CN104578578B - 一种基于振动的振动筛供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动的振动筛供电装置，包括电机、振动传感器、电流传感器、温升传感器和蓄电池，所述电机安装在振动筛的弹簧固定板上，所述电机包括定子铁芯、永磁体结构、线圈绕组、定子固定板和动子固定板，定子铁芯包括两个端部铁芯和多个中间铁芯，端部铁芯和中间铁芯均包括螺孔、定子齿槽和引线槽，永磁体结构包括背铁、中心轴和多个永磁体，永磁体包括径向充磁永磁铁和轴向充磁永磁铁。本发明采用圆筒型永磁直线电机将振动筛运行时振动的机械能转化为电能，中间不需要其他传动装置，避免了能量的损失，结构简单、体积小、安装简便，不受安装位置的限定，不需要其他能源装置，能量转化效率高、无污染、工作可靠。

Description

一种基于振动的振动筛供电装置

技术领域

本发明涉及一种供电装置，具体是一种基于振动的振动筛供电装置。

背景技术

随着新世纪经济的高速发展，各类高新技术产业的发展如火如荼，科学技术的发展日新月异，众多传统产业效益也多都依靠科技创新并取得了突破质的飞跃。但是，目前的振动利用行业发展却比较缓慢，虽然振动行业中的多数企业还是比较注重科技研发，可是产品推陈出新还是少了又少，并且研发方向大多都是围绕振动设备的机械结构设计、机械动作原理、机械加工精度等主题展开的。

虽然对于多数用户来说，振动筛算不上什么重大设备，但是振动筛的故障频率却高于一般传统的动力机械产品，原因是振动设备本身就是一种对振动破坏力进行科学利用的一种产品。对于传统机械来说，设备产生振动就是故障发生的征兆，而振动设备恰恰是通过振动来完成人们所需的工作目的和要求的一种产品。虽然振动行业都在致力于振动设备自身的抗破坏性优化结构设计和研究上，但是振动设备的故障还是频繁发生，并且振动筛往往是布置在用户生产工艺的咽喉部位，一旦振动筛出现故障，将会导致整个生产系统联动停车，给用户带来重大的生产损失。就矿山、煤炭、冶金企业来说，如这样突然停车修复一天的话，直接生产效益损失少则十数万、多则数十万甚至数百万元。

而要想避免此类现象发生，用户只有随时掌握振动筛的运行状况，及时发现隐患提前做好检修安排，做好原料储备、协调好最佳停机时间，避免振动筛突发故障的发生和大面积联动停车。即需要在振动筛上安装控制器和各类传感器来检测显示振动筛的振形、振幅、横摆、电流、温升和转速等各项物理信号，对于控制器和传感器都需要为其提供电源，但由于振动筛本身没有安装供电装置，因此，开发研制一种基于振动筛工作过程中的振动特性的供电装置具有十分重要的意义。

目前，为了提高振动筛的安全性，本领域技术人员提出了多种供电方式，如蓄电池独立供电、气动马达发电装置供电和基于振动发电装置供电等方式。其中蓄电池独立供电方式是以传统的蓄电池作为电源为振动筛供电，这种供电方式的缺点为无法持续供电、更换成本较高、电池尺寸和重量大等；气动马达供电装置主要由气动马达和发电机组成，如图1所示，该装置利用振动筛在进行自清洁时排放的压缩气体驱动气动马达转动，发电机通过联轴器与气动马达连接，进而产生电能，该供电装置安装简易，但只能在进行自清洁时提供电能，同时会对气体的流动产生阻力作用，影响振动筛自清洁的效果；基于振动供电装置的主要机构是振动能量转化装置，振动能量转化装置主要由滚珠丝杆、行星齿轮、离合器轴承和永磁无刷发电机等组成，该装置安装于弹簧内，利用丝杠螺母机构把直线往复运动转化为旋转运动，从而带动发电机旋转来产生电能，为振动筛供电和给蓄电池充电，该供电装置是将振动筛在工作过程中振动的机械能转化为电能，不消耗振动筛本身的动力能源，但该振动能量转化装置结构复杂，而且能量经过多级转化，造成了能量的损失，能量传递效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低能量损失、提高能量传递效率的基于振动的振动筛供电装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于振动的振动筛供电装置，包括电机、振动传感器、电流传感器、温升传感器和蓄电池，所述电机安装在振动筛的弹簧固定板上，电机分别与振动传感器、电流传感器、温升传感器和蓄电池相连，蓄电池还分别与振动传感器、电流传感器和温升传感器相连；

所述电机包括定子铁芯、永磁体结构、线圈绕组、定子固定板和动子固定板，所述定子铁芯通过定子支架安装在定子固定板上，所述永磁体结构穿过动子铁芯固定安装在定子固定板和动子固定板之间，所述定子铁芯包括两个端部铁芯和多个中间铁芯，所述端部铁芯和中间铁芯均包括螺孔、定子齿槽和引线槽，所述端部铁芯和中间铁芯通过螺钉穿过螺孔固定，所述定子齿槽设于端部铁芯和中间铁芯的中心位置，所述引线槽安装在定子齿槽的下方，端部铁芯和中间铁芯上的螺孔均有四个，端部铁芯上的定子齿槽和引线槽均设有一个，中间铁芯上的定子齿槽和引线槽有两个，且两个定子齿槽和引线槽对应安装在中间铁芯的上部和下部；所述线圈绕组安装在定子铁芯内部的定子齿槽内，所述永磁体结构包括背铁、中心轴和多个永磁体，所述背铁安装在中心轴的外表面，所述永磁体安装在背铁的外表面，永磁体包括径向充磁永磁铁和轴向充磁永磁铁。

作为本发明进一步的方案：所述电机为圆筒型永磁直线电机。

作为本发明进一步的方案：所述线圈绕组采用饼式线圈，线圈绕组放置在定子齿槽内构成三相绕组。

作为本发明进一步的方案：所述绕组线圈在每个定子齿槽中的匝数为160。

作为本发明进一步的方案：所述中心轴的材料为热膨胀系数较小的非导磁材料铝合金。

作为本发明进一步的方案：所述径向充磁永磁铁和轴向充磁永磁铁轴向长度的比值为：，相邻的径向充磁永磁铁的磁瓦相错角为30°。

作为本发明进一步的方案：所述永磁体的型号为N35，永磁体的径向厚度为9mm。

作为本发明进一步的方案：所述永磁体的排列方式为Halbach阵列。

作为本发明再进一步的方案：所述定子铁芯外部设有槽肩。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用圆筒型永磁直线电机将振动筛运行时振动的机械能转化为电能，中间不需要其他传动装置，能够直接把往复直线运动的机械能转化为电能，避免了能量的损失，结构简单、体积小、安装简便，不受安装位置的限定，不需要其他能源装置，能量转化效率高、无污染、工作可靠，为振动的供电系统提供了新的思路，具有较高的推广意义。

附图说明

图1为振动筛气动马达供电装置的结构示意图。

图2为本发明中电机的结构示意图。

图3为本发明中定子铁芯的俯视图。

图4为本发明中端部铁芯的左视图。

图5为本发明中间铁芯的左视图。

图6为本发明中永磁体结构示意图。

图7为本发明中线圈绕组结构示意图。

图8为永磁体轴向阵列排列时的磁场分布情况示意图。

图9为永磁体径向阵列排列时的磁场分布情况示意图。

图10为永磁体Halbach阵列排列时的磁场分布情况示意图。

图11为本发明中气息磁通密度值随永磁体径向厚度变化曲线示意图。

图12为未加槽肩的电机定位力曲线示意图。

图13为本发明中加设槽肩的电机定位力曲线示意图。

图14为未加槽肩的电机产生的空载电动势曲线示意图。

图15为本发明中加设槽肩的电机产生的空载电动势曲线示意图。

图16为本发明中永磁体的装配示意图。

图中：1-定子铁芯；2-永磁体结构；3-线圈绕组；4-定子固定板；5-动子固定板；6-定子支架；7-端部铁芯；8-中间铁芯；9-螺孔；10-定子齿槽；11-永磁体；12-背铁；13-中心轴；14-径向充磁永磁铁；15-轴向充磁永磁铁；16-引线槽。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图2-6，一种基于振动的振动筛供电装置包括电机、振动传感器、电流传感器、温升传感器和蓄电池，所述电机安装在振动筛的弹簧固定板上，电机分别与振动传感器、电流传感器、温升传感器和蓄电池相连，蓄电池还分别与振动传感器、电流传感器和温升传感器相连。

所述电机包括定子铁芯1、永磁体结构2、线圈绕组3、定子固定板4和动子固定板5，所述定子铁芯1通过定子支架6安装在定子固定板4上，所述永磁体结构2穿过动子铁芯1固定安装在定子固定板4和动子固定板5之间，所述定子铁芯1包括两个端部铁芯7和多个中间铁芯8，所述端部铁芯7和中间铁芯8均包括螺孔9、定子齿槽10和引线槽16，所述端部铁芯7和中间铁芯8通过螺钉穿过螺孔9固定，所述定子齿槽10设于端部铁芯7和中间铁芯8的中心位置，所述引线槽16安装在定子齿槽10的下方，端部铁芯7和中间铁芯8上的螺孔9均有四个，端部铁芯7上的定子齿槽10和引线槽16均设有一个，中间铁芯8上的定子齿槽10和引线槽16有两个，且两个定子齿槽10和引线槽16对应安装在中间铁芯8的上部和下部；所述线圈绕组3安装在定子铁芯1内部的定子齿槽10内，线圈绕组3通过引线槽16将线圈从定子铁芯1中引出，所述永磁体结构2包括背铁12、中心轴13和多个永磁体11，所述背铁12安装在中心轴13的外表面，所述中心轴13的材料为热膨胀系数较小的非导磁材料铝合金，所述永磁体11安装在背铁12的外表面，所述永磁体11包括径向充磁永磁铁14和轴向充磁永磁铁15。

所述电机为圆筒型永磁直线电机，永磁体11按照一定规律排列时，能够在定子铁芯1内产生较规则的正弦分布的气隙磁场，当动子铁芯1作往复直线运动时，气隙磁场也会沿直线移动，该磁场会在绕组线圈3内形成三相感应电动势，产生三相交流电，将三相交流电经过滤波整流电路转化为直流电，为振动传感器、电流传感器、温升传感器和蓄电池供电。圆筒型永磁直线电机不需要其他能量转化设备，能量传递效率较高，产生电能较大。

请参阅图7，线圈绕组3采用饼式线圈，线圈绕组3放置在定子齿槽10内构成三相绕组，线圈绕组3的连接方式为每相两组线圈串联，三相绕组采用Y型连接。

绕组线圈3的绕组的确定：绕组线圈3在每个定子齿槽10中的匝数为160匝，计算方式如下：

(1)空载磁通为：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{\δ}0}^{\′}=\frac{b_{m0}^{\′}{B}_r{A}_m}{{\mathrm{\σ}}_0}\×{10}^{-4}$ 公式1

式中：b′_m0--永磁体空载工作点；

A_m-永磁体每极截面积，m²；

σ′₀-空载漏磁系数；

B_r-剩磁密度。

(2)绕组每相串联匝数为：

$N^{\′}=\frac{E_0}{4.44f{K}_{\mathrm{dq}}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{\δ}0}^{\′}{K}_{\mathrm{\Φ}}}$ 公式2

式中：E₀-空载电动势，V；

K_Φ-磁场波形系数，为1。

(3)每槽导体数为：

$N_S^{\′}=\frac{a{N}^{\′}}{\mathrm{pq}}$ 公式3

式中：a-并联支路数，为1；

N′_S取整数。

(4)实际每相串联匝数为：

$N=\frac{\mathrm{pq}{N}_S^{\′}}{a}$ 公式4

通过计算可得匝数N为160。

请参阅图8-10，永磁体的排列方式可分为轴向阵列、径向阵列和Halbach阵列，本发明中所述永磁体11的排列方式为Halbach阵列，Halbach阵列由径向充磁永磁铁14和轴向充磁永磁铁15交错组成，径向充磁永磁铁14和轴向充磁永磁铁15的充磁方向沿阵列依次旋转90°或45°，这种阵列结构产生的磁场在一侧很强，在另一侧磁场较弱，大大提高了永磁体11的利用率，降低了次极的定子铁芯1的祸流损耗；

Halbach阵列排列的永磁体11产生的磁场在强侧呈理想的正弦分布，降低了强侧磁场的谐波分量，使电机运行更稳定；

Halbach阵列排列的永磁体11产生的磁场提高了气隙磁通密度的大小，增大了电机单位体积的储能，这样在相同功率下，就减小了电机的体积和重量，降低了成本。

所述永磁体11的型号为N35，其材料为钕铁硼，钕铁硼具有较高的剩余密度、磁感应矫顽力和相对回复磁导率：

(1)剩磁密度为：

$B_r=[1+(t-20)\frac{{{\mathrm{\α}}_B}_r}{100}](1-\frac{\mathrm{IL}}{100})B_{r20}$ 公式5

式中：t-工作温度，℃；

-Br的温度系数；

IL-Br的不可逆损失率；

B_r20-剩余磁通密度，1.23T。

(2)磁感应矫顽力：

$H_c=[1+(t-20)\frac{{{\mathrm{\α}}_B}_r}{100}](1-\frac{\mathrm{IL}}{100})H_{c20}$ 公式6

式中：H_c20-计算矫顽力，A/m。

(3)相对回复磁导率为：

${\mathrm{\μ}}_r=\frac{B_r}{H_c{\mathrm{\μ}}_0}\×{10}^{-3}$ 公式7

式中：μ₀-真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m。

永磁体11的退磁曲线为一条直线，与回复线重合，抗去磁能力较强，且钱铁硼永磁材料的成本较稀土钴永磁材料要低得多。

请参阅图11，永磁体11的径向厚度为9mm，永磁体11的径向厚度对直线电机的影响具体包括以下两个方面：

(1)永磁体11厚度会影响气息磁通密度的大小，在气隙大小固定和电机参数不变的情况下，随着永磁体11厚度的增加，气息磁通密度会有所增加，所以电机功率也会有所增加。但是，气息磁通密度的大小不会随永磁体11厚度的增加而无休止的增大，当永磁体11的厚度增加到9mm左右时，气息磁通密度的增大量在逐渐减小，继续增大永磁体11厚度对气息磁通密度的大小影响已不大，反而会增大电机的成本和重量。

(2)永磁体11厚度会影响电机的抗去磁能力，如果永磁体11厚度较小，那么它提供的磁动势就会较小，当去磁磁势较大时，可能会造成永磁体11局部不可逆去磁。

所述径向充磁永磁铁14和轴向充磁永磁铁15轴向长度的比值为2：1，相邻的径向充磁永磁铁14的磁瓦相错角为30°。通过对不同长度比例径向充磁永磁铁14和轴向充磁永磁铁15的Halbach阵列结构的电机分别进行瞬态分析，得到了不同长度比例情况下电机产生的三相空载电动势和定位力的值。通过三相整流滤波电路得到了不同长度比例径向充磁永磁铁14和轴向充磁永磁铁15的Halbach阵列结构的电机整流滤波后的电压值，该电压值与定位力最大值如表1所述。由表可知，随着径向充磁永磁铁14长度与轴向充磁永磁铁15长度比值趋近于1时，得到的电机产生的定位力的值和整流滤波后的电压值相对较小，而在二者比值趋近于0.5和2时，得到的定位力值和电压值相对较大。当径向充磁永磁铁14长度与轴向充磁永磁铁15长度比值为2:1时，得到的定位力最大值为1440.55N，整流滤波后的电压值为45.15V，永磁体11结构较为合理。

表1：不同长度比例情况下电机产生的空载电动势和定位力的值

相邻的径向充磁永磁铁14的磁瓦相错角为30°，使永磁体11外表面气隙磁通密度值较平均。

所述定子铁芯1外部设有槽肩，不加槽肩结构的电机在槽口处存在一定的漏磁现象，加设槽肩结构以后，电机产生的磁力线相对于不加槽肩结构的电机在槽口处较密集，漏磁现象明显减小，提高了永磁体11的利用率。

请参阅图12-13，不加槽肩的电机产生的定位力的最大值为1889.37N，而加设槽肩结构的电机产生的定位力最大值为1627.86N，产生的定位力减小了13.81％，降低了永磁体11产生的磁场在定子铁芯1中的祸流损耗，减小不必要的能量损失，提高了电机的效率。同时，定位力的减小能够提高电机运行的稳定性。

请参阅14-15，不加槽肩结构的电机产生的空载电动势整体小于加设槽肩结构的电机产生的空载电动势。对两种结构电机产生的空载电动势的结果做快速傅立叶分解，结果如表2所示。由表可知，加设槽肩结构的电机产生的空载电动势的基波幅值为20.21V，而不加槽肩结构的电机产生的空载电动势的基波幅值为19.84V，而且产生的谐波值较大，总谐波失真度也较大。加设槽肩结构的电机相对于不加槽肩结构的电机产生的电能更大，电机运行更稳定，永磁体11利用率更高，电机工作效率更高。因此，加设槽肩结构的电机的整体性能更加优良。

表2：不加槽肩与加设槽肩电机产生的空载电动势的傅立叶分解结果

请参阅图16，永磁体11的装配方法：Halbach阵列的永磁体11中径向充磁永磁铁14与轴向充磁永磁铁15之间、两个径向充磁永磁铁14之间都存在着较大的斥力，径向充磁永磁铁14其相互间的斥力用导引套管限制，导引套管为不导磁材料，在导引套管内壁涂上脱模剂，避免由于挤压使胶水进入套管内，将径向充磁永磁铁14和套管粘连在一起。

轴向充磁永磁铁15与径向充磁的永磁铁14之间的斥力用紧固套管限制。轴向充磁永磁铁15与径向充磁永磁铁14均套在导磁的圆环上，用紧固螺母把轴向充磁永磁铁15与径向充磁永磁铁14紧密结合在一起，它们之间用厌氧胶粘合。等待胶完全固化后再去粘结下一永磁体11，直到整个Halbach阵列永磁体11粘结完成后去掉紧固套管，用两端的紧固挡板把永磁铁结构固定即可。

本发明采用圆筒型永磁直线电机将振动筛运行时振动的机械能转化为电能，中间不需要其他传动装置，能够直接把往复直线运动的机械能转化为电能，避免了能量的损失，结构简单、体积小、安装简便，不受安装位置的限定，不需要其他能源装置，能量转化效率高、无污染、工作可靠，为振动的供电系统提供了新的思路，具有较高的推广意义。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种基于振动的振动筛供电装置，包括电机、振动传感器、电流传感器、温升传感器和蓄电池，其特征在于，所述电机安装在振动筛的弹簧固定板上，电机分别与振动传感器、电流传感器、温升传感器和蓄电池相连，蓄电池还分别与振动传感器、电流传感器和温升传感器相连；

所述电机包括定子铁芯(1)、永磁体结构(2)、线圈绕组(3)、定子固定板(4)和动子固定板(5)，所述定子铁芯(1)通过定子支架(6)安装在定子固定板(4)上，所述永磁体结构(2)穿过定子铁芯(1)固定安装在定子固定板(4)和动子固定板(5)之间，所述定子铁芯(1)包括两个端部铁芯(7)和多个中间铁芯(8)，所述端部铁芯(7)和中间铁芯(8)均包括螺孔(9)、定子齿槽(10)和引线槽(16)，所述端部铁芯(7)和中间铁芯(8)通过螺钉穿过螺孔(9)固定，所述定子齿槽(10)设于端部铁芯(7)和中间铁芯(8)的中心位置，所述引线槽(16)安装在定子齿槽(10)的下方，端部铁芯(7)和中间铁芯(8)上的螺孔(9)均有四个，端部铁芯(7)上的定子齿槽(10)和引线槽(16)均设有一个，中间铁芯(8)上的定子齿槽(10)和引线槽(16)有两个，且两个定子齿槽(10)和引线槽(16)对应安装在中间铁芯(8)的上部和下部；所述线圈绕组(3)安装在定子铁芯(1)内部的定子齿槽(10)内，所述永磁体结构(2)包括背铁(12)、中心轴(13)和多个永磁体(11)，所述背铁(12)安装在中心轴(13)的外表面，永磁体(11)包括径向充磁永磁铁(14)和轴向充磁永磁铁(15)。

2.根据权利要求1所述的基于振动的振动筛供电装置，其特征在于，所述电机为圆筒型永磁直线电机。

3.根据权利要求1所述的基于振动的振动筛供电装置，其特征在于，所述线圈绕组(3)采用饼式线圈，线圈绕组(3)放置在定子齿槽(10)内构成三相绕组。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于振动的振动筛供电装置，其特征在于，所述绕组线圈(3)在每个定子齿槽(10)中的匝数为160。

5.根据权利要求1所述的基于振动的振动筛供电装置，其特征在于，所述中心轴(13)的材料为热膨胀系数较小的非导磁材料铝合金。

6.根据权利要求1所述的基于振动的振动筛供电装置，其特征在于，所述径向充磁永磁铁(14)和轴向充磁永磁铁(15)轴向长度的比值为2：1，相邻的径向充磁永磁铁(14)的磁瓦相错角为30°。

7.根据权利要求1所述的基于振动的振动筛供电装置，其特征在于，所述永磁体(11)的型号为N35，永磁体(11)的径向厚度为9mm。

8.根据权利要求1所述的基于振动的振动筛供电装置，其特征在于，所述永磁体(11)的排列方式为Halbach阵列。

9.根据权利要求1所述的基于振动的振动筛供电装置，其特征在于，所述定子铁芯(1)外部设有槽肩。