CN103607092A

CN103607092A - 一种电磁式振动发电机

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Publication number: CN103607092A
Application number: CN201310444325.4A
Authority: CN
Inventors: 王博文; 李志鹏; 王志华; 孙英; 翁玲
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: CN103607092B

Abstract

本发明为一种电磁式振动发电机，该振动发电机核心部件为磁轭、振动轴、轴毂，由振动轴与左右磁轭形成闭合磁路。它可以用于低频大位移条件下的振动发电。磁轭部分采用DW465-50型硅钢片叠压而成形成闭合磁路，使漏磁显著减少，磁轭内部磁感应强度最大值为1.33T，磁场利用率为90.48％。轴毂结构的作用是防止振动发电机在振动的过程中轴承发生转动、引起磁路不对称。振动发电机运用直线轴承对永磁体与磁轭进行限位，降低了磁力作用对发电机振动所产生的影响。本发明可用于频率5-10Hz、位移10-20mm范围的振动，具有磁场利用率高，装配简单，牢固可靠的特点。

Description

一种电磁式振动发电机

技术领域

本发明涉及将振动的机械能转换为电能的装置，特别涉及永磁振动发电装置，核心部分为永磁振动轴、轭铁、和轴毂。该振动发电机能形成闭合磁路，使漏磁通显著减少，在低频下具有较高的输出功率。

技术背景

电磁式振动发电机是利用电磁感应定律将环境振动能量转换为电能的发电装置，其具有发电功率大、易于维护等优点。

根据振动部件的不同，可以把电磁式振动发电机分为动铁（磁铁振动）、动圈（线圈振动）和铁圈同振（磁铁线圈共同振动）三种类型。动铁型即为线圈不动，磁铁相对线圈振动，线圈中磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。动圈型即为磁铁不动，线圈相对磁铁振动，线圈中磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势；为了进一步提高低频振动下的电能输出，出现了铁圈同振型的振动能量采集器。铁圈同振型即为在外界输入振动下，磁铁和线圈都产生振动，但是两者之间有相对运动，在线圈中产生感应电动势。

尽管已经研制成功多种电磁式振动能量采集器样机，但样机的输出电压多数偏小，如英国南安普顿大学报道的样机输出电压有效值为0.5V(Sensors and Actuators A110(2004)171)，特别是在低频大位移振动条件下的研究较少，限制了电磁式振动发电机的发展与应用。

发明内容

针对现有振动发电机存在的问题，考虑在低频大位移条件下的振动，设计了一种新型电磁式振动发电机。该振动发电机核心部件为磁轭、振动轴、轴毂。它可以用于低频大位移条件下的振动发电。磁轭部分采用DW465-50型硅钢片叠压而成形成闭合磁路，使漏磁显著减少。振动轴结构永磁部分的材料是钕铁硼（Nd2Fe14B），型号为N45。轴毂结构的作用是防止振动发电机在振动的过程中轴承发生转动、引起磁路不对称。振动发电机运用直线轴承对永磁体与磁轭进行限位，降低了磁力作用对发电机振动所产生的影响。发电机磁轭部分缠有线圈，为提高输出功率，线圈的联接方式采用串联联接。理论与实验表明振动发电机在频率为10Hz，振幅为10mm时，输出电压峰值为6V。

本发明的技术方案为：

一种电磁式振动发电机，其结构包括：主体结构为轴对称式立方体结构，发电机底盘上部安装空心圆柱型毂，毂内底部空心部分放置弹簧；毂顶部安装相同内径的下法兰轴承，下法兰轴承通过支撑螺栓与底盘连接固定，振动轴的下部穿过下法兰轴承在毂内与弹簧接触。

振动轴为中部凹陷的对称柱状结构，中部凹陷的部分自上而下均匀设置有三个通孔，每个通孔内嵌有一块圆柱形永磁体，三块圆柱形永磁体依次异相排列；振动轴下端穿过下部夹具与下法兰轴承，振动轴上端穿过上部夹具与上法兰轴承，并高出上法兰轴承。

下法兰轴承上端安装有下部夹具，夹具前后端面分别开有通孔，磁轭螺钉穿过通孔将夹具与两个E型磁轭固定；两个E型磁轭分别安装在振动轴中部凹陷部分的左右侧，E型磁轭的三个长方形端面中心，分别与振动轴中三块永磁体圆面中心对齐，且每个E型磁轭的长方形端面部分与振动轴中三块永磁体圆面之间分别留有等距气隙；每个磁轭端面与端面之间部分缠有线圈，四个线圈部分首尾串联联接；每个E型磁轭上部同样通过磁轭螺钉被上部夹具夹紧固定，上部夹具的顶端通过固定螺钉与上法兰轴承相连；上法兰轴承与下法兰轴承的结构相同，位置相对于E型磁轭对称；上、下夹具结构相同，位置相对于E型磁轭对称。

所述的毂内壁开有方槽，振动轴下部开有方形键槽，将平键固定于方形键槽中，另将平键突出振动轴部分置于毂内壁的方槽中。

本发明的有益效果为：在频率5-10Hz、位移10-20mm条件下的振动激励下，振动发电机可输出较大的电压，实际应用中可根据施加振动应力的方向确定发电机的摆放位置。发电机注重磁路结构，永磁振动轴1为核心部件，由振动轴1与E型左、右磁轭4、5形成闭合磁路，运用低噪声A1324型霍尔传感器测出永磁体表面的磁感应强度为1.47T，E型左、右磁轭中磁感应强度为1.33T，磁场利用率为90.48％，可见磁路中漏磁通显著减少，提高了磁场的利用率，装配简单，牢固可靠。

附图说明

图1为电磁式振动发电机结构图。

图2为发电机振动轴的结构图。

图3为发电机毂结构图。

图4为电磁式振动发电机实物照片。

图5为振动频率为10Hz，振幅为10mm时振动发电机的输出电动势波形图。

其中，1-振动轴；2-上法兰轴承；3-上部夹具；4-E型左磁轭；5-E型右磁轭；6-下部夹具；7-下法兰轴承8-支撑螺栓；9-毂；10-底盘；11-13圆柱形钕铁硼永磁体；14-方形键槽；15-弹簧；16-平键；17-固定螺钉；18-磁轭螺钉；19-线圈；20-方槽。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，但它们不是对本发明作任何限制。

如图1所示，本发明设计的电磁式振动发电机的结构为：主体结构为轴对称式立方体结构，发电机底盘10上部安装空心圆柱型毂9，毂9内壁开有方槽20（如图3所示），毂9内底部空心部分放置弹簧15；毂9顶部安装相同内径的下法兰轴承7，下法兰轴承7通过支撑螺栓8与底盘10连接固定，振动轴1的下部穿过下法兰轴承7在毂9内与弹簧15接触。

本发明所述的振动轴1的结构如图2所示，振动轴1为中部凹陷的对称柱状结构，中部凹陷的部分自上而下均匀设置有三个通孔，每个通孔内嵌有一块圆柱形永磁体，三块圆柱形永磁体11-13依次异相排列，振动轴1下部开有方形键槽14，将平键16固定于方形键槽14中与振动轴形成一个整体。旋转振动轴，使其平键16突出振动轴部分与毂9内壁的方槽20对齐，振动轴沿着方槽20滑入毂9中。

下法兰轴承7上端安装有下部夹具6，用固定螺钉17将下部夹具6与下法兰轴承7固定，下部夹具6前后端面分别开有通孔，采用磁轭螺钉18利用通孔将下部夹具6与E型左、右磁轭4、5固定。E型左、右磁轭4、5分别安装在振动轴1中部凹陷部分的左右侧，各E型磁轭的三个长方形端面中心，分别与振动轴1中三块永磁体11、12、13各个圆面中心对齐，且E型磁轭4、5的长方形端面部分与振动轴中三块永磁体圆面之间分别留有等距气隙。每个磁轭端面与端面之间部分缠有线圈19，四个线圈部分首尾串联联接。每个E型磁轭上部同样通过磁轭螺钉被上部夹具3夹紧固定，上部夹具3通过固定螺钉17与上法兰轴承2相连。上法兰轴承2与下法兰轴承7的结构完全相同，位置相对于E型磁轭对称；上部夹具3、下部夹具6结构完全相同，位置相对于E型磁轭对称。

振动轴部分：选用圆柱形奥氏体不锈钢（非导磁材料）作为振动轴1，避免影响磁路。振动轴全长330mm，两端直径为25mm，两端长度均为85mm，中部凹陷，凹陷部分为扁平结构，凹陷部分长160mm，厚10mm。中部凹陷的部分自上而下均匀加工三块直径为20mm的通孔，三个通孔中，中间通孔心部位于振动轴长度方向的二分之一处，上、下通孔心部分别距中心通孔心部30mm。通孔内各放置一块外径为20mm、厚度为10mm的圆柱形永磁体，三块圆柱形永磁体的N、S极依次异相排列,此三块永磁体圆面中心分别和E型磁轭的三个端面中心相对。振动轴末端开有方形键槽14，将平键16固定于方形键槽14中，目的是防止发电机在振动过程中，振动轴发生偏转。

图1为电磁式振动发电机的装配图。试验时，外力作用在发电机振动轴1上，发电机振动轴末端与弹簧接触，压缩弹簧。为防止振动轴1在振动过程中发生偏转，在振动轴末端开有3.5×4×8mm方形键槽14，槽内置入4×4×8mm平键，平键置入尺寸为2mm与振动轴实现紧联接。毂为26mm×34mm×100mm的空心圆柱体，毂内壁开有4.5×1.5×100mm方槽，与平键实现松联接，这种轴毂配合结构使得发电机在振动过程中不会发生偏转。磁轭4、5为E型结构，分为上端面、中端面与下端面，三个端面尺寸都是10×20mm，三个端面彼此间距20mm。在此过程中嵌镶在发电机振动轴上的三块永磁体11-13与静止不动的E型磁轭4、5产生相对运动，导致磁轭内部磁感应强度B发生变化，E型磁轭上缠有线圈，根据法拉第电磁感应定律，线圈上会产生感应电动势，用示波器采集的电压波形如图5所示。振动轴1下端穿过下部夹具6与下法兰轴承7，末端平键16对准方槽20，振动轴沿着方槽滑入毂9中与毂内弹簧15相接，振动轴中部凹陷处三块永磁体端面圆心分别和左右E型磁轭上、中、下三个端面中心相对，振动轴上端高出上法兰轴承2，预应力可加载到振动轴上端面处。

图2为发电机振动轴装配图。振动轴为25mm中部凹陷的圆柱体不锈钢，凹陷部分安装三块外径为20mm厚10mm的圆柱形钕铁硼永磁体11-13（Nd2Fe14B，型号为N45），三块永磁体中心距为30mm，末端开有3.5×4×8mm方形键槽14。

考虑到永磁与磁轭之间有较强吸引力，因此运用分布在两端的圆法兰直线轴承2、7对振动轴进行限位，将永磁与磁轭之间的引力转化为振动轴与轴承之间的滚动摩擦力，大幅度削减磁力作用对发电机振动的影响。

磁轭部分：E型左右磁轭4、5部分各采用40片0.5mm厚硅钢片叠压而成，根据永磁材料的磁性能与硅钢片的B-H曲线来确定磁轭前端面的尺寸。磁轭长70mm，宽20mm，端面宽10mm，端面与端面距离20mm。硅钢片上、下部分开有通孔，螺钉18依次穿过夹具通孔、磁轭通孔，将上部夹具3、下部夹具6与左右磁轭4、5固定。上部夹具3、下部夹具6结构完全一致，夹具的前后端面在相同位置处，分别加工两个直径为3mm的通孔，通孔圆心距26mm。夹具上端面加工直径为5mm圆心距为51mm的两个通孔。E型左磁轭4上部线圈逆时针绕制，下部磁轭线圈顺时针绕制，将上部线圈末端与下部线圈首端焊接；右磁轭5上部线圈顺时针绕制，下部线圈逆时针绕制，将上部线圈末端与下部线圈首端焊接；再将左磁轭4下部线圈末端与右磁轭5上部线圈始端串联连接，当发电机运行时四个线圈相当于四个电源串联在一起，使总输出电动势增强。

支架部分：发电机支架主要由底盘10、弹簧15（内置）、支撑螺栓8、毂9组成。底盘10直径120mm、厚8mm；支撑螺栓8长150mm；毂内径26mm、外径34mm、高90mm。底盘下表面开有直径为9mm的两个下潜孔，孔距与轴承法兰孔距保持一致直径为51mm，装配完成后底盘与地面可平稳接触。利用支撑螺栓8固定底盘10与下法兰轴承7。毂9内开有方槽20，将安装有平键16的振动轴一端滑入毂中，实现轴毂配合，防止发电机在振动过程中偏转。毂9中放置高度为80mm的弹簧15，为振动轴1提供回复力。

动态过程：当发电机振动轴1受到一定变化的外界力F的作用时，将力F传递给弹簧15，此过程中振动轴与E型左、右磁轭4、5产生相对运动，弹簧发生形变，当外力消失时，由于弹簧15的作用振动轴回复到平衡位置。在此过程中，随着振动轴的振动，由圆柱形永磁体11-13及左右磁轭4、5组成的磁路部分内磁感应强度B时刻发生变化，根据法拉第电磁感应定律，当磁感应强度B变化时，线圈中产生感应电动势。

图5为振动频率为10Hz、振幅为10mm条件下振动发电机的输出电动势波形图。图中横坐标T代表时间，单位为秒，纵坐标U代表输出电压，单位为伏特。由图5可知振动发电机的输出电压峰值为6V，表明研制的振动发电机在低频下具有很大的输出电压。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims

1.一种电磁式振动发电机，该发电机结构包括：主体结构为轴对称式立方体结构，发电机底盘上部安装空心圆柱型毂，毂内底部空心部分放置弹簧；毂顶部安装相同内径的下法兰轴承，下法兰轴承通过支撑螺栓与底盘连接固定，振动轴的下部穿过下法兰轴承在毂内与弹簧接触；

振动轴为中部凹陷的对称柱状结构，中部凹陷的部分自上而下均匀设置有三个通孔，每个通孔内嵌有一块圆柱形永磁体，三块圆柱形永磁体依次异相排列；振动轴下端穿过下部夹具与下法兰轴承，振动轴上端穿过上部夹具与上法兰轴承，并高出上法兰轴承；

下法兰轴承上端安装有下部夹具，夹具前后端面分别开有通孔，磁轭螺钉穿过通孔将夹具与两个E型磁轭固定；两个E型磁轭分别安装在振动轴中部凹陷部分的左右侧， E型磁轭的三个长方形端面中心，分别与振动轴中三块永磁体圆面中心对齐，且每个E型磁轭的长方形端面部分与振动轴中三块永磁体圆面之间分别留有等距气隙；每个磁轭端面与端面之间部分缠有线圈，四个线圈部分首尾串联联接；每个E型磁轭上部同样通过磁轭螺钉被上部夹具夹紧固定，上部夹具的顶端通过固定螺钉与上法兰轴承相连；上法兰轴承与下法兰轴承的结构相同，位置相对于E型磁轭对称；上部夹具、下部夹具结构完全相同，位置相对于E型磁轭对称。

2.如权利要求1所述的电磁式振动发电机，其特征为所述的毂内壁开有方槽，振动轴下部开有方形键槽，将平键固定于方形键槽中，另将平键突出振动轴部分置于毂内壁的方槽中。