CN105846641A - 磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，包括上下平面螺旋线圈保护外壳、主磁铁腔、磁柱放置环、圆形永磁铁、圆柱形永磁铁和上下平面螺旋线圈，所述圆形永磁铁处于中心悬浮状态，并具有自动快速归位功能，通过感应外界振动，自身起振，从而引起上下螺旋线圈的磁通量的改变，继而可循环反复地将外界振动能量转化为电能，这种设计具有对外界振动的高敏感性，能量转化过程中的低损耗性，既可采集微小振动能量，也可采集剧烈振动能量，动态范围大，结构稳定性高，在实现便携式电子产品的自供电工作模式上具有广阔的应用前景。

Description

磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器

技术领域

本发明属于能源材料与器件技术领域，具体为一种磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器。

背景技术

随着社会生产需求的快速增长与传感器与微系统技术的快速发展，大量的微纳传感器件与系统正在被广泛应用。特别是可穿戴式微纳传感系统。目前，这类系统主要依靠电池供电，而电池的寿命是有限的，且寿命比较短，更换频繁，即使是可充电电池，其寿命相对较长，但频繁的充电也会给使用者带来不便。这样的电池供电方式既会产生较多的使用成本，又会因大量废旧电池的产生而造成环境污染。可穿戴装备都和使用者的运动紧密相关，如果能够从使用者的运动中采集振动能量并转化为电能，微纳传感器件与系统的供电问题就能够解决了。

电磁感应发电是一种经典的发电方式，但传统的电磁发电器件主要利用外界能量带动线圈的转动或平面移动，使之切割磁感线来完成电磁感应发电过程，这类方式要求器件具有特殊的结构设计以保证外界能量能够转化为特定的转动或平面移动，结构比较复杂，且体积较大。然而复杂的环境下，小体积、高效率、高可靠性才是该技术领域的发展诉求。如何在小体积的系统中，将振动能量转化为电能，并能够做到对振动能量的高效采集就成为问题的关键所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器的结构设计。利用永磁铁间的磁力作用，形成主磁体的悬浮，以在提高发电单元对外界振动的响应灵敏度的同时，减小摩擦损耗，代替传统的电磁发电系统的发电方式。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，包括位于中部的磁柱放置环，所述磁柱放置环内壁轴向均布有若干个磁柱放置槽，所述磁柱放置环内设置主磁铁腔体，所述主磁铁腔体内放置圆形永磁铁；通过在相应的磁柱放置槽内放置圆柱形永磁铁、并将圆形永磁铁置于圆柱形永磁铁构成的阵列中心后，使圆形永磁铁处于悬浮状态；位于圆形永磁铁的上方和下方对称设置上平面螺旋线圈和下平面螺旋线圈，所述上平面螺旋线圈位于上腔体内，所述下平面螺旋线圈位于下腔体内。

工作原理，通过磁柱放置环中多个对称角度方向上的平行磁柱，使中心圆形永磁铁悬浮与磁柱构成的阵列中心，并能处于同一平面，两个平面螺旋线圈分别置于中心圆形永磁铁的正上方和正下方，所在平面与中心圆形永磁铁所在平面平行。当中心悬浮永磁铁的固有频率接近或等于外界环境振动的频率时，中心永磁铁发生振动，引起通过上下平面螺旋线圈的磁通量改变，从而产生电能。

本发明设计合理，该能量采集器具有对外界振动的高敏感性，能量转化过程中的低损耗性，结构设计巧妙，既可采集微小振动能量，也可采集剧烈振动能量，工作范围大，结构稳定性高，应用前景广阔，具有很好的市场应用价值。

附图说明

图1表示本发明的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器的分解示意图。

图2为本发明提供的永磁铁阵列布局示意图。

图中：1-上腔体，2-上平面螺旋线圈，3-下腔体，4-下平面螺旋线圈，5-圆形永磁铁，6-圆柱形永磁铁，7-主磁铁腔体，8-磁柱放置环，9-磁柱放置槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，如图1所示，包括位于中部的磁柱放置环8，所述磁柱放置环8内壁轴向均布有若干个磁柱放置槽9，所述磁柱放置环8内设置主磁铁腔体7，所述主磁铁腔体7内放置圆形永磁铁5；通过在相应的磁柱放置槽9内放置圆柱形永磁铁6、并将圆形永磁铁5置于圆柱形永磁铁6构成的阵列中心后，使圆形永磁铁5处于悬浮状态；位于圆形永磁铁5的上方和下方对称设置上平面螺旋线圈2和下平面螺旋线圈4，所述上平面螺旋线圈2位于上腔体1内，所述下平面螺旋线圈4位于下腔体3内。

如图1所示，将圆形永磁铁5置于圆柱形永磁铁6构成的阵列中心，通过两者间的间距控制使圆形永磁铁5始终处于悬浮状态，通过中心圆形永磁铁5对外界振动的感应，其自身产生轴向的上下振动，并能够自动快速归位。

具体实施时，所述磁柱放置环8安装于上腔体1和下腔体3构成的空间内。

所述上平面螺旋线圈2和下平面螺旋线圈4串联后引出。

所述上、下平面螺旋线圈2、4所在平面与圆形永磁铁5所在平面平行。

所述上、下平面螺旋线圈2、4之间的轴向间距小于等于圆形磁铁5与圆柱形永磁铁6的高度之和。

所述圆形永磁铁5与圆柱形永磁铁6的间距正好与主磁体腔体7的壁厚相等。

所述圆柱形永磁铁6的高度大于圆形永磁铁5的厚度。

如图2所示，所述磁柱放置环8内壁以30°间距均匀分布有12个磁柱放置槽9；所述圆柱形永磁铁6的放置方式必须保持相同角度间距，且属于同一平面，放置位置可不固定。本实施例中，三个圆柱形永磁铁6以120°的角度间距放置于相应的磁柱放置槽9内。如需采集剧烈振动环境下的能量，可增加圆柱形永磁铁6的数量，但放置方式仍须保持相同角度间距。

所述上、下腔体1、3、主磁铁腔体7及磁柱放置环8均采用不被永磁铁吸引的金属或塑料制作。

上述能量采集装置中采用圆形永磁铁处于中心悬浮状态，并具有自动快速归位功能，通过感应外界振动，自身起振，从而引起上下螺旋线圈的磁通量的改变，继而可循环反复地将外界振动能量转化为电能，这种设计具有对外界振动的高敏感性，能量转化过程中的低损耗性，既可采集微小振动能量，也可采集剧烈振动能量，动态范围大，结构稳定性高，在实现便携式电子产品的自供电工作模式上具有广阔的应用前景。

整个器件的具体实现步骤如下：

步骤1：采用CNC数控加工或3D打印技术制作上腔体1、下腔体3、主磁体腔体7、磁柱放置环8。

步骤2：采用漆包铜线绕出上平面螺旋线圈2及下平面螺旋线圈4。

步骤3：订购圆形永磁铁5和圆柱形永磁铁6。

步骤4：系统组装。

以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制，器件结构平面螺旋线圈大小、圆形永磁铁大小、圆柱形磁柱大小、、平面螺旋线圈缠绕圈数、平面螺旋线圈放置方式、保护外壳外观等限制，凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均在权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：包括位于中部的磁柱放置环（8），所述磁柱放置环（8）内壁轴向均布有若干个磁柱放置槽（9），所述磁柱放置环（8）内设置主磁铁腔体（7），所述主磁铁腔体（7）内放置圆形永磁铁（5）；通过在相应的磁柱放置槽（9）内放置圆柱形永磁铁（6）、并将圆形永磁铁（5）置于圆柱形永磁铁（6）构成的阵列中心后，使圆形永磁铁（5）处于悬浮状态；位于圆形永磁铁（5）的上方和下方对称设置上平面螺旋线圈（2）和下平面螺旋线圈（4），所述上平面螺旋线圈（2）位于上腔体（1）内，所述下平面螺旋线圈（4）位于下腔体（3）内。

2.根据权利要求1所述的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：所述磁柱放置环（8）安装于上腔体（1）和下腔体（3）构成的空间内。

3.根据权利要求1所述的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：所述上、下平面螺旋线圈（2、4）所在平面与圆形永磁铁（5）所在平面平行。

4.根据权利要求3所述的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：所述上、下平面螺旋线圈（2、4）之间的轴向间距小于等于圆形磁铁（5）与圆柱形永磁铁（6）的高度之和。

5.根据权利要求3或4所述的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：所述圆形永磁铁（5）与圆柱形永磁铁（6）的间距与主磁体腔体体（7）的壁厚相等。

6.根据权利要求5所述的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：所述圆柱形永磁铁（6）的高度大于圆形永磁铁（5）的厚度。

7.根据权利要求1或2所述的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：所述上、下腔体（1、3）、主磁铁腔体（7）及磁柱放置环（8）均采用不被永磁铁吸引的金属或塑料制作。

8.根据权利要求6所述的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：所述磁柱放置环（8）内壁以30°间距均匀分布有12个磁柱放置槽（9）；所述圆柱形永磁铁（6）的放置方式必须保持相同角度间距，且属于同一平面。

9.根据权利要求1或2所述的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：所述上平面螺旋线圈（2）和下平面螺旋线圈（4）串联后引出。

10.根据权利要求8所述的磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器，其特征在于：三个圆柱形永磁铁（6）以120°的角度间距放置于相应的磁柱放置槽（9）内。