CN104393735A - 采用磁性液体和永磁铁组合结构的直线振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用磁性液体和永磁铁组合结构的直线振动能量采集器，该装置包括非导磁圆管、磁性液体、柱状永磁铁、非导磁圆环、端盖、感应线圈、片状永磁铁、非导磁柱。两端吸附有磁性液体的柱状永磁铁位于非导磁圆管内部，作为惯性质量块响应外界直线振动，在非导磁圆管内沿轴向运动，并受到非导磁圆管外部与之刚性连接的片状永磁铁的吸引力。该永磁材料间吸引力为柱状永磁铁的运动提供回复力，使柱状永磁铁的运动平衡位置始终位于非导磁圆管的中心位置。在外界线性振动作用下，圆管内柱状永磁铁在中心位置响应振动而往复运动，引起缠绕于圆管外壁的感应线圈内磁通量的变化，从而使感应线圈内产生感应电动势，实现振动能的采集。本发明具有结构简单、实用性强、应用范围广等优点。

Description

采用磁性液体和永磁铁组合结构的直线振动能量采集器

技术领域

本发明涉及能量采集领域，具体的说，本发明涉及采用磁性液体和永磁铁组合结构的直线振动能量采集器。

背景技术

机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，该类能量采集器主要有静电式、压电式和电磁式三种，相比之下，电磁式具有结构简单、发电量大、无需外电源等优点。直线电磁式振动能量采集器可对人体运动、活塞运动、车辆抖动、海洋浮标浮动等形式的能量进行采集。该类采集器的拾振系统主要由弹簧和永磁质量块机械连接而成，这使得其表现出抗疲劳性差、噪声大和结构固化等不足；另一种拾振系统利用永磁铁间同极斥力而设计的磁性弹簧，该结构为了增加其结构稳定性，需要增加导杆或套筒等浮动永磁铁的导向装置，这样会增加永磁铁与导向装置间的摩擦，而降低其拾振性能。

磁性液体是一种由包覆有表面活性剂的纳米铁磁性或亚铁磁性颗粒分散于液态载液中形成的稳定的胶态悬浮液，磁性液体二阶浮力原理是指磁性液体可以将沉浸在其中的比重比其自身大的永久磁铁悬浮起来。这样可以改变久磁铁和与其接触面间的摩擦形式，即由固体间摩擦转变为液固间摩擦，且仅有少量磁性液体与其支撑面接触，这样使得吸附有磁性液体的永磁铁对外界振动所引起的惯性力敏感度较高，基于此特性磁性液体已应用于传感器的设计，如中国发明专利：CN103149384A和CN103675351A。CN103149384A为一加速度传感器，包括左端盖、壳体、第一线圈、第二线圈、圆柱形磁铁、右端盖，圆柱形磁铁两端吸附有磁性液体并悬浮于壳体内，壳体外壁缠绕有线圈，在外界加速度作用下，吸附有磁性液体的圆柱形磁铁惯性质量块沿轴向运动，其轴向位移引起壳体外两线圈的电感发生变化，引起两线圈的电压差，输出加速度电压信号，该结构中惯性块的回复力由壳体内壁的锥角引起；磁性液体加速度传感器专利CN103675351A中的惯性块同为两端吸附有磁性液体的圆柱形磁铁，该磁性液体在悬浮圆柱形磁铁的同时，还将壳体内圆柱形磁铁两端的气压腔完全隔开，在外界加速度作用下，吸附有磁性液体的圆柱形磁铁惯性质量块沿轴向运动，引起壳体内圆柱形磁铁两端的气压腔压力不等，产生回复力。该类传感器受到其回复力的限制，仅适用于较低频的加速度信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

现有直线电磁式振动能量采集器拾振系统多采用弹簧和永磁质量块机械连接而成，这使得其表现出抗疲劳性差、噪声大和结构固化等不足；另一种利用磁铁同极斥力而设计的磁性弹簧拾振系统，存在永磁铁与导向装置间的摩擦，相对拾振性能较低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

采用磁性液体和永磁铁组合结构的直线振动能量采集器，该装置包括非导磁圆管、磁性液体、柱状永磁铁、非导磁圆环、端盖、感应线圈、片状永磁铁、非导磁柱。非导磁圆管外壁固定有一非导磁圆环，非导磁圆环通过螺纹与非导磁柱连接，非导磁柱另一端固定有片状永磁铁，所述柱状永磁铁的轴线和片状永磁铁的轴线平行，且同名磁极反向而置。

所述非导磁圆管外壁缠绕有感应线圈。

所述柱状永磁铁两端面吸附有磁性液体，将其装入非导磁圆管内，将端盖盖在非导磁圆管开口端。

所述非导磁柱一端通过螺纹与非导磁圆环连接，使得片状永磁铁与柱状永磁体之间的距离可调。

根据磁性液体的二阶浮力原理，磁性液体可以将永磁铁悬浮起来，这样在永磁铁和壳体内壁面间形成磁性液体介质，改善二者间的摩擦形式，即由固体间摩擦转变为液固间摩擦，且仅有少量磁性液体与其支撑面接触，使得吸附有磁性液体的永磁铁对惯性力响应的敏感度较高。

吸附有磁性液体的圆柱形磁铁被磁性液体悬浮起来，并作为惯性质量块在非导磁壳体内沿轴向运动。利用永磁间吸引力所提供的回复力，使两端面包覆有磁性液体的柱状永磁铁相对非导磁圆管沿轴向往复运动，以此改变感应线圈内磁通量的变化，而感应出电能。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

该能量采集器具有结构简单、优良的抗疲劳性、无噪等优点。另外，该能量采集器内部吸附磁性液体的柱状永磁铁对惯性力非常敏感，对外界振动响应的灵敏度高，能够高效地采集振动能。

附图说明

图1为本发明的剖视图。

图中：非导磁圆管1、磁性液体2、柱状永磁铁3、非导磁圆环4、端盖5、感应线圈6、片状永磁铁7、非导磁柱8。

图2为该采集器对应的拾振系统模型图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

采用磁性液体和永磁铁组合结构的直线振动能量采集器，该装置包括：非导磁圆管1、磁性液体2、柱状永磁铁3、非导磁圆环4、端盖5、感应线圈6、片状永磁铁7、非导磁柱8。将非导磁圆环4套在非导磁圆管1外壁中部并固定，非导磁圆环4通过螺纹与非导磁柱8一端连接，非导磁柱8另一端固定有一片状永磁铁7，在非导磁圆管1外壁缠绕有感应线圈6。将柱状永磁铁3放置在烧杯中，并给烧杯中注入适量磁性液体2，使得柱状永磁铁3充分悬浮，再将该吸附有磁性液体2的柱状永磁铁3装入非导磁圆管1内，用端盖5将非导磁圆管1开口端封住。

所述非导磁圆环4与固定有片状永磁铁7的非导磁柱8通过螺纹连接，这样片状永磁铁7和柱状永磁铁3间的吸引力可调。柱状永磁铁3和片状永磁铁7轴线平行，且同名磁极反向而置。

该能量采集器的工作原理：

在外界振动作用下，吸附有磁性液体2的柱状永磁铁3惯性质量块沿轴向移动，利用永磁铁间磁极吸引力所提供的回复力，使得惯性质量块可随外界振动在中心位置往复运动，这样引起非导磁圆管1外壁感应线圈6内磁通量的变化，从而在感应线圈6两端产生电压信号，实现振动能的采集。

图2为该减振器对应的拾振系统模型图，由质量块m、弹簧、阻尼组成，在外界振动位移y(t)作用下，质量块响应振动对应的运动微分方程为：

$m\stackrel{\·\·}{z}\left(t\right)+c_t\stackrel{\·}{z}\left(t\right)+\mathrm{kz}\left(t\right)=-m\stackrel{\·\·}{y}\left(t\right)$

其中，z(t)为质量块相对支架的位移，c_t、k分别为阻尼系数和等效磁簧的弹性系数。阻尼系数c_t＝c_l+c_e，其中c_l为磁性液体2与非导磁圆管1之间接触面的粘性阻尼系数，c_e为由感应线圈引起的电磁阻尼系数。根据能量守恒定律，可知从振动源传递给电磁阻尼系统的瞬时功率为该功率即为获得的电功率，除去感应线圈的内耗功率，即为采集到的电功率。

所述非导磁圆管1、非导磁圆环4、端盖5、非导磁柱8均为非导磁材料，如铝合金、尼龙、奥氏体不锈钢等。

所述磁性液体2有多种可选，如酯基磁性液体、煤油基磁性液体、机油基磁性液体。

该振动能量采集器所采集的振动电压信号含有振动(位移、速度、加速)传感信息，因此该采集器也可用作振动传感器。另外该能量采集器所采用的拾振系统对应的阻尼形式有粘性阻尼和电磁阻尼，因此该能量采集器也可应用于减振。

Claims (3)

1.采用磁性液体和永磁铁组合结构的直线振动能量采集器，该装置包括非导磁圆管(1)、磁性液体(2)、柱状永磁铁(3)、非导磁圆环(4)、端盖(5)、感应线圈(6)、片状永磁铁(7)、非导磁柱(8)；

上述各部分之间的连接：将非导磁圆环(4)套在非导磁圆管(1)外侧中部并固定；非导磁柱(8)一端固定有片状永磁铁(7)，另一端通过螺纹与非导磁圆环(4)连接；将端面吸附有磁性液体(2)的柱状永磁铁(3)装入非导磁圆管(1)内，将端盖(5)盖在非导磁圆管(1)的开口端；在非导磁圆管(1)外壁缠绕感应线圈(6)。

其特征在于：在外界直线振动作用下，利用永磁间吸引力所提供的回复力，使两端面包覆有磁性液体(2)的柱状永磁铁(3)相对非导磁圆管(1)沿轴向往复运动，从而引起感应线圈(6)内磁通量的变化，感应出电压信号，产生电能。

2.根据权利要求1所述的采用磁性液体和永磁铁组合结构的直线振动能量采集器，其特征在于所述柱状永磁铁(3)的轴线和片状永磁铁(7)的轴线平行，且同名磁极反向而置。

3.根据权利要求1所述的采用磁性液体和永磁铁组合结构的直线振动能量采集器，其特征在于所述非导磁柱(8)一端通过螺纹与非导磁圆环(4)连接，使得片状永磁铁(7)与柱状永磁体(3)之间的距离可调。