CN105811727A - 基于力敏弹性体材料的振动发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于力敏弹性体材料的振动发动机，包括电感线圈、磁源、用于在外力作用下产生形变并改变磁路中的磁通率的力敏弹性体和用于将外界振动转换为沿电感线圈轴向往复运动的振动转换单元；所述力敏弹性体在外界振动时通过振动转换单元的带动产生形变进而改变磁通率，并通过电感线圈产生感应电动势；本发明当振动装置发生振动时，振动质量块相对与底座发生相对位移，使力敏弹性体受到拉伸/压缩变形，由于变形引起磁导率的变化导致磁路的磁阻发生变化，使得通过线圈的磁通量发生变化，产生感生电动势，结构简单，体积小，长期运行的条件下可靠性非常高。

Description

基于力敏弹性体材料的振动发动机

技术领域

本发明涉及物理学领域，尤其涉及一种基于力敏弹性体材料的振动发动机。

背景技术

过去100多年里，发达国家先后完成了工业化，消耗了地球上大量的自然资源，特别是能源资源，当前，一些发展中国家正在步入工业化阶段，能源消费增加是经济社会发展的客观必然，近年来我国的国民经济得到了迅猛发展，但与此同时也伴随着诸多问题，在我国，建筑能耗占总能耗的27％以上，而且还在以每年1个百分点的速度增加。建设部统计数字显示，我国新建建筑已经基本实现按节能标准设计，比例高达95.7％，而施工阶段执行节能设计标准的比例仅为53.8％，而目前，高速公路/高速铁路桥梁的安全越来越受到人们的关注，桥梁服役状态的检测已经成为桥梁工程师和仪器研究人员面临的技术挑战。在一些偏远的深山老林地区，大多数桥梁是没有的供电系统的，监测桥梁服役状态的传感器系统需要特定的电能才能正常运行的。在这样的背景下，利用振动能回收装置产生的电能为传感器和仪器系统供电显得非常重要，高效的振动能量回收装置在桥梁监测技术具有广阔的应用前景。例如：公开号为201080043235.9的中国发明专利，公开了一种能够防止永久磁铁吸附于磁性体振动发电机。”，该专利是利用永久磁体的振动使电感线圈中的磁通发生变化产生感生电动势,但是忽略了永久磁体振动幅度小导致电感线圈磁通变化小的问题；又如：专利号为200910005399.1的振动发电机，公布了一种用于利用振动进行发电的振动发电机：通过振动，实现铁芯的第一突出部与第二突出部在第一状态和第二状态间转换，从而实现铁芯内磁场方向的转换来实现线圈发电。但是这种发电机结构复杂，体积大，长期运行可靠性差，因此，亟需一种新的振动发电机，能够综合考虑发电机结构复杂性和长期运行的可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于力敏弹性体材料的振动发动，以解决上述问题。

本发明提供的基于力敏弹性体材料的振动发动机，包括电感线圈、磁源、用于在外力作用下产生形变并改变磁路中的磁通率的力敏弹性体和用于将外界振动转换为沿电感线圈轴向往复运动的振动转换单元；所述力敏弹性体在外界振动时通过振动转换单元的带动产生形变进而改变磁通率，并通过电感线圈产生感应电动势。

进一步，所述力敏弹性体包括设置于电感线圈内孔的内力敏弹性体和电感线圈圆周外部的外力敏弹性体，所述力敏弹性体由导磁颗粒和软质聚合弹性体构成，所述导磁颗粒均匀分布在软质聚合弹性体中。

进一步，所述磁源包括永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ，所述永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ的以同极同向的方式分别设置于电感线圈轴向两端，所述振动转换单元包括振动设备和振动质量块，所述振动设备和振动质量块连接，所述永磁体Ⅰ与振动质量块粘接，所述振动设备带动振动质量块沿电感线圈的径向进行直线往复运动，所述内力敏弹性体分别与永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ粘接，所述所述外力敏弹性体与永磁体Ⅱ粘接，所述力敏弹性体在振动质量块带动下产生拉伸和压缩形变。

进一步，还包括底座，所述底座与外力敏弹性体连接，所述永磁体Ⅱ与底座连接，将所述底座作为底部磁路，将所述振动质量块作为顶部磁路，所述力敏弹性体在振动作用下产生拉压形变，当力敏弹性体收到拉力作用时，磁导率增加，当力敏弹性体收到压力作用时，磁导率减小，将导磁率变化与拉压变形之比的最大值，作为预压缩工作点。

进一步，所述力敏弹性体刚度和振动质量块的质量分别为：

$\begin{array}{cc}K=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{h_0{\mathrm{\ϵ}}_0}{g}}& M=2{\mathrm{\πf}}^2\sqrt{\frac{h_0{\mathrm{\ϵ}}_0}{g}}\end{array}$

其中，K为力敏弹性体刚度，M为振动体与永磁体Ⅰ的质量和，f为振动设备的振动频率，ε₀为预压缩工作点，h₀为力敏弹性体自由状态时的高度，g为重力加速度。

进一步，所述内力敏弹性体在磁源的作用下形成内磁路，所述外力敏弹性体在磁源的作用下形成外磁路，所述内磁路和外磁路的磁阻为：

$\begin{array}{cc}{R}_{mN}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{rG}}\·\frac{h_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_0)-L}{{\mathrm{\πr}}^2}& R_{mW}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{rG}}\·\frac{h_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_0)}{\mathrm{\π}(R_2^2-R_1^2)}\end{array}$

其中，R_mN为内磁路的磁阻，R_mW为外磁路的磁阻，μ₀为真空中的磁导率，μ_rG为力敏弹性体工作点处的相对磁导率，r为内力敏弹性体的半径，L为永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ的厚度之和，R₁,R₂分别为外力敏弹性体的内外半径。

进一步，所述电感线圈的线圈内嵌于力敏弹性体中，随力敏弹性体的变形而变形。

进一步，所述振动质量块和底座为磁导率大于5000的软磁材料，内外磁路的总磁阻由内力敏弹性体和外力敏弹性体形成的磁路产生

本发明的有益效果：本发明采用上下两个永磁体作为磁源，增大了磁路的磁动势，对力敏弹性体相对磁导率较低的材料而言，可以获得较大磁通密度；振动体、永磁体和力敏弹性体之间的相对位置固定，不会发生机械运动干涉；振动体和底座均作为磁路的一部分，减少了零部件数量；振动体质量与力敏弹性体刚度满足激励谐振条件，使力敏弹性体变形足够大，磁路的磁通量变化较大，发电机能够输出较高的电压；力敏弹性体采用预压缩工作模式，其工作点取相对磁导率与应变曲线拐点，对小振幅振动也较敏感，本发明具有结构简单，体积小，长期运行的条件下可靠性非常高的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明的力敏弹性体材料变形示意图。

图3是本发明的力敏弹性体材料磁导率与应变关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图。

如图1所示，本实施例中的基于力敏弹性体材料的振动发动机，包括电感线圈、磁源、用于在外力作用下产生形变并改变磁路中的磁通率的力敏弹性体和用于将外界振动转换为沿电感线圈轴向往复运动的振动转换单元；所述力敏弹性体在外界振动时通过振动转换单元的带动产生形变进而改变磁通率，并通过电感线圈产生感应电动势。在本实施例中，利用力敏弹性体的相对磁导率受拉压变形控制的特性，改变磁路中磁通的变化，由法拉第电磁感应定律实现振动发电。充分考虑了发电机结构复杂性和长期运行的可靠性。

在本实施例中，力敏弹性体包括设置于电感线圈内孔的内力敏弹性体8和电感线圈圆周外部的外力敏弹性体5，所述力敏弹性体由导磁颗粒和软质聚合弹性体构成，所述导磁颗粒均匀分布在软质聚合弹性体中。优选地，本实施例中的力敏弹性体采用不同粒径的铁磁颗粒(铁粉、镍粉等)均匀分散于软质聚合物弹性体中。分散体在不同磁场强度或者零磁场下、真空环境中依靠温度和固化剂共同作用固化，得到类似于橡胶弹性材料，力敏弹性体的磁导率与拉压变形之间映射关系：当弹性体受压时磁导率增加，受拉时磁导率减小。本实施例中的铁磁颗粒采用镍粉、铁粉和钴粉，其磁导率达到十的三次量级，粒度为5～50微米，也可以采用其他导磁颗粒进行替代。高弹性聚合物在常温下具有高弹形变(形变量很大且随外力除去可回交平衡状态)的特殊物理性质，高弹性是高分子材料的独特物理性能,也是橡胶类物质所具有的最宝贵的一种物理性能。固化剂根据不同聚合物种类和固化后刚度选配。如图2所示，力敏弹性体固化后，铁磁颗粒(501,801)均匀分布在弹性体中，受到外力作用(503,803)后，力敏弹性体(5,8)产生压缩变形(502,802)，由自由状态高度(504,804)压缩到了变形后的高度(505,805)，铁磁颗粒(501,801)之间的距离减小，由于铁磁颗粒磁导率高，基体聚合物磁导率低，因此力敏弹性体的磁导率增加。反之，铁磁颗粒(501,801)之间的距离发生增大，磁导率减小。

如图3所示，是本发明采用的力敏弹性体磁导率与应变之间的关系图，采用预压缩工作模式，由于力敏弹性体预压缩变形(ε₀)后相对磁导率(μ_r)由(μ_r0)增加到(μ_rG)，以(ε₀，μ_rG)作为初始工作点，外力作用使得力敏弹性体发生应变增量(Δε₀₁/Δε₀₂)，力敏弹性体的磁导率发生响应变化(μ_rG-Δμ_rG1/μ_rG+Δμ_rG2)。在本发明中，最大应变量不允许超过0.7ε_max。

本实施例中的磁源包括永磁体Ⅰ5和永磁体Ⅱ8，所述永磁体Ⅰ5和永磁体Ⅱ8的以同极同向的方式分别设置于电感线圈轴向两端，所述振动转换单元包括振动设备和振动质量块4所述振动设备和振动质量块连接，所述永磁体Ⅰ与振动质量块4粘接，所述振动设备带动振动质量块4沿电感线圈7的径向进行直线往复运动，所述内力敏弹性体6分别与永磁体Ⅰ5和永磁体Ⅱ8粘接，所述所述外力敏弹性体3与永磁体Ⅱ13粘接，所述力敏弹性体在振动质量块6带动下产生拉伸和压缩形变。将上下两个永磁体Ⅰ5和永磁体Ⅱ8共同作为串级磁源，两磁源需确保N级与S级相对，在振动体和上磁体的共同作用下，内外力敏弹性体均产生拉压变形，内外力敏弹性体的磁导率发生变化，导致通过电感线圈的磁通也发生变化，在电感线圈的引出端2产生感生电动势，实现振动发电功能，本实施例中的内外力敏橡胶磁路与底座和振动体之间保持良好接触，在自由状态下力敏弹性体有一定量的压缩变形。

在本实施例中还包括底座1，底座1与外力敏弹性体3连接，所述永磁体Ⅱ8与底座1连接，将底座1作为底部磁路，将所述振动质量块4作为顶部磁路，所述力敏弹性体在振动作用下产生拉压形变，当力敏弹性体收到拉力作用时，磁导率增加，当力敏弹性体收到压力作用时，磁导率减小，将导磁率变化与拉压变形之比的最大值，作为预压缩工作点。由于机械振动导致振动体与底座之间发生相对位移，振动体采用导磁特性较好的软磁材料(纯铁、坡莫合金等)，振动体不但将振动转化为上下移动，而且作为顶部磁路，振动体使得力敏弹性体受到拉压变形，以便磁路的磁阻变化范围更大，提高发电机的输出电压，由于力敏弹性体受到拉压变形导致其磁导率随时间变化，以上下永磁体作为磁源，使电感线圈中的磁通量也随时间变化，由法拉第电磁感应定律电磁线圈将产生感生电动势。

在本实施例中，由于机械振动导致振动体与底座之间发生相对位移，振动体使得力敏弹性体受到拉压变形，导致其磁导率随时间变化，以上下永磁体作为磁源，使电感线圈中的磁通量也随时间变化，由法拉第电磁感应定律电磁线圈将产生感生电动势，检测力敏弹性体材料的拉压磁导率变化特性，得出相对磁导率与力敏弹性体应变之间的关系曲线，并利用多项式进行拟合：

μ_r＝aε³+bε²+cε+d

式中，μ_r为力敏弹性体材料的相对磁导率，ε为力敏弹性体材料的压缩应变，a,b,c,d为力敏弹性体的材料常数，由相对磁导率与力敏弹性体应变之间的关系确定；

利用上述的表达式，对其求得二阶导数，并令其等于零，得出拉压变形最敏感点：

${\mathrm{\ϵ}}_0=-\frac{b}{3a}$

ε₀为力敏弹性体材料的拉压变形最敏感点，即为预压缩工作原点。

根据得出的相对磁导率与力敏弹性体应变之间的关系曲线，确定力敏弹性体的饱和磁化强度，进一步确定力敏弹性体的允许最大应变值，设定工作最大应变取允许最大应变的70％左右。

根据振动设备的振动激励频率(f)，由振动体易于谐振为设计原则，确定振动体质量与上永磁体质量和(M)与力敏弹性体刚度(K)的关系：

M＝4π²f²K

根据上述方法预估的预压缩工作点(ε₀，μ_rG)，力敏弹性体自由状态高度为(h₀)；力敏弹性体预压缩应变(ε₀)和变形量(h₀ε₀)满足：

h₀ε₀＝KMg

g为重力加速度。

根据谐振表达式和预压缩表达式，得力敏弹性体的刚度(K)、振动体质量与上磁体主质量和(M)：

$\begin{array}{cc}K=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{h_0{\mathrm{\ϵ}}_0}{g}}& M=2{\mathrm{\πf}}^2\sqrt{\frac{h_0{\mathrm{\ϵ}}_0}{g}}\end{array}$

根据力敏弹性体的磁化特性，确定其最大允许磁通密度，取工作点磁通密度(B_G)取允许最大磁通密度的60％左右。

若上下永磁体磁源的磁动势之和F，结合工作点磁通密度(B_G)，确定磁路的总磁阻(∑R_m)∑R_m：

${\mathrm{\ΣR}}_m=\frac{F}{B_G}$

考虑到振动体作为顶部磁路，采用磁导率较高的软磁材料(相对磁导率在5000以上)；考虑到底座作为底部磁路，也采用磁导率较高的软磁材料(相对磁导率在5000以上)。力敏弹性体的相对磁导率仅为软磁材料的十分之一左右，磁路的磁阻主要由力敏弹性体导致，因此磁路的总磁阻(∑R_m)SR_m内外力敏弹性体磁路产生。

由磁路中的欧姆定理，得出内磁路的磁阻R_mN和外磁路的磁阻R_mW：

$\begin{array}{cc}{R}_{mN}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{rG}}\·\frac{h_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_0)-L}{{\mathrm{\πr}}^2}& R_{mW}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{rG}}\·\frac{h_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_0)}{\mathrm{\π}(R_2^2-R_1^2)}\end{array}$

μ₀为真空中的磁导率，μ_rG为力敏弹性体工作点处的相对磁导率，r为内磁路部分力敏弹性体的半径，L为上下两磁源厚度之和，R₁,R₂为外磁路部分力敏弹性体的内外半径。

由工作点磁通密度可以确定内磁路的半径：

$r=\sqrt{\frac{2B_G}{{\mathrm{\π\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{rG}F}{h}_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_0)}$

要求其磁通密度相同，径向尺寸参数应满足：

$r^2=R_2^2-R_1^2$

外磁路内半径由电感线圈占有径向空间决定，然后由上式确定外磁路外半径。

振动体的半径不小于外磁路的半径，进一步由质量确定振动体的厚度：

$h=\frac{M-m}{{\mathrm{\π\ρR}}_2^2}$

h为振动体的厚度，m为单一永磁体的质量，ρ为振动体的密度。

在本实施例中，电感线圈7的线圈内嵌于力敏弹性体中，随力敏弹性体的变形而变形。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于力敏弹性体材料的振动发动机，其特征在于：包括电感线圈、磁源、用于在外力作用下产生形变并改变磁路中的磁通率的力敏弹性体和用于将外界振动转换为沿电感线圈轴向往复运动的振动转换单元；所述力敏弹性体在外界振动时通过振动转换单元的带动产生形变进而改变磁通率，并通过电感线圈产生感应电动势。

2.根据权利要求1所述的基于力敏弹性体材料的振动发动机，其特征在于：所述力敏弹性体包括设置于电感线圈内孔的内力敏弹性体和电感线圈圆周外部的外力敏弹性体，所述力敏弹性体由导磁颗粒和软质聚合弹性体构成，所述导磁颗粒均匀分布在软质聚合弹性体中。

3.根据权利要求2所述的基于力敏弹性体材料的振动发动机，其特征在于：所述磁源包括永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ，所述永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ的以同极同向的方式分别设置于电感线圈轴向两端，所述振动转换单元包括振动设备和振动质量块，所述振动设备和振动质量块连接，所述永磁体Ⅰ与振动质量块粘接，所述振动设备带动振动质量块沿电感线圈的径向进行直线往复运动，所述内力敏弹性体分别与永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ粘接，所述所述外力敏弹性体与永磁体Ⅱ粘接，所述力敏弹性体在振动质量块带动下产生拉伸和压缩形变。

4.根据权利要求2所述的基于力敏弹性体材料的振动发动机，其特征在于：还包括底座，所述底座与外力敏弹性体连接，所述永磁体Ⅱ与底座连接，将所述底座作为底部磁路，将所述振动质量块作为顶部磁路，所述力敏弹性体在振动作用下产生拉压形变，当力敏弹性体收到拉力作用时，磁导率增加，当力敏弹性体收到压力作用时，磁导率减小，将导磁率变化与拉压变形之比的最大值，作为预压缩工作点。

5.根据权利要求4所述的基于力敏弹性体材料的振动发动机，其特征在于：所述力敏弹性体刚度和振动质量块的质量分别为：

$\begin{array}{cc}K=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{h_0{\mathrm{\ϵ}}_0}{g}}& M=2{\mathrm{\πf}}^2\sqrt{\frac{h_0{\mathrm{\ϵ}}_0}{g}}\end{array}$

其中，K为力敏弹性体刚度，M为振动体与永磁体Ⅰ的质量和，f为振动设备的振动频率，ε₀为预压缩工作点，h₀为力敏弹性体自由状态时的高度，g为重力加速度。

6.根据权利要求5所述的基于力敏弹性体材料的振动发动机，其特征在于：所述内力敏弹性体在磁源的作用下形成内磁路，所述外力敏弹性体在磁源的作用下形成外磁路，所述内磁路和外磁路的磁阻为：

$\begin{array}{cc}{R}_{mN}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{rG}}\·\frac{h_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_0)-L}{{\mathrm{\πr}}^2}& R_{mW}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{rG}}\·\frac{h_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_0)}{\mathrm{\π}(R_2^2-R_1^2)}\end{array}$

其中，R_mN为内磁路的磁阻，R_mW为外磁路的磁阻，μ₀为真空中的磁导率，μ_rG为力敏弹性体工作点处的相对磁导率，r为内力敏弹性体的半径，L为永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ的厚度之和，R₁,R₂分别为外力敏弹性体的内外半径。

7.根据权利要求1所述基于力敏弹性体材料的振动发动机，其特征在于：所述电感线圈的线圈内嵌于力敏弹性体中，随力敏弹性体的变形而变形。

8.根据权利要求6所述基于力敏弹性体材料的振动发动机，其特征在于：所述振动质量块和底座为磁导率大于5000的软磁材料，内外磁路的总磁阻由内力敏弹性体和外力敏弹性体形成的磁路产生。