的原理，保证装置内腔中的磁铁同极相对。尤其是悬浮磁子使用辐射充磁磁铁与腔体壁上的侧向固定磁铁同名磁极相斥，与腔壁之间不发生摩擦，有效避免能量损耗。
②多股铜线圈绕组绕制在腔体的外壁，线圈绕组均设置在磁力线密集处。充分有效地利用装置的闲置空间，增设发电线圈。装置结构紧凑，能量转换效率高。
③磁铁的安装均采用紧固螺栓连接，避免了现有技术中胶水粘连等不可靠因素的存在，排除磁铁受排斥力飞出的可能，保证装置使用中的安全性。
附图说明
图1是所述能量采集装置的轴测图。
图2是所述能量采集装置的剖视图。
图3是所述能量采集装置上(或下)固定磁铁磁极示意图。
图4是所述能量采集装置侧向固定磁铁磁极示意图。
图5是所述能量采集装置辐射充磁磁铁磁极示意图。
图6是所述能量采集装置上(或下)悬浮磁铁磁极示意图。
其中：1紧固螺栓，2上盖，3侧向锁紧螺丝，4线圈，5腔体，6下盖，7磁铁固定螺栓，8上固定磁铁，9上悬浮磁铁，10侧向固定磁铁，11辐射充磁磁铁，12磁铁固定块，13下悬浮磁铁，14下固定磁铁。
具体实施方式
所述磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置由外壳腔体和悬浮磁子组成。
所述悬浮磁子包括上悬浮磁铁9、辐射充磁磁铁11、磁铁固定块12和下悬浮磁铁13。其中，磁铁固定块12为圆柱形结构；辐射充磁磁铁11为环形结构，套在磁铁固定块12的外侧，辐射充磁磁铁11与磁铁固定块12的高度相等；上悬浮磁铁9和下悬浮磁铁13分别通过磁铁固定螺栓7固定于磁铁固定块12的两端，同时限制辐射充磁磁铁11相对磁铁固定块12的运动。
所述能量采集装置的外壳腔体包括侧向锁紧螺丝3、线圈4、腔体5和侧向固定磁铁10，以及上盖2、上固定磁铁8、下盖6和下固定磁铁14。其中，腔体5为环形腔体，其外壁设有绕制线圈4的凹槽，壁上设有安装侧向固定磁铁10的通孔；线圈4绕制在腔体5的外侧；侧向固定磁铁10紧配安装于腔体壁的通孔中，并通过侧向锁紧螺丝3锁紧。
所述能量采集装置的上固定磁铁8通过磁铁固定螺栓7固设于上盖2的内侧，下固定磁铁14通过磁铁固定螺栓7固设于下盖6的内侧。
所述能量采集装置安装时，悬浮磁子放置在腔体5的内侧腔体中，上盖2和下盖6分别通过紧固螺栓1固定安装于腔体5的两端。
优选的，所述腔体5、上盖2、下盖6和磁铁固定块12为非磁性材料。
优选的，辐射充磁磁铁11、上悬浮磁铁9和下悬浮磁铁13为钕铁硼永磁材料，其中辐射充磁磁铁11为辐射型充磁，其内侧为S极，外侧为N极；上悬浮磁铁9和下悬浮磁铁13均为轴向充磁。安装时保证，上悬浮磁铁9的N极朝上，S极朝下；下悬浮磁铁13的N极朝下，S极朝上。所述能量采集器的悬浮磁子的外侧为N极。
优选的，侧向固定磁铁10为钕铁硼永磁材料，充磁方向为轴向充磁。安装时，侧向固定磁铁10的N极朝向腔体5的内侧，侧向固定磁铁10的S极朝向腔体5的外侧。侧向固定磁铁10为双排，沿腔体5径向设置；侧向固定磁铁10的数量根据腔体5直径而定。
优选的，上固定磁铁8和下固定磁铁14为钕铁硼永磁材料，充磁方向为轴向充磁。上固定磁铁8的N极朝下，S极朝上；下固定磁铁14的N极朝上，S极朝下。
所述能量采集装置的内部形成磁极N-N相对，上固定磁铁8与上悬浮磁铁9同名磁极相斥，下悬浮磁铁13与下固定磁铁14同名磁极相斥；侧向固定磁铁10与辐射充磁磁铁11同名磁极相斥。实现悬浮磁子悬浮于腔体内部而不发生任何接触。
优选的，线圈4为铜线圈。充分有效地利用装置的闲置空间，增设多股发电线圈4，线圈4均设置在磁力线密集处。
当外界有振动时，所述能量采集装置的线圈4会切割悬浮磁子形成的磁力线，将振动的机械能转化为电能。其中，中间线圈以切割辐射充磁磁铁11产生的磁力线为主；上下两侧的线圈分别以切割上悬浮磁铁9和下悬浮磁铁13产生的磁力线为主。
所述能量采集装置的输出电压满足：
其中，N为线圈匝数，Φ为磁通，t为时间。
以上描述是对本发明的解释，不是对本发明的限定，所述磁悬浮式免摩擦振动能量采集器还可以通过改变永磁铁磁极的充磁方向的替代方案实现。本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到其他改进或变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置，其特征在于：磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置包括悬浮磁子和外壳腔体两个部件，其中悬浮磁子包括上悬浮磁铁(9)、辐射充磁磁铁(11)、磁铁固定块(12)和下悬浮磁铁(13)，磁铁固定块(12)为圆柱形结构，辐射充磁磁铁(11)为环形结构且套在磁铁固定块(12)的外侧，辐射充磁磁铁(11)与磁铁固定块(12)的高度相等，上悬浮磁铁(9)和下悬浮磁铁(13)分别通过磁铁固定螺栓(7)固定于磁铁固定块(12)的两端，同时限制辐射充磁磁铁(11)相对磁铁固定块(12)的运动；外壳腔体包括侧向锁紧螺丝(3)、线圈(4)、腔体(5)和侧向固定磁铁(10)，以及上盖(2)、上固定磁铁(8)、下盖(6)和下固定磁铁(14)，腔体(5)为环形腔体且外侧壁设有绕制线圈(4)的凹槽，壁上设有安装侧向固定磁铁(10)的通孔，线圈(4)绕制在腔体(5)的外侧，侧向固定磁铁(10)紧配安装于腔体壁的通孔中并通过侧向锁紧螺丝(3)锁紧，上固定磁铁(8)通过磁铁固定螺栓(7)固设于上盖(2)的内侧，下固定磁铁(14)通过磁铁固定螺栓(7)固设于下盖(6)的内侧；悬浮磁子放置在腔体(5)的内侧腔体中，上盖(2)和下盖(6)分别通过紧固螺栓(1)固定安装于腔体(5)的两端，悬浮磁子外侧每个面的磁铁分别与外壳腔体内侧相对面上磁铁处于同名磁极相斥的状态，保证悬浮磁子不与外壳腔体接触。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置，其特征在于：辐射充磁磁铁(11)、上悬浮磁铁(9)和下悬浮磁铁(13)为钕铁硼永磁材料，其中辐射充磁磁铁(11)为辐射型充磁，上悬浮磁铁(9)和下悬浮磁铁(13)均为轴向充磁。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置，其特征在于：侧向固定磁铁(10)为钕铁硼永磁材料，充磁方向为轴向充磁；侧向固定磁铁(10)为双排，沿腔体(5)径向设置，侧向固定磁铁(10)的数量根据腔体(5)直径而定。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置，其特征在于：上固定磁铁(8)和下固定磁铁(14)为钕铁硼永磁材料，充磁方向为轴向充磁。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置，其特征在于：内部形成磁极N-N相对或S-S相对，上固定磁铁(8)与上悬浮磁铁(9)同名磁极相斥，下悬浮磁铁(13)与下固定磁铁(14)同名磁极相斥；侧向固定磁铁(10)与辐射充磁磁铁(11)同名磁极相斥，实现悬浮磁子悬浮于腔体内部而不发生任何接触。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置，其特征在于：腔体(5)、上盖(2)、下盖(6)和磁铁固定块(12)为非磁性材料。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮式免摩擦振动能量采集装置，其特征在于：线圈(4)为铜线圈，腔体(5)的外壁增设多股线圈(4)。
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