CN101944821B - 一种永磁阻尼直线发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁阻尼直线发电装置，包括机壳、机壳两端的端盖以及设置在机壳空腔内的动子和定子；定子包括与机壳同轴的圆筒形的绕组支架以及缠绕在绕组支架外侧的绕组，绕组支架与机壳之间留有导线引出槽，机壳上设有导线引出口，导线引出口与导线引出槽连通；动子为与机壳同轴的圆柱体，包括若干轴向充磁的动子永磁体以及位于相邻两个动子永磁体之间的铁心，相邻两块动子永磁体充磁方向相反，动子永磁体与铁心直径相等；端盖的内侧设有固定永磁体，固定永磁体与靠近固定永磁体的端部的动子永磁体充磁方向相反。本发明的永磁阻尼直线发电装置结构简单、感应电动势高、生产成本较低。

Description

一种永磁阻尼直线发电装置

技术领域

本发明涉及小型发电设备技术领域，尤其涉及一种永磁阻尼直线发电装置。

背景技术

某些特定的工业场合，由于工作环境的要求，需要应用无线传感器。然而现有的无线传感器主要使用电池供电，缺点是电池储能有限，需要定期更换，增加维护的成本，降低系统可靠性。

能量收集器可以将设备工作环境周围已有的能量转换成为电能，代替电池。现在已有的能量收集器主要是将热能、光能、振动能量转换成电能。将振动能量转换成电能的形式主要有电磁式、压电式、静电式。现有的电磁式多采用弹簧-质量块系统，通过弹簧放大振动，使得能量收集器中不同部分产生相对运动，将相应的振动能量转换成电能。采用弹簧-质量块系统时，弹簧的弹性系数选择容易受到实际弹簧的限制(实际弹簧的弹簧系数有相应的国家标准)。由于弹性系数为离散的，而系统的固有频率的设定与弹簧的弹性系数和动子的质量有关，所以很难将系统的固有频率调整至与振源频率相等。另外，实际弹簧的弹性系数一定时，对相应弹簧的有效图数、簧丝直径等有一定要求，进而弹簧的安装尺寸和空间大小限制比较大；目前在相似系统中大多采用压簧，在振源加速度较大的情况下，可能会损坏弹簧，同时限制动子的行程，同时也增加了能量收集器的制造成本。

公开号为CN1877973的专利文献公开了一种便携式电子设备的振动发电装置，该装置采用一个永磁体在运动腔体内往复运动，与绕组产生相对运动，通过切割磁力线在绕组内产生感应电流，并整流成为直流电，为电池充电。这种振动发电装置运动腔体只有一块永磁体，产生的感应电势比较小，同时当需要一定的感应电压时，单块永磁体的长度一定，这样和端部永磁体相互作用等效弹簧的弹簧系数的可调范围比较小。设计一种根据振动源的特性和负载特性选择相应的绕组和弹簧系数成为目前需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种结构简单、感应电动势高、生产成本较低的永磁阻尼直线发电装置。

一种永磁阻尼直线发电装置，包括圆筒形的机壳、机壳两端的端盖以及设置在机壳空腔内的动子、定子和固定永磁体；所述的定子包括与机壳同轴的圆筒形的绕组支架以及缠绕在绕组支架外侧的绕组，绕组支架为非导磁材料，绕组支架与机壳之间留有导线引出槽，机壳上设有导线引出口，导线引出口与导线引出槽连通；所述的动子为与机壳同轴的圆柱体，位于绕组支架内，所述的动子包括若干轴向充磁的动子永磁体、位于相邻两个动子永磁体之间的铁心以及将动子永磁体和铁心包裹的护套，护套为非导磁材料，相邻两块动子永磁体充磁方向相反，动子永磁体与铁心直径相等；所述的端盖内侧固定有固定永磁体，固定永磁体与靠近固定永磁体的动子端部的动子永磁体充磁方向相反。

机壳和机壳两端的端盖均可选择导磁材料，根据实际应用场合不同机壳主体可以为圆筒形、长方体形或者其他形状，机壳与端盖上均布连接孔，用于将绕组支架与机壳固定以及机壳与振源的连接。机壳的直径和长度一般可根据实际需要确定。机壳主体靠近端盖的一端留有导线引出孔，用于将绕组的导线引出，方便与外设部件连接。

绕组支架为具有一定厚度的圆筒体，一般可选用高分子聚合物非导磁材料，绕组支架外壁设有环形凹槽，环形凹槽一般设置在绕组支架外壁的中部；环形槽的宽度、深度以及设置个数可根据实际需要调整；绕组支架外壁设有导线引出槽，导线引出槽与环形凹槽相连通，导线引出槽与机壳主体的导线引出孔连通，便于绕组的缠绕与连接；另一方面导线引出槽的设置可以使得绕组支架与机壳之间更加紧凑，有利于减小发电装置的整体体积。绕组支架内侧经过抛光处理，或者同时喷涂润滑剂，这样可以减少动子往复运动的摩擦力，并减低噪音。

动子由动子永磁体、铁心以及包裹动子永磁体和铁心的护套组成，在相互磁力的吸引下，动子永磁体与铁心组成完整的圆柱体。护套外表面经过抛光处理，以进一步减小动子往复运动的摩擦力；动子永磁体可选用市场常见的铁氧体、钕铁硼或钐钴。铁心可由实心铁组成或由硅钢片叠制组成。动子的形状也可根据实际需要调整。动子永磁体采用轴向充磁，加工比较方便，生产成本较低。相邻两块动子永磁体充磁方向相反，铁心中磁力线沿径向扩散，与定子的绕组线圈垂直，气隙中的磁密增加，定子的绕组垂直切割磁力线，产生的感应电动势增大；实际应用中一般可以通过调整动子永磁体和铁心的相对厚度，调整气隙磁场，通过调整一对动子永磁体和相邻的铁心的厚度可以调整动子的极距，配合定子绕组线圈，调整感应电势的波形。动子采用多块永磁体，极对数较多，使得动子整个行程中，定子绕组线圈的利用率提高。动子永磁体和铁心外包有护套，以保证整个动子为一个整体，方便对整个动子外侧进行抛光处理，减小动子与定子绕组支架的摩擦。

机壳两端的端盖内侧可选择安装固定永磁体，固定永磁体同样可以选择铁氧体、钕铁硼或钐钴，固定永磁体的个数可以是一个或两个；由于端盖为磁性材料，可以将固定永磁体直接通过磁力吸引力固定在端盖内侧，安装方便。当本发明的充电装置水平放置使用时，需要在两个端盖的内侧分别设置一个固定永磁体。固定永磁体与动子两端的动子永磁体的斥力作用使动子在绕组支架内往复运动，避免产生机械拉伸碰撞。当上述发电装置竖直放置使用时，一般只需在机壳底端端盖内侧设置一个固定永磁体即可，动子在斥力和自身重力的相互作用下，在绕组支架内做上下往复运动。端部的固定永磁体和动子永磁体之间的相互作用等效于弹簧结构，采用端部固定永磁体和动子永磁体的磁力等效弹簧，调整端部固定永磁体和动子永磁体的厚度、面积、相对距离可以在一定范围内连续的调整等效弹簧的弹性系数，从而可以实现根据不同场合对发电装置设置不同的固有频率。使用过程中动子的振动频率最终会和振源的振动频率相等，当发电装置自身的固有频率和振源的振动频率一致时，就可以将振源的振动放大到最大，即这时动子的振幅最大，动子与定子的相对运动最大，从而可以收集更多的电能，提高最终的发电效率。

定子绕组由漆包线绕成，根据实际需要绕组可以是单相绕组或三相绕组。单相绕组，在动子一对极距即一个周期内，前半个周期和后半个周期内动子建立的磁场方向相反，为保证串联后反电势叠加不抵消，两个半个周期内的绕组的绕向相反。三相绕组，动子一个周期内，三相绕组之间相差120度电角度，不同周期范围内同相绕组缠绕、连接方向保证绕组反电势正向叠加，以获得更多的反电势。相邻两组绕组之间的绕向相反。

本发明带来的有益效果体现在：

(1)本发明的发电装置可通过调节动子的端部动子永磁体和固定永磁体的厚度、面积等永磁体之间的斥力，即调节阻尼运动时等效弹簧系数，结合动子的质量可以调节系统的固有频率，从而适用于一定范围内的不用频率的振源，实现发电装置的发电效率最大；

(2)通过调节动子中动子永磁体的厚度、数量，结合铁心厚度数量，以及绕组的分布，可以产生单相、三相感应电动势，并可以控制感应电动势的大小，以满足不同场合的需要；

(3)本发明的发电装置的机械阻尼振动转换对固有频率的控制和电磁作用产生电能的控制相对独立，可以分开控制，实用性较强。

附图说明

图1为本发明的发电装置水平放置使用时的结构示意图；

图2为图1中发电装置沿A-A面的剖面图；

图3为图2中发电装置B部分的局部放大图；

图4为本发明的发电装置竖直放置使用时的结构示意图；

图5为本发明的发电装置用于产生单相感应电动势的电路示意图；

图6为本发明的发电装置用于产生三相感应电动势的电路示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图4所示，一种永磁阻尼直线发电装置，包括机壳1、机壳1两端的端盖、机壳1内的定子、动子和端盖内侧的固定永磁体9。

如图1～3所示，端盖包括第一端盖2和第二端盖12，机壳1和端盖均为导磁材料，机壳1为圆筒形。根据实际应用场合不同机壳1也可以选择长方体形或者其他形状。机壳1、第一端盖2和第二端盖12上均布连接孔，用于将绕组支架与机壳固定以及机壳与振源的连接。机壳1的直径和长度一般可根据实际需要确定。机壳1靠近第一端盖2的一端留有导线引出孔6。

如图1～4所示，定子包括绕组支架3和绕组支架外侧的绕组4。绕组支架3为高分子聚合物非导磁材料。绕组支架3为具有一定厚度的圆筒，绕组支架3外壁上设有环形凹槽10，凹槽10的个数为6个，凹槽10的个数、宽度和深度均可根据实际需要确定。绕组支架3外壁上设有导线引出槽5，导线引出槽5与凹槽10连通且与绕组支架3同轴设置，导线引出槽5出口端与导线引出孔6连通，远离导线引出孔6的另一端止于靠近第二端盖12的凹槽内，便于绕组4的布置。绕组支架3采用螺栓通过机壳1和端盖上的连接孔将三者固定连接。绕组4为漆包线绕成，为单相绕组，根据实际需要绕组4也可以布置为三相绕组，以产生三相感应电动势。绕组支架3的内腔为动子往复运动的轨道，为减少阻力和噪音可将其内表面经抛光处理，然后喷涂润滑剂。

如图1～4所示，动子由动子永磁体7、铁心8和包裹动子永磁体7和铁心8的护套11组成，在相互磁力的吸引下，动子永磁体与铁心组成完整的圆柱体。动子永磁体7的数量为7个，可选用市场常见的铁氧体、钕铁硼或钐钴，动子永磁体的数量也可根据实际需要调整。铁心8数量为6个，可选用由实心铁组成或由硅钢片叠制组成。动子的形状也可根据实际需要调整。相邻两块动子永磁体充磁方向相反，铁心中磁力线沿径向扩散，与定子的绕组线圈垂直，增加了气隙中的磁密，定子的绕组垂直切割磁力线，产生的感应电势增大；实际应用中一般可以通过调整动子永磁体和动子铁心的相对厚度，调整气隙磁场，调整动子永磁体和相邻的铁心的厚度可以调整动子的极距，配合定子绕组线圈，调整反电势的波形。动子永磁体7和铁心8外包有护套11，以保证整个动子为一个整体，方便对整个动子外侧进行抛光处理，减小动子与定子绕组支架3之间的摩擦。

如图1所示，本发明的发电装置水平放置使用时，第一端盖2和第二端盖12的内侧分别设有一个固定永磁体9，固定永磁体9为轴向充磁，左侧的固定永磁体9与动子左端端部的动子永磁体7的充磁方向相反，右侧固定永磁体9与动子右端端部的动子永磁体7充磁方向相反，动子与固定永磁体9之间产生斥力，没有外力时动子处于稳定平衡状态，动子与两端的固定永磁体9保持相同的距离，当受到外界振动时，动子失去平衡，动子向一端移动，动子永磁体7与这端的距离减小，斥力增大，阻碍动子进一步向这端移动，动子靠惯性及两端固定永磁体9的斥力作用不断的做往复运动。如图4所示，当本发明的发电装置竖直设置使用时，只需在第一端盖2的内侧设有一个固定永磁体9即可，在斥力和动子自身重量的作用下实现动子的上下往复运动。

如图5所示，本发明需要产生单相感应电动势时，绕组4设置为单相绕组，绕组4组成了交流电源S，由电源S产生的交流电，经过单相二极管D1、D2、D3和D4进行单相整流，整流后对储能装置电容C充电，电容C提供电能给负载电器L。如图6所示，本发明需要产生三相感应电流电动势时，绕组4需要设置为三相绕组，三个绕组分别组成交流电源SA、SB和SC，SA、SB和SC分别通过D1、D2、D3、D4、D5和D6进行三相整流，后对储能装置电容C充电，电容C提供电能给负载电器L。图5和图6中的电容C也可根据实际需要用蓄电池代替。

Claims (7)

1.一种永磁阻尼直线发电装置，包括圆筒形的机壳(1)、机壳(1)两端的端盖以及设置在机壳(1)空腔内的动子和定子；所述的定子包括与机壳(1)同轴的圆筒形的绕组支架(3)以及缠绕在绕组支架(3)外侧的绕组(4)，绕组支架(3)为非导磁材料，绕组支架(3)与机壳(1)之间留有导线引出槽(5)，机壳(1)上设有导线引出口(6)，导线引出口(6)与导线引出槽(5)连通；所述的动子为与机壳(1)同轴的圆柱体，位于绕组支架(3)内，其特征在于，所述的动子包括若干轴向充磁的动子永磁体(7)、位于相邻两个动子永磁体之间的铁心(8)以及将动子永磁体(7)和铁心(8)包裹的护套(11)，护套(11)为非导磁材料，相邻两块动子永磁体充磁方向相反，动子永磁体(7)与铁心(8)直径相等；所述的端盖的内侧固定有固定永磁体(9)，固定永磁体(9)与靠近固定永磁体(9)的动子端部的动子永磁体充磁方向相反；所述的绕组支架(3)外壁上设有用于放置绕组(4)的环形凹槽(10)；所述的绕组支架(3)外壁上设有导线引出槽(5)，导线引出槽(5)与环形凹槽(10)相连通；所述的机壳(1)和机壳(1)两端的端盖由导磁材料组成。

2.根据权利要求1所述的永磁阻尼直线发电装置，其特征在于，所述的护套(11)和绕组支架(3)为高分子聚合物非导磁材料。

3.根据权利要求1所述的永磁阻尼直线发电装置，其特征在于，所述的动子永磁体(7)和固定永磁体(9)为铁氧体、钕铁硼或钐钴。

4.根据权利要求1所述的永磁阻尼直线发电装置，其特征在于，所述的铁心(8)由实心铁组成或由硅钢片叠制组成。

5.根据权利要求1所述的永磁阻尼直线发电装置，其特征在于，所述的绕组(4)为单相绕组或三相绕组。

6.根据权利要求1所述的永磁阻尼直线发电装置，其特征在于，所述的机壳(1)竖直设置，机壳(1)底端的端盖内侧设有固定永磁体(9)。

7.根据权利要求1所述的永磁阻尼直线发电装置，其特征在于，所述的机壳(1)水平放置，机壳(1)两端端盖内侧分别设有固定永磁体(9)。

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