CN105932856A - 一种高输出振动型磁电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高输出振动型磁电发电机，包括多块导磁块及至少三块圆柱形磁体，多块磁体之间上下安装，每上下两个磁体中间均安装导磁块，顶端磁体上安装上轭铁，底端磁体下端安装下轭铁，用中心通轴将多块磁体和导磁块及上下轭铁紧固；线圈架套在中心磁体组合的周围；线圈架上绕制至少四组线圈，并且相邻两组线圈绕制方向相反，线圈架外围套有圆管型的导磁环，导磁环固定在外壳的内壁上；外壳上、下端分别设有上盖和下盖，上弹簧片固定在线圈架的上端，下弹簧片固定在线圈架的下端，线圈架被上下弹簧片夹持并可以上下移动；上盖上装有接线柱，接线柱与线圈相连，整体安装于外壳体内。该结构独特，发电效率极高，而且体积小，成本低，极具推广价值。

Description

一种高输出振动型磁电发电机

技术领域

本发明属于振动型电磁发电机领域，涉及一种高输出振动型磁电发电机。

背景技术

传统的电力行业大多以风能、热能、水能、核能、地热能等能源作为原动力带动发电机发电，这些发电模式普遍存在污染大、能源消耗大、人力财力物力消耗大等缺点。随着社会进步和经济的持续发展，人类对能源的需求也越来越大。为了满足越来越大的能源缺口，可再生能源是解决能源危机的重要手段。

振动机械能随处可见，例如汽车行驶过程中的颠振、工厂机械设备产生的振动、人流行走、油井钻机、人工爆破等都能产生很多的机械振动能，而这些能量都白白浪费了。合理地开发和利用振动机械能发电，是节能减耗，解决能源危机的一种重要途径。

获取振动机械能目前有三种常用的技术手段：压电式发电、静电式发电和电磁式发电。压电式发电存在的主要问题是压电陶瓷片或压电薄膜具有高电压低电流的输出特征，因而输出功率很小。另一个问题是压电材料(PZT)的固有频率很高，一般在MHz级别，很难耦合到可用于实际的任何振动或周期性运动。而静电式发电与压电式发电类似，也具有高电压低电流的输出特征，也同样只有很小的功率输出。静电式发电机相比压电式发电机或磁电式发电机具有较低的功率密度，这是由于静电式发电机所依赖的静电气隙具有相对低的能量密度。

电磁发电机有可能提供相对大的电能。众所周知，利用电磁原理发电是一种通用技术。而如何将电磁转换效率提高到极致却是一个永恒的课题。一般来说，电磁发电机追求在一定尺寸范围内获得更大的发电电力，为达到此目的，主要设计方向包括以下几点：采用高磁通密度的磁体；磁路优化设计以减少漏磁和磁阻；线圈在磁通密度最大处切割磁力线；尽可能多的线圈匝数和尽可能低的线圈电阻均衡问题；根据惯性体质量设计弹簧的尺寸和弹性系数，力求获得最合理的系统固有频率，使其能在谐振频率点振动发电；效能与成本核算等。

现有技术的电磁式振动发电机一般体积较大，不适合应用于狭小空间，难以在较小的体积内实现较大输出。其主要原因是磁路设计不合理、振动频率设计不合理、线圈与磁体的相对位置设计不合理。所带来的结果就是线圈不能有效的切割磁力线、漏磁多、磁阻大、磁电转换效率低、输出功率小。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种高输出振动型磁电发电机，该发电机结构独特，发电效率极高，而且体积小，成本低，极具推广价值。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高输出振动型磁电发电机，包括多块导磁块以及至少三块圆柱形磁体，磁体中心设有中心通孔，多块磁体之间上下安装，每上下两个磁体中间均安装导磁块隔离每块磁体，顶端磁体上安装有上轭铁，底端磁体下端安装有下轭铁，用中心通轴将多块磁体和导磁块以及上下轭铁通过中心通孔紧固；线圈架套在中心磁体组合的周围，线圈架内壁与中心磁体组合外壁留有小距离的间隙；线圈架上绕制至少四组线圈，并且相邻两组线圈绕制方向相反，线圈架外围套有圆管型的导磁环，导磁环固定在外壳的内壁上，导磁环的内壁与线圈架的外壁留有小距离的间隙；外壳上端设有上盖，外壳下端通过挡环设有下盖，上弹簧片的外圈用卡环固定在线圈架的上端，上弹簧片的内圈由上盖和上轭铁夹持，下弹簧片的外圈用卡环固定在线圈架的下端，下弹簧片的内圈由下盖和下轭铁夹持，线圈架被上下弹簧片夹持并可以上下移动；上盖上安装有接线柱，接线柱与线圈相连，整体安装于外壳体内。

所述的磁体为钕铁硼磁体，相邻两块磁体反方向安装，并用导磁材料制成的导磁块相间隔，至少三块钕铁硼磁体沿轴向对磁安装。

该发电机包括两块导磁块以及上磁体、中磁体和下磁体三块轴向磁化的圆柱形磁体；每两个圆柱形磁体中间分别安装导磁块隔离每块磁体，上磁体的上方安装上轭铁，下磁体的下方安装下轭铁；所述的中心通轴由上至下分别穿过上盖、上弹簧片、上轭铁、上磁体、导磁块、中磁体、导磁块、下磁体、下轭铁，并用两端的紧固螺母和夹紧；上下轭铁和导磁块采用高导磁材料制成。

所述的上盖、上弹簧片、上轭铁、上磁体、导磁块、中磁体、导磁块、下磁体以及下轭铁均设有中心内孔，并且其内孔尺寸均相同。

所述的线圈为螺线管线圈。

线圈架上绕制四组线圈；四组线圈分别为上A线圈、上B线圈、下A线圈和下B线圈；所述线圈架上自上往下分别绕制上A线圈、上B线圈、下A线圈和下B线圈，所述上A线圈和上B线圈绕制方向相反；上B线圈和下A线圈绕制方向相反；下A线圈和下B线圈的绕制方向也相反；绕制了四组线圈的线圈架被上弹簧片和下弹簧片夹持，并构成可以上下运动的惯性体。

所述的惯性体最大位移为±2mm；所述的上A线圈和下B线圈采用9丝自焊铜线，各绕制880匝制成；上B线圈和下A线圈采用9丝自焊铜线，各绕制1320匝制成。

所述的上、下弹簧片为平板式多筋弹簧，用恒弹性材料制成；所述的导磁环采用高导磁率的材料制成；

该高导磁率的材料包括纯铁、硅钢、坡莫合金、微晶材料和超微晶材料；恒弹性材料为铍青铜。

所述的线圈架是用非金属材料制成；上盖、下盖、外壳和挡环采用增强尼龙制成；中心通轴采用不锈钢材料制成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的发电机，采用多块钕铁硼磁体沿轴向对磁安装，即N极和N极顶头，S极和S极顶头，使每两块磁体之间的导磁块向外发散高磁通密度的磁力线，以提高线圈在磁通密度最大处切割磁力线时的发电能力；磁路优化设计，包括采用高导磁材料制成的导磁环，尽量减少漏磁和降低磁阻；精密的机械设计使线圈在磁通密度最大处切割磁力线；尽可能多的线圈匝数和尽可能低的线圈电阻；并根据振动源的频带范围，在惯性体质量确定后设计弹簧的尺寸和弹性系数，力求获得最合理的系统固有频率，使其能在谐振频率点振动发电。

本发明结构独特，发电效率极高，而且体积小，成本低，极具推广价值。

附图说明

图1为本发明的实施形态内部主要结构示意图。

图2为本发明的实施形态磁力线走向示意图。

其中，1、上紧固螺母；2、上A线圈；3、导磁环；4、上B线圈；5、外壳；6、下A线圈；7、中心通轴；8、下B线圈；9、挡环；10、下紧固螺母；11、上盖；12、上弹簧片；13、上轭铁；14、上磁体；15、导磁块；16、中磁体；17、线圈架；18、导磁块；19、下磁体；20、下轭铁；21、下弹簧片；22、下盖。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1至图2，一种高输出振动型磁电发电机，包括用导磁材料制成的导磁块15和18以及至少三块圆柱形磁体14、16、19，磁体中心设有中心通孔；磁体上下安装，中间安装导磁块15和18隔离每块磁体，用中心通轴7将磁体和导磁块以及上下轭铁13、20通过中心通孔紧固；线圈架17套在磁体周围，线圈架内壁与磁体外壁留有小距离的间隙；线圈架上绕制至少四组线圈2、4、6、8，并且相邻两组线圈绕制方向相反；线圈架外围套有圆管型的导磁环3，导磁环固定在外壳5的内壁上，并与线圈架留有小距离的间隙；上弹簧片12的外圈用卡环固定在线圈架17的上端，上弹簧片的内圈由上盖11和上轭铁13夹持，下弹簧片21的外圈用卡环固定在线圈架17的下端，下弹簧片的内圈由下盖22和下轭铁20夹持，线圈架被上下弹簧片夹持并可以上下移动；上盖上安装有接线柱，接线柱与线圈相连，上盖11和下盖22之间安装外壳5。上盖和下盖对内部结构有居中扶正作用，并整体安装于外壳体内。

所述的弹簧片为平板式多筋弹簧，用恒弹性材料制成。

所述的线圈架17是用非金属材料制成。

所述的磁体为钕铁硼磁体，所述钕铁硼磁体至少使用三块。

所述的钕铁硼磁体使用多块时，将相邻两块磁体反方向安装，并用导磁材料制成的导磁块相间隔。

所述的导磁环3利用高导磁率的材料制成，该材料包括纯铁、硅钢、坡莫合金、微晶材料和超微晶材料。

所述的线圈架17上绕制多组线圈时，将相邻两个线圈反方向绕制，所述的线圈为螺线管线圈。

所述的中心通轴7由上至下分别穿过上盖11、上弹簧片12、上轭铁13、上磁体14、导磁块15、中磁体16、导磁块18、下磁体19、下轭铁20，并用两端的紧固螺母1和10夹紧。

具体的，参见图1，本例使用三只轴向磁化的圆柱形磁体和四组螺线管线圈以及用超微晶材料制成的圆筒形导磁环，但本发明不仅局限于此。

本发明由多组螺线管线圈和多只轴向磁化的圆柱形磁体以及高导磁率导磁环构成电磁回路，线圈架和线圈在外界振动的作用下产生上下运动，线圈切割磁力线产生电能。

本例采用三块钕铁硼磁体沿轴向对磁安装，即N极和N极顶头，S极和S极顶头，使每两块磁体之间的导磁块向外发散高磁通密度的磁力线，以提高线圈在磁通密度最大处切割磁力线时的发电能力。

所述三块钕铁硼磁体分别为上磁体14、中磁体16和下磁体19，中间用导磁材料制成的导磁块15和18隔离。上磁体14的上方安装上轭铁13，下磁体19的下方安装下轭铁20。

中心通轴7由上至下分别穿过上盖11、上弹簧片12、上轭铁13、上磁体14、导磁块15、中磁体16、导磁块18、下磁体19、下轭铁20，并用两端的紧固螺母1和10夹紧。

线圈架17上绕制了四组线圈，分别为上A线圈2、上B线圈4、下A线圈6和下B线圈8；绕制了四组线圈的线圈架17被上弹簧片12和下弹簧片21夹持，并构成可以上下运动的惯性体。

所述惯性体最大位移为±2mm。

上盖11、上弹簧片12、上轭铁13、上磁体14、导磁块15、中磁体16、导磁块18、下磁体19以及下轭铁20均设有中心内孔，并且其内孔尺寸均相同，中心通轴7的外径与之负公差配合安装。

上弹簧片12的外圈用卡环安装于线圈架17的上缘，下弹簧片21的外圈用卡环安装于线圈架17的下缘。

所述线圈架17自上往下分别绕制上A线圈2、上B线圈4、下A线圈6和下B线圈8，所述上A线圈2和上B线圈4绕制方向相反；上B线圈4和下A线圈6绕制方向相反；下A线圈6和下B线圈8的绕制方向也相反。因为磁力线穿过上A线圈2和上B线圈4的方向是相反的，磁力线穿过下A线圈6和下B线圈8的方向也是相反的，而磁力线穿过上A线圈2和下A线圈6的方向是相同的，当惯性体上下运动时，四组线圈所产生的感应电流才会有相同的方向。

所述结构的磁力线走向如图2所示。

所述线圈架17在中心磁体组合的周围，其内壁与轭铁和导磁块的外壁留有小距离的间隙。

导磁环3嵌入外壳5的内壁，并套在线圈架17的外围，导磁环3的内壁与线圈架17的外壁留有小距离的间隙。

上盖11和下盖22对内部结构有中心扶正作用，并整体安装于外壳体内。

高磁能积的钕铁硼磁体14、16、19，高导磁材料制成的上下轭铁13、20和导磁块15、18，以及超微晶材料的导磁环3共同组成磁回路。由于超微晶材料的高聚磁效应，使得磁体14、16、19和导磁环3之间的磁隙中具有高密度磁力线。上弹簧片12、下弹簧片21以及由线圈架17和四组线圈构成的惯性体构成弹簧振动系统。当该振动系统接收外界振动发生振动时，四组线圈均在磁隙中切割磁力线，从而获得很大的输出电流。

其中：

上盖11、下盖22、外壳5和挡环9，材料采用增强尼龙。

上弹簧片12和下弹簧片21为平板式多筋弹簧，材料采用铍青铜。

导磁环3，超微晶带材卷制而成。

上轭铁13、下轭铁20、导磁块15、导磁块18，材料采用电工纯铁镀锌制成。

线圈架17，材料采用聚砜，以保证很薄的壁厚和合适的强度。

中心通轴7，材料采用不锈钢。

上A线圈2和下B线圈8，材料采用9丝自焊铜线，各绕制880匝。上B线圈4下A线圈6，材料采用9丝自焊铜线，各绕制1320匝。

上磁体14、中磁体16、和下磁体19，材料均采用圆柱形钕铁硼轴向磁体，标号N42。下磁体17，材料采用圆管形钕铁硼径向磁体，标号N42。

本发明由多组螺线管线圈和多只圆柱形磁体以及高导磁率的导磁环所构成的电磁回路以拾取振动能量发电。

本发明提供的发电机，采用圆柱形钕铁硼磁体以及独特设计的顶磁结构，使其具有高磁通密度；磁路优化设计尽量减少漏磁和降低磁阻；精密的机械设计使线圈在磁通密度最大处切割磁力线；尽可能多的线圈匝数和尽可能低的线圈电阻；并根据振动源的频带范围，在惯性体质量确定后设计弹簧的尺寸和弹性系数，力求获得最合理的系统固有频率，使其能在谐振频率点振动发电。

本发明结构独特，发电效率极高，而且体积小，成本低，极具推广价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高输出振动型磁电发电机，其特征在于，包括多块导磁块以及至少三块圆柱形磁体，磁体中心设有中心通孔，多块磁体之间上下安装，每上下两个磁体中间均安装导磁块隔离每块磁体，顶端磁体上安装有上轭铁(13)，底端磁体下端安装有下轭铁(20)，用中心通轴(7)将多块磁体和导磁块以及上下轭铁(13、20)通过中心通孔紧固；线圈架(17)套在中心磁体组合的周围，线圈架(17)内壁与中心磁体组合外壁留有小距离的间隙；线圈架(17)上绕制至少四组线圈，并且相邻两组线圈绕制方向相反，线圈架(17)外围套有圆管型的导磁环(3)，导磁环(3)固定在外壳(5)的内壁上，导磁环(3)的内壁与线圈架(17)的外壁留有小距离的间隙；外壳(5)上端设有上盖(11)，外壳(5)下端通过挡环(9)设有下盖(22)，上弹簧片(12)的外圈用卡环固定在线圈架(17)的上端，上弹簧片(12)的内圈由上盖(11)和上轭铁(13)夹持，下弹簧片(21)的外圈用卡环固定在线圈架(17)的下端，下弹簧片的内圈由下盖(22)和下轭铁(20)夹持，线圈架(17)被上下弹簧片夹持并可以上下移动；上盖(11)上安装有接线柱，接线柱与线圈相连，整体安装于外壳体内。

2.根据权利要求1所述的高输出振动型磁电发电机，其特征在于，所述的磁体为钕铁硼磁体，相邻两块磁体反方向安装，并用导磁材料制成的导磁块相间隔，至少三块钕铁硼磁体沿轴向对磁安装。

3.根据权利要求1或2所述的高输出振动型磁电发电机，其特征在于，该发电机包括两块导磁块(15、18)以及上磁体(14)、中磁体(16)和下磁体(19)三块轴向磁化的圆柱形磁体；每两个圆柱形磁体中间分别安装导磁块(15、18)隔离每块磁体，上磁体(14)的上方安装上轭铁(13)，下磁体(19)的下方安装下轭铁(20)；所述的中心通轴(7)由上至下分别穿过上盖(11)、上弹簧片(12)、上轭铁(13)、上磁体(14)、导磁块(15)、中磁体(16)、导磁块(18)、下磁体(19)、下轭铁(20)，并用两端的紧固螺母 (1)和(10)夹紧；上下轭铁(13、20)和导磁块(15、18)采用高导磁材料制成。

4.根据权利要求3所述的高输出振动型磁电发电机，其特征在于，所述的上盖(11)、上弹簧片(12)、上轭铁(13)、上磁体(14)、导磁块(15)、中磁体(16)、导磁块(18)、下磁体(19)以及下轭铁(20)均设有中心内孔，并且其内孔尺寸均相同。

5.根据权利要求1所述的高输出振动型磁电发电机，其特征在于，所述的线圈为螺线管线圈。

6.根据权利要求1或5所述的高输出振动型磁电发电机，其特征在于，线圈架(17)上绕制四组线圈；四组线圈分别为上A线圈(2)、上B线圈(4)、下A线圈(6)和下B线圈(8)；所述线圈架(17)上自上往下分别绕制上A线圈(2)、上B线圈(4)、下A线圈(6)和下B线圈(8)，所述上A线圈(2)和上B线圈(4)绕制方向相反；上B线圈(4)和下A线圈(6)绕制方向相反；下A线圈(6)和下B线圈(8)的绕制方向也相反；绕制了四组线圈的线圈架(17)被上弹簧片(12)和下弹簧片(21)夹持，并构成可以上下运动的惯性体。

7.根据权利要求6所述的高输出振动型磁电发电机，其特征在于，所述的惯性体最大位移为±2mm；所述的上A线圈(2)和下B线圈(8)采用9丝自焊铜线，各绕制880匝制成；上B线圈(4)和下A线圈(6)采用9丝自焊铜线，各绕制1320匝制成。

8.根据权利要求1所述的高输出振动型磁电发电机，其特征在于，所述的上、下弹簧片(12、21)为平板式多筋弹簧，用恒弹性材料制成；所述的导磁环(3)采用高导磁率的材料制成。

9.根据权利要求8所述的高输出振动型磁电发电机，其特征在于，该高导磁率的材料包括纯铁、硅钢、坡莫合金、微晶材料和超微晶材料；恒弹性 材料为铍青铜。

10.根据权利要求1所述的高输出振动型磁电发电机，其特征在于，所述的线圈架(17)是用非金属材料制成；上盖(11)、下盖(22)、外壳(5)和挡环(9)采用增强尼龙制成；中心通轴(7)采用不锈钢材料制成。