CN102594082B - 振动发电装置 - Google Patents

Abstract

一种振动发电装置，包括感应线圈和线圈支架，所述振动发电装置还包括外壳、两片磁轭、滑动轴和振子，所述外壳设有圆形空腔，所述线圈支架位于所述圆形空腔的下端，所述线圈支架包括上圆盘、中轴和下圆盘，所述感应线圈套装在所述中轴上，所述圆形空腔的内壁正对地设置两片磁轭，所述磁轭包括上面部分和下面部分，两片磁轭的上面部分的相对面上呈凹凸等宽的方齿，且两片磁轭之间的方齿呈凹凸错位分布；所述上圆盘上安装滑动轴，所述滑动轴上安装振子，所述滑动轴的上端与端盖连接，所述端盖安装在所述圆形空腔的上端。本发明提高磁路利用率、发电效率较高、结构紧凑合理、便于制造安装。

Description

振动发电装置

技术领域

本发明涉及一种振动发电装置。

背景技术

近年来，随着能源的减少和环境污染的加重，人们对新型环保供电方式的兴趣不断增加，能量采集技术是替代传统供电方式的最有前途的方法之一。目前的能量采集技术研究热点之一为振动发电技术，有很多学者开始研究小型振动发电机。振动无处不在，如人体的运动、汽车的颠簸、树叶的随风振动等。目前，上述振动通常被忽略，或者被机械减振器和其他减振设备吸收，也有人提出振动发电装置，该振动发电装置能把振动产生的能量收集起来并应用于生活实际，该方式能有效减少对化学电池的依赖从而减少环境污染，例如为手机、物联网中的传感器节点等供电，这正是振动发电装置具有较高研究价值和广阔应用前景的主要原因。

现有技术中，实现振动发电的一种方式是利用电磁感应现象发电，称为电磁式振动发电装置，传统的电磁式振动发电装置，内部构造各不相同：例如专利申请号为200410067821.3的中国发明专利，共公开了一种振动发电机；专利申请号为200810230833.1的中国发明专利，公开了一种三维振动发电机；专利申请号为200710126703.9的中国发明专利，公开了一种便携式振动发电机；专利申请号为200610051677.3的中国发明专利，公开了一种磁场挤压增强型振动发电机；以及，论文“新型永磁体外置式直线振动发电机性能研究”(浙江大学学报工学版，第41卷第9期，pp.1604-1608)和论文“A microelectromagnetic generator for vibration energy harvesting”(JOURNALOF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING，17(2007)，pp.1257-1265)，公开了一种新型永磁体外置式直线振动发电机，该振动发电机在结构上均较难保证磁路中气隙较小的要求，未能实现闭合磁路，依照电机有关理论可知其磁感应强度低，磁路利用率不高，振动能量利用率不高。同时，上述有些公开文献中电磁线圈利用率也是一个可以改善之处，电磁线圈中有较多部分不能有效切割磁力线并产生电动势，大大影响发电效率。再如专利号为201020125287.8的中国实用新型专利，公开了一种环绕式振动发电机，它的永磁体的四个S极呈十字对称分布，其底部连接在一起并与N极连接，这对制造工艺有很高的要求，非常难制造；同时由于N极和S极之间安装有线圈，整体及结构比较复杂，即使能制造好永磁体，安装也比较困难。并且，由于N极和S极之间隔着线圈，磁路中的气隙还是比较大，可能会导致磁路中的磁通较弱，产生的电能较少，同样存在发电效率较低的技术问题。

发明内容

为了克服现有的振动发电装置的磁路利用率较低、发电效率较低、结构比较复杂、制造安装困难的不足，本发明提供一种提高磁路利用率、发电效率较高、结构紧凑合理、便于制造安装的振动发电装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种振动发电装置，包括感应线圈和线圈支架，所述振动发电装置还包括外壳、两片磁轭、滑动轴和振子，所述外壳设有圆形空腔，所述线圈支架位于所述圆形空腔的下端，所述线圈支架包括上圆盘、中轴和下圆盘，所述感应线圈套装在所述中轴上，所述上圆盘外壁设有上扇形块，所述下圆盘的外壁设有下扇形块，以所述线圈支架的轴心为中心，所述上扇形块和下扇形块针对称设置；所述圆形空腔的内壁正对地设置两片磁轭，所述磁轭包括上面部分和下面部分，两片磁轭的上面部分的相对面上呈凹凸等宽的方齿，且两片磁轭之间的方齿呈凹凸错位分布；一片磁轭的下面部分的上端设有上弧形凸块，另一片磁轭的下面部分的下端设有下弧形凸块，所述上扇形块靠接在所述上弧形凸块上，所述下扇形块靠接在所述下弧形凸块上；所述上圆盘上安装滑动轴，所述滑动轴上安装振子，所述滑动轴的上端与端盖连接，所述端盖安装在所述圆形空腔的上端。

所述振子包括上衔铁、永磁体和下衔铁，所述永磁体的上部连接上衔铁，所述永磁体的下部连接下衔铁，所述上衔铁和下衔铁的厚度与磁轭齿宽相等，所述永磁体的厚度为磁轭齿宽的偶数倍。通常会选择永磁体的厚度为磁轭齿宽的2倍或4倍，当然，也可以选择其他偶数倍。本发明的磁轭齿宽是指齿顶的宽度，齿顶的宽度与齿底的宽度相等。

所述磁轭的横截面呈120°扇形。当然，也可以选择其他的角度，例如90°。150°等。

所述端盖的底面设有上缓冲垫，所述上圆盘的上端面设有下缓冲垫。所述缓冲垫可以选用泡沫垫。

所述端盖与圆形空腔的内壁之间设置密封圈。所述密封圈采用橡胶圈，使得端盖与外壳连接更加紧密。

所述外壳上设有四根定位柱，其中，两根定位柱卡住一片磁轭。当然，也可以选用其他的定位方式。

本发明的技术构思为：在振子上下振动过程中，上、下衔铁和两片磁轭的齿相对位置发生周期性变化，系统中磁路分布发生周期性变化，电磁线圈上的磁通发生周期性变化，根据电磁感应原理，电磁线圈上能得到感应电压，当线圈匝数比较大时就能产生较大的感应电压。

本发明的结构设计合理，由于振子在振动过程中，能形成闭合磁路，且电磁线圈感应的磁通变化较快，电磁线圈上产生的电压较大。

本发明的有益效果：提高了磁路的利用率，提高了线圈利用率，提高了发电效率；且其结构紧凑合理，易于制造安装，适用范围广。

附图说明

图1是本发明的振动发电装置的示意图。

图2是振动发电装置的外部示意图。

图3是端盖和振子的示意图。

图4是线圈支架的示意图。

图5是外壳的示意图。

图6是左磁轭的示意图。

图7是右磁轭的示意图。

图8是两片磁轭与线圈支架的装配关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种振动发电装置，包括感应线圈1和线圈支架2，所述振动发电装置还包括外壳13、左磁轭4、右磁轭5、滑动轴9和振子，所述外壳13设有圆形空腔，所述线圈支架2位于所述圆形空腔的下端，所述线圈支架2包括上圆盘、中轴和下圆盘，所述感应线圈1套装在所述中轴上，所述上圆盘外壁均设有上扇形块，所述下圆盘的外壁均设有下扇形块，以所述线圈支架2的轴心为中心，所述上扇形块和下扇形块针对称设置；所述圆形空腔的内壁正对地设置左磁轭4、右磁轭5，所述左磁轭4、右磁轭5均包括上面部分和下面部分，，两片磁轭的上面部分的相对面上呈凹凸等宽的方齿，且两片磁轭之间的方齿呈凹凸错位分布；右磁轭5的下面部分的上端设有上弧形凸块，左磁轭4的下面部分的下端设有下弧形凸块，所述上扇形块靠接在所述上弧形凸块上，所述下扇形块靠接在所述下弧形凸块上；所述上圆盘上安装滑动轴4，所述滑动轴4上安装振子，所述滑动轴4的上端与端盖5连接，所述端盖5安装在所述圆形空腔的上端。

所述振子包括上衔铁8、永磁体7和下衔铁6，所述永磁体7的上部连接上衔铁8，所述永磁体7的下部连接下衔铁6，所述上衔铁8和下衔铁6的厚度与磁轭齿宽相等，所述永磁体7的厚度为磁轭齿宽的偶数倍。通常会选择永磁体的厚度为磁轭齿宽的2倍或4倍，当然，也可以选择其他偶数倍。本发明的磁轭齿宽是指齿顶的宽度，齿顶的宽度与齿底的宽度相等。

所述磁轭3的横截面呈120°扇形。当然，也可以选择其他的角度，例如90°。150°等。

所述端盖5的底面设有下缓冲垫3，所述上圆盘的上端面设有上缓冲垫10。所述上缓冲垫和下缓冲垫均可以选用泡沫垫。

所述端盖12与圆形空腔的内壁之间设置密封圈11。所述密封圈11采用橡胶圈，使得端盖与外壳连接更加紧密。

所述外壳13上设有四根定位柱，其中，两根定位柱卡住一片磁轭4、5。当然，也可以选用其他的定位方式。

本实施例中，振子相对于外壳13上下振动的过程中，磁力线的走向可分为下面分5种情况：

①永磁体7下面的下衔铁6与左磁轭4的齿顶相对时，该下衔铁6与右磁轭5的齿底相对，永磁体7上面的上衔铁8与右磁轭5齿顶相对且与左磁轭4的齿底相对。由于铁磁材料传递磁力线的特性，磁力线由永磁体7的的N极发出，先后经过永磁体7上面的上衔铁8、气隙、右磁轭5、线圈支架2、左磁轭4、气隙和永磁体7下面的下衔铁6回到永磁体7的S极，形成闭合回路。

②振子向上振动，当永磁体7下面的下衔铁6与左磁轭4的齿顶的相对面积大于与齿底的相对面积时，磁力线从永磁体7的N极发出，经过上衔铁8后，大部分磁力线经过气隙向右磁轭5走，再经过线圈支架2、左磁轭4、气隙、下衔铁6，回到永磁体7的S极，但也有磁通经上衔铁8、左右气隙、左右磁轭、左右气隙、下衔铁6，回到永磁体的S极。与情形①相比，通过线圈支架的磁通减少了。

③振子继续向上继续振动，当永磁体7下面的下衔铁6和左磁轭4的齿顶相对的面积跟与齿底相对的面积相等时，磁力线从永磁体7的N极发出，传向上衔铁8，再经过气隙分别传向左右两片磁轭，由于左右对称性，左右磁力线向下走的部分相互抵消，即线圈支架2上的磁感应强度为0。左右磁轭各自向下走的磁力线，分别经过磁轭和气隙传到下衔铁6，再回到永磁体7的S极。

④振子继续向上振动，当永磁体7下面的下衔铁6和左磁轭4的齿顶的相对面积比与齿底相对面积小时。磁力线从永磁体7的N极发出，大部分磁通经上衔铁8、左右气隙、左右磁轭、左右气隙、下衔铁6，回到永磁体的S极。另有一部分磁通经过上衔铁8、气隙、左磁轭4、线圈支架2、右磁轭5、气隙、下衔铁6，回到永磁体的S极。与情形②相比通过线圈支架的磁通方向相反。

⑤振子继续向上振动，当永磁体7下面的下衔铁6和左磁轭4的齿底对齐时，磁力线由永磁体7的N极发出，先后经过永磁体7上面的上衔铁8、气隙、左磁轭4、线圈支架2、右磁轭5、气隙和永磁体7下面的下衔铁6回到永磁体7的S极，形成闭合回路。此时的磁力线走势跟情形①正好相反。

根据上述分析，在振子振动的过程中，通过线圈支架的磁感应强度大小和方向不断变化，根据电磁感应原理：

$V_{\mathrm{coil}}=n\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{\mathrm{\Δt}}=n\frac{\mathrm{\ΔBS}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

其中，V_coil为线圈的感应电压，n为线圈的匝数，Δφ为磁通量变化量，Δt为发生变化所用时间，ΔB为磁感应强度的变化量，S为线圈支架中心铁心的截面积。

因此，在振子振动的过程中，线圈磁通不断变化，产生感应电压。该振动能量收集装置形成了闭合磁路，磁路利用率高；同时设计了多齿结构，导致振子在一次振动中磁场可产生多次交变，使其在低频的条件下就能产生较大的电压。

本发明中，除了振子冲击力相当大的时候，振子一般情况不会冲到下缓冲垫3和上缓冲垫10上面。这是由于当振子位于磁轭上有齿一段的上边缘或下边缘并继续向上或向下运动时，齿对衔铁的吸引力将阻止振子的运动，并将其拉回有齿段；而在有齿段内，磁轭上的齿对振子的吸引力左右对称抵消，振子运动不受影响。

本发明的优点是：结构设计合理，安装比较方便；振子振动时，能形成闭合磁路，磁路利用率高，提高发电效率。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种振动发电装置，包括感应线圈和线圈支架，其特征在于：所述振动发电装置还包括外壳、两片磁轭、滑动轴和振子，所述外壳设有圆形空腔，所述线圈支架位于所述圆形空腔的下端，所述线圈支架包括上圆盘、中轴和下圆盘，所述感应线圈套装在所述中轴上，所述上圆盘外壁设有上扇形块，所述下圆盘的外壁设有下扇形块，以所述线圈支架的轴心为中心，所述上扇形块和下扇形块对称设置；所述圆形空腔的内壁正对地设置两片磁轭，所述磁轭包括上面部分和下面部分，两片磁轭的上面部分的相对面上呈凹凸等宽的方齿，且两片磁轭之间的方齿呈凹凸错位分布；一片磁轭的下面部分的上端设有上弧形凸块，另一片磁轭的下面部分的下端设有下弧形凸块，所述上扇形块靠接在所述上弧形凸块上，所述下扇形块靠接在所述下弧形凸块上；所述上圆盘上安装滑动轴，所述滑动轴上安装振子，所述滑动轴的上端与端盖连接，所述端盖安装在所述圆形空腔的上端；所述振子包括上衔铁、永磁体和下衔铁，所述永磁体的上部连接上衔铁，所述永磁体的下部连接下衔铁，所述上衔铁和下衔铁的厚度与磁轭齿宽相等，所述永磁体的厚度为磁轭齿宽的偶数倍。

2.如权利要求1所述的振动发电装置，其特征在于：所述磁轭的横截面呈120°扇形。

3.如权利要求2所述的振动发电装置，其特征在于：所述端盖的底面设有上缓冲垫，所述上圆盘的上端面设有下缓冲垫。

4.如权利要求2所述的振动发电装置，其特征在于：所述端盖与圆形空腔的内壁之间设置密封圈。

5.如权利要求2所述的振动发电装置，其特征在于：所述外壳上设有四根定位柱，其中，两根定位柱卡住一片磁轭。

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