CN103001449B - 电磁式振动发电装置 - Google Patents

Abstract

一种电磁式振动发电装置，包括外壳，外壳内安装可上下滑动的振子，振动发电装还包括四个感应线圈、前后左右四片磁轭、上磁轭支架和下磁轭支架；外壳为一有底的圆筒形，外壳为非磁性材料制成，圆筒形内侧壁上均匀分布着四条导轨，振子可滑动地安装在导轨上，导轨在径向上最小尺寸小于磁轭上凸起方齿的齿顶的半径，外壳内自下而上依次布置下磁轭支架、磁轭、振子、上磁轭支架、感应线圈和轭顶；磁轭为软磁材料制成，四个沿外壳空腔周向相邻对称分布，处于相对位置的两片磁轭完全相同，而处于相邻位置的磁轭其方齿的呈凹凸错位分布。本发明振动阻力小，磁路利用率较高、发电效率较高。

Description

电磁式振动发电装置

技术领域

本发明涉及一种振动发电装置。

背景技术

近年来，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，受到很多学者关注，例如，可以收集环境中的磁能供无线传感网络节点使用。自然界中振动无处不在，如海浪波动，人行走时产生上下振动，汽车颠簸，树枝随风摇摆等，其振动能量通常被忽略，或者被减震器等设备吸收。如果把振动产生的能量收集起来，替代电池为一些低功耗设备如微型传感器网络节点或物联网节点供电，既减少电池造成的环境污染又突破了电池寿命对上述节点造成的使用寿命限制，因此振动能量收集成为国内外广泛关注的研究热点之一。

根据能量收集原理的不同，现有装置可大致分为电磁式、压电式和静电式3种形式。就振动发电而言，普遍认为，鉴于尺寸效应上的特点，利用静电振动发电的原理仅适合在微尺寸下作振动发电装置；从发电功率来看，较其他两种方式也有较大差距。有人比较了电磁式和压电式振动能量收集装置，结果显示当振动频率较高、加速度较大时压电式表现较好；而振动频率较低、加速度较小时则是电磁式表现则较好。就本文所关心的波浪振动、行走振动和树枝摇摆来说，其振动频率约为1Hz到4Hz，比较适合采用电磁式振动能量收集原理。

传统的电磁式振动发电装置的内部构造各不相同，但是大多数振动发电装置未注意到形成闭合磁路，振动利用率低，效率非常低。或者有些由于制造、安装困难等原因不利于实现。例如专利申请号为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"Electromagnetic generator for harvesting energy from human motion”(Sensors and Actuators A: Physical，VOL. 147, pp.248-253)和论文“Analytical model ofa vibrating electromagnetic harvester consi- dering nonlinear effects”(IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELEC- TRONICS，VOL. 25, NO. 8, pp.1989-1997），公开了两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，依照电机原理的有关理论知识可知其磁感应强度低，永磁体利用率不高，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。论文“低频振动能量收集装置的设计和数值模拟”（传感器技术学报, 2012, 25(9): 1268-1273）公开了一种形成闭合磁路、无弹簧并且效率较高的振动发电装置，该装置在振动过程中，其左右两磁轭对振子的吸引力在周向上能平衡，但从轴向来说两吸引力将在振子上产生扭矩，如果振子与导轨间的润滑不良时该扭矩形成的摩擦将在一定程度上影响振子的自由振动。

发明内容

为了克服已有电磁式振动发电装置的磁路利用率较低、发电效率不高的不足，本发明提供一种振动阻力小、磁路利用率较高、发电效率较高的电磁式振动发电装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电磁式振动发电装置，包括外壳，所述外壳内安装可上下滑动的振子，所述振动发电装还包括四个感应线圈、前后左右四片磁轭、上磁轭支架和下磁轭支架；所述外壳为一有底的圆筒形，所述外壳为非磁性材料制成，所述圆筒形内侧壁上均匀分布着四条导轨，所述振子可滑动地安装在导轨上，所述导轨在径向上最小尺寸小于磁轭上凸起方齿的齿顶的半径，所述外壳内自下而上依次布置下磁轭支架、磁轭、振子、上磁轭支架、感应线圈和轭顶；

所述磁轭为软磁材料制成，四个沿外壳空腔周向相邻对称分布，所述磁轭包括上面部分和下面部分，所述磁轭上面部分中由上至下包括圆柱形限位块、线圈轴和扇形限位块，所述四个感应线圈套分别缠绕于所述四个线圈轴上，感应线圈在轴向上受到圆柱形限位块和扇形限位块的限位，所述磁轭的下面部分有一段凹凸等宽的方齿，处于相对位置的两片磁轭完全相同，而处于相邻位置的磁轭其方齿的呈凹凸错位分布。

进一步，所述上磁轭支架用于四片磁轭的径向定位，为非磁性材料制成。所述上磁轭支架包括中间圆柱体和四个凸起。四个凸起插于磁轭之间，而中间圆柱体的直径与磁轭下部内径配合，故能起到与外壳一起对磁轭实现径向定位。从轴向来说，所述上磁轭支架的中间圆柱体受到磁轭上的扇形块的限位，而四个凸起被导轨上端限位，而该零件的厚度正好为上述两个限位面间的距离。

再进一步，所述下磁轭支架为非磁性材料制成，包括上面部分和下面部分。所述下磁轭支架的上面部分为中间圆柱体，而下面部分为四个对称的扇形块。所述中间圆柱体的直径与磁轭内径配合，保证下磁轭支架与圆筒型外壳一起可对四片磁轭下端实现径向定位。所述扇形块的外径与外壳内径配合，扇形块与外壳上导轨相互卡位，如此可为下磁轭支架作周向定位，防止旋转。

更进一步，所述轭顶为软磁材料制成，其上呈现一个通孔和均布的四个槽形。所述通孔可用于引出线圈引线，四个槽形内分别插入四片磁轭上部的圆柱形限位块，以连接磁路。

优选的，所述振子包括软磁材料制成的圆柱形上下衔铁、圆柱形永磁体、上下缓冲圈。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。所述上衔铁的上部连接上缓冲圈，所述下衔铁下部连接下缓冲圈。所述上衔铁和下衔铁的厚度相同，并可小于或等于磁轭齿宽。所述圆柱形永磁体的直径可略小于圆柱形上下衔铁的直径，使得与外壳上导轨发生直接接触的只有上下衔铁；而导轨在径向上最小尺寸小于磁轭上凸起方齿的齿顶的半径也保证了振子不会碰到磁轭上凸起的方齿同时在上下衔铁与磁轭方齿间能形成厚度很小的气隙。在轴向上，上衔铁中间位置到下衔铁中间位置间的距离，其数值等于永磁体厚度加上衔铁厚度，应为磁轭齿宽的奇数倍，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。如此能保证当上衔铁正对某磁轭齿顶时，下衔铁必正对该磁轭齿底，同时，下衔铁必正对与该磁轭相邻磁轭的齿顶。

所述顶盖为非磁性材料制成，与外壳通过螺纹进行连接，其上有电路孔可用于引出导线至充电电路。

所述顶盖与轭顶之间设有橡胶圈，所述橡胶圈使得顶盖与内部结构连接较少受轴向尺寸误差的影响，也能防止顶盖与外壳间螺纹连接松动，使连接更加紧密。

本发明的技术构思为：当振子与外壳发生相对的上下振动，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，通过合理的串接4个线圈，所得的感应电压为单个线圈的4倍。对于在振动过程中线圈磁通如何发生变化，仅通过对比振动过程中如下两种不同位置时磁力线走向加以说明，第一种情况为轴向上永磁体下的下衔铁与左右磁轭齿顶相对时，该下衔铁与前后磁轭齿底相对，永磁体上面的上衔铁与前后磁轭齿顶相对且与左右磁轭齿底相对。假设永磁体上端为N极，磁力线由永磁体7的N极发出，先后经过永磁体上面的上衔铁、气隙、前后磁轭、轭顶、左右磁轭、气隙和永磁体下面的下衔铁回到永磁体的S极，形成闭合回路；第二种情况，当永磁体下面的下衔铁和左右磁轭的齿底相对时，磁力线由永磁体的N极发出，先后经过永磁体上面的上衔铁、气隙、左右磁轭、轭顶、前后磁轭、气隙和永磁体下面的下衔铁回到永磁体的S极，形成闭合回路。可见，第一种情况子下通过各线圈磁力线走向与第二种情况下走势正好相反，或者更准确地说磁感应强度相反；这样当振子振动达到一个齿距或两个齿宽时，各线圈中的磁感应强度发生一个周期变化。

本发明的结构设计合理，形成了闭合磁路因此提高了磁路利用率并具有较高的发电效率；利用多齿结构使得线圈磁通变化频率远高于振子振动频率，进一步提高发电效率；采用齿宽大于上下衔铁宽度的方法大幅减弱了漏磁，提高了效率；同时，平衡了振子在各个方向上的受力，降低了振子与导轨间的润滑要求；此外，本发明还通过采用多感应线圈提高导线利用率、降低了铜耗。

本发明的有益效果：振动阻力小，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，适用范围广。

附图说明

图1是本发明的振动发电装置的整体结构示意图。

图2是本发明的振动发电装置的内部结构示意图。

图3是振动发电装置的外部示意图。

图4是顶盖示意图。

图5是轭顶的示意图。

图6是左右磁轭的示意图。

图7是前后磁轭的示意图。

图8是上磁轭支架的示意图。

图9是下磁轭支架的示意图。

图10是外壳的示意图。

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9，一种电磁式振动发电装置，包括下磁轭支架1，左右磁轭2和前后磁轭3各两片，外壳4，上下缓冲5，下衔铁6，永磁体7，上衔铁8，上磁轭支架9，感应线圈10，轭顶11，橡胶圈12，顶盖13。所述外壳4由铝质材料制成，呈有底圆筒形，其内侧壁均匀分布着四条导轨；所述下磁轭支架1为铝质材料制成，位于所述有外壳4的底端，所述下磁轭支架1包括上下两部分，分别由中间圆柱体和四块扇形块组成，扇形块与外壳上导轨相互卡位作为下磁轭支架1的周向定位，上面的中间圆柱体其外径与磁轭内径相同，下面扇形块的外径与外壳4的内径相同；所述左右磁轭2和前后磁轭3均为软磁材料制成，例如电炉钢，均匀对称地分布在外壳4内，所述左右磁轭2和前后磁轭3的下部卡进下磁轭支架1的扇形块之上、中间圆柱体之外和外壳内侧之内，并且每一片磁轭均位于外壳4的两个导轨之间，导轨工作面在径向上应小于磁轭凸起方齿，保证振子不会接触方齿并在振子的上下衔铁与磁轭凸起方齿间形成约0.1mm厚度的气隙，所述左右磁轭2和前后磁轭3的中间部分内侧面上呈凹凸等宽的方齿，且相对放置的两片磁轭即左右磁轭2或前后磁轭3的方齿的齿顶相对，相邻磁轭即左右磁轭2和前后磁轭3之间的方齿呈凹凸错位分布，所述左右磁轭2和前后磁轭3的上面部分包括磁轭顶部的圆柱型限位快、线圈轴和扇形限位块；所述上磁轭支架9为铝质材料制成，包括中间圆柱体及其四周均匀分布的四个凸起组成，四个凸起插于磁轭之间，而中间圆柱体的直径与磁轭下部内径配合，故能起到与外壳一起对磁轭实现径向定位，从轴向来说，所述上磁轭支架的中间圆柱体受到磁轭上的扇形块的限位，而四个凸起被导轨上端限位，而该零件的厚度正好为上述两个限位面间的距离；所述轭顶11为软磁材料制成，周边有四个槽形，其内插入左右磁轭2和前后磁轭3顶部圆柱体限位块，起到连接磁路的作用；所述橡胶圈12垫在轭顶11与顶盖13之间，能使顶盖13和装置内部结构连接更紧密；所述顶盖13为铝质材料制成，下面为螺纹状，用于和外壳4相连。所述振子包括上衔铁8、永磁体7、下衔铁6和上下缓冲圈5组成，上、下衔铁8和6为软磁材料制成，所述永磁体7的上部连接上衔铁8，所述上衔铁8的上部连在缓冲圈5上，所述永磁体7的下部连接下衔铁6，所述下衔铁6的下部连在缓冲圈5上，所述上衔铁8和下衔铁6的厚度与磁轭齿宽相等。在轴向上，上衔铁中间位置到下衔铁中间位置间的距离，其数值等于永磁体厚度加上衔铁厚度，应为磁轭齿宽的奇数倍。上下衔铁的直径大于永磁体直径和上下缓冲直径，即振子依靠上下衔铁在外壳的导轨上滑动。

本实施例中，振子相对于外壳4上下振动的过程中，磁力线的走向可分为下面分5种情况讨论：

①轴向上永磁体7下的下衔铁6与左右磁轭2齿顶相对时，该下衔铁6与前后磁轭3齿底相对，永磁体7上面的上衔铁8与前后磁轭3齿顶相对且与左右磁轭2齿底相对。假设永磁体上端为N极，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、前后磁轭3、轭顶11、左右磁轭2、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与左右磁轭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前后磁轭走，再经过线圈轭顶11、左右磁轭2、气隙、下衔铁6，回到永磁体7的S极，但也有磁力线经上衔铁8、气隙、四片磁轭、气隙、下衔铁6，回到永磁体7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和左右磁轭2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四片磁轭，由于左右对称性，磁力线向上走的部分相互抵消，即磁轭上面线圈轴上的磁感应强度为0。四片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和左右磁轭2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、气隙、四片磁轭、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、左右磁轭2、轭顶11、前后磁轭3、气隙、下衔铁6，回到永磁体7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和左右磁轭2的齿底相对时，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、左右磁轭2、轭顶11、前后磁轭3、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，通过磁轭上面线圈轴的磁感应强度大小和方向不断变化，当振子振动达到一个齿距或两个齿宽时，各线圈中的磁感应强度发生一个周期变化。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为磁轭线圈轴的截面积。

因此，在振子振动的过程中，各线圈磁通不断变化，产生感应电压。通过合理的串接4个线圈，所得的感应电压为单个线圈的4倍。

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左右磁轭2和前后磁轭3上面的扇形块和下线圈支架1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，制造简单，安装比较方便；振子振动时，能形成闭合磁路，永磁体利用率高，使用普通永磁体就能产生较大电能，效率比较高。

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)

1.一种电磁式振动发电装置，包括外壳，所述外壳内安装可上下滑动的振子，其特征在于：所述振动发电装置还包括四个感应线圈、前后左右四片磁轭、上磁轭支架和下磁轭支架；所述外壳为一有底的圆筒形，所述外壳为非磁性材料制成，所述圆筒形内侧壁上均匀分布着四条导轨，所述振子可滑动地安装在导轨上，所述导轨在径向上最小尺寸小于磁轭上凸起方齿的齿顶的半径，所述外壳内自下而上依次布置下磁轭支架、磁轭、振子、上磁轭支架、感应线圈和轭顶；

所述磁轭为软磁材料制成，四个沿外壳空腔周向相邻对称分布，所述磁轭包括上面部分和下面部分，所述磁轭上面部分中由上至下包括圆柱形限位块、线圈轴和扇形限位块，所述四个感应线圈分别缠绕于所述四个线圈轴上，感应线圈在轴向上受到圆柱形限位块和扇形限位块的限位，所述磁轭的下面部分有一段凹凸等宽的方齿，处于相对位置的两片磁轭完全相同，而处于相邻位置的磁轭其方齿的呈凹凸错位分布；

所述振子包括软磁材料制成的圆柱形上下衔铁、圆柱形永磁体和上下缓冲圈，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，所述上衔铁的上部连接上缓冲圈，所述下衔铁下部连接下缓冲圈，所述上衔铁和下衔铁的厚度相同，并小于或等于磁轭齿宽，所述圆柱形永磁体的直径小于圆柱形上下衔铁的直径；而导轨在径向上最小尺寸小于磁轭上凸起方齿的齿顶的半径，在轴向上，上衔铁中间位置到下衔铁中间位置间的距离，其数值等于永磁体厚度加上衔铁厚度，且为磁轭齿宽的奇数倍，所述磁轭齿宽是指齿顶的宽度，齿顶的宽度与齿底的宽度相等，下衔铁正对与该磁轭相邻磁轭的齿顶。

2.如权利要求1所述的电磁式振动发电装置，其特征在于：所述上磁轭支架用于四片磁轭的径向定位，所述上磁轭支架为非磁性材料制成，所述上磁轭支架包括中间圆柱体和四个凸起，四个凸起插于磁轭之间，而中间圆柱体的直径与磁轭下部内径配合，从轴向来说，所述上磁轭支架的中间圆柱体受到磁轭上的扇形块的限位，而四个凸起被导轨上端限位。

3.如权利要求1或2所述的电磁式振动发电装置，其特征在于：所述下磁轭支架为非磁性材料制成，包括上面部分和下面部分；所述下磁轭支架的上面部分为中间圆柱体，而下面部分为四个对称的扇形块，所述中间圆柱体的直径与磁轭内径配合，所述扇形块的外径与外壳内径配合，扇形块与外壳上导轨相互卡位。

4.如权利要求1或2所述的电磁式振动发电装置，其特征在于：所述轭顶为软磁材料制成，其上呈现一个通孔和均布的四个槽形，所述通孔用于引出线圈引线，四个槽形内分别插入四片磁轭上部的圆柱形限位块。

5.如权利要求1或2所述的电磁式振动发电装置，其特征在于：所述轭顶上部设有顶盖，所述顶盖为非磁性材料制成，与外壳通过螺纹进行连接，所述顶盖上设有有用于引出导线至充电电路的电路孔；所述顶盖与轭顶之间设有橡胶圈。