CN107222129B - 一种基于逆磁致伸缩原理的减振发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于逆磁致伸缩效应的减振发电装置，属于减振与振动发电产品领域。包括减振模块、振动转换模块、逆磁致发电模块、电池模块，主体由底座、六自由度平台、顶杆一、紧固螺钉一、压电橡胶隔振器构成，六自由度平台嵌于底座上方，顶杆一和紧固螺钉一固定在六自由度平台上表面，压电橡胶隔振器环绕在外侧，与底座和六自由度平台上表面接触并固定，与顶杆一和紧固螺钉一之间形成阶梯状的空腔。本发明生产成本低，易于固定，能耐受恶劣的振动环境，高效发电，易于扩容，体积小，重量轻。此装置结构较简单，稳定性强，可阵列安装。
Description
技术领域
本发明涉及减振与振动发电产品领域，尤其涉及一种基于逆磁致伸缩原理的减振发电装置。
背景技术
随着工业的发展，机械振动的问题越来越被船舶行业所关注，机械振动不仅造成大量能量的损失，而且会使设备产生疲劳，减少寿命。如今，振动的能量采集技术已经成为科学研究的热门，然而现有的振动发电设备由于功率小，成本高等原因难以推广。因此，决定研究一种基于逆磁致伸缩原理的减振发电装置。
目前，利用振动进行发电的方法主要有4种：
逆磁致伸缩式。超磁致伸缩材料具有机械能与电磁能间的双向可逆换能效应,利用超磁致伸缩材料所具有的受力作用后发生磁致伸缩逆效应的特性,对振动能量进行收集,将振动机械能转化为变化的磁能,再结合线圈的法拉第电磁效应,可以实现将振动机械能转换为电能的发电过程。这种振动发电方式机电耦合系数高，耐压性好，电压高，但是目前大多数利用逆磁致伸缩发电的装置，需要安装笨重的永磁体，导致装置重量比较大，体积大。
永磁式。法拉第在1831年发现时变的磁场产生电场，揭开了由磁发电的序幕。根据电磁感应定律，当导体回路中的磁通变化的时候，会在回路中产生感应电动势。在导体回路中产生电动势主要有三种：(1)感生电动势，也叫变压器电动势。当导体回路中的磁感应强度随时间发生变化时，导致导体回路中的磁通也发生改变，使得导体回路产生电动势，这是变压器的工作原理。(2)动生电动势，也叫发电机电动势。当导体回路中的磁感应强度不变，但是导体回路的整体或局部相对于磁媒质存在运动，也会使得导体回路产生电动势，这是发电机的工作原理。(3)感生电动势和动生电动势的叠加。当导体回路中的磁感应强度发生变化，并且导体回路相对于磁媒质存在运动，此时产生的电动势是感生电动势与动生电动势的叠加。永磁体不需要外部能量就可以在空间或相应器件内产生一定的磁场分布，目前在各类电动机和发电机中的应用和发展日趋深入，是今后的一个发展方向。当永磁体与其周围的感应线圈之间产生相对运动时，由于永磁体产生磁场分布的不均匀性，会使得感应线圈内的磁感应强度发生改变，还会与周围的分布有磁场的空气媒质产生相对运动，因此感应线圈内产生的电动势是由于线圈磁通变化和切割磁力线产生，如果外接负载，就可以实现电能的输出。这种振动发电方式成本低，无需智能材料，但是在微机电系统情况下电压低，易磨损。
压电效应式。当某些电介质晶体受到一定方向的外力作用而引起形变时，有相对位移在其内部正负电荷中心产生而有了极化现象，同时在它的上下表面上有符号相反的极化电荷出现，其电荷密度随着应力成比例变化。当取消外力后又重新恢复不带电的状态，这种只因为应变或应力的影响而不是因为外界电场的干扰，在晶体内部有电极化产生的现象称为正压电效应或压电效应。这种振动发电方式机电耦合系数高，压电常数高，但是材料脆，高频振动易疲劳，难阻抗匹配，电荷泄露严重，内阻大。
静电式。基于微液滴介质和差分电容器的静电式微型，应用静电式振动发电机主要由一对差分电容器和驻极体构成，在驻极体产生的恒定电场极化下，差分电容器产生感应电荷；当微液滴介质在外界振动激励下运动，差分电容器发生变化，感应电荷将在差分电容器之间重新分布，从而在外电路中形成电流，实现将外界环境振动能转换为电能。此种结构简单，成本低，但是需要额外电压源，容易短路。
同时，大多数利用振动发电的装置，只能吸收来自振动源一个方向的振动，但是很多机械振动是来自多个方向的；大多数利用振动发电的装置，体积小而且结构脆弱，不能在振动较剧烈的设备上安装，不具备阵列安装的特点；大多数利用振动发电的装置，由于材料脆弱需要安装减振缓冲装置时，在减振缓冲过程中便已经损失了大部分振动能，能量利用效率低。
机械装置安装后剩余空间很有限，人们希望振动发电装置占地面积小，具有多种功能。由此，一种安装在振动源底座，兼具减振与发电功能的装置走进人们的视野。
申请公布号为CN 106026776 A的发明公开了一种磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，以超磁致伸缩薄膜为核心元件,用两块条形磁铁为超磁致伸缩薄膜提供偏置磁场,以拾取线圈拾取发电过程产生的电能,实现了将汽车轮胎行进过程产生的振动能量转化为电能输出的能量收集过程。但是该发明存在磁导率低，性能受温度影响大，结构复杂，材料脆的问题。
发明内容
本发明致力于提供一种使装置在做到减振，发电的前提下做到低成本，结构强度好，体积小，耐受复杂振动环境的基于逆磁致伸缩原理的减振发电装置。
为了达到上述目的，本发明采用的减振发电装置包括：减振模块(压电橡胶隔振器)，振动转换模块(六自由度平台)，逆磁致发电模块(加压螺母，顶杆二，预压弹簧，磁致伸缩棒，外壳，底座，感应线圈，偏致线圈)，电池模块(可充电锂电池及其相关电路)。所属减振模块置于振动转换模块上方；所属逆磁致发电模块，电池模块镶嵌于振动转换模块的底座中。
优选地，所采用的橡胶隔振器采特制柔性的压电橡胶制成，具有抗疲劳性能，减振性能好，能回收减振过程损失的能量的作用；所述的电池模块中的电路具有防过度充电功能，而且电池模块能同时进行充电与供电；所述的偏致线圈能代替传统逆磁致伸缩发电装置中的永磁体，产生偏致磁场；偏致电流由电池模块提供；六自由度平台的底板中镶嵌3个逆磁致发电模块。
基于逆磁致伸缩效应的减振发电装置工作原理如下：来自振动源的振动传递给减振模块，减振模块由压电材料制成。减振模块起到减振缓冲，能量回收的功能。缓冲后的振动传递给振动转换模块，振动转换模块可将来自振动源不同方向的振动转换为一个方向的振动，并将振动传递给逆磁致发电模块进行发电，并将电能储存在电池模块中。由于逆磁致发电模块中运用偏致线圈产生偏致磁场，因此电池模块还需要提供少量的电能给逆磁致发电模块。最后，经过缓冲后的振动传递给地面。
本发明同时提供一种减振发电的方法。
本发明的有益效果：
生产成本低，易于固定，能耐受较恶劣的振动环境，高效发电，易于扩容，体积小重量轻。此装置结构较简单，稳定性强，可阵列安装。在非固定频率振动，固定频率振动的设备上都可安装此装置。对于大型振动源也可以阵列安装，例如安装到正方形底座的四个角上。除了发电与减振缓冲的作用外，装置中还可以镶嵌传感器与无限传感设备，利用电池模块来工作。从而起到振动监控，温度预警，噪声监控等多种功能。
附图说明
图1为本发明所代表的一种减振发电装置的简图。
图2为振动转换模块的简图。
图3为逆磁致发电装置装配图。
图4为逆磁致发电模块简图。
图5为本发明带来的一种减振发电方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
一种基于逆磁致伸缩原理的减振发电装置，包括减振模块、振动转换模块、逆磁致发电模块、电池模块，其特征在于：减振模块位于振动转换模块上方，逆磁致发电模块、电池模块镶嵌于振动转换模块的底座中。
参见图1，减振发电装置，包括：底座1、六自由度平台2、顶杆一3、紧固螺钉一4、压电橡胶隔振器5。来自振动源的振动传至压电橡胶隔振器5，压电橡胶隔振器5起到减振的作用，同时利用压力发电，将一部分在减振过程中损失的振动能进行能量回收。缓冲后的振动传至六自由度平台2中，来自各个方向的振动将被转换为竖直方向的振动，进而传递给底座1中的逆磁致发电装置。
参见图2，振动转换模块(六自由度平台)简图。由上平台8，下平台，支撑杆组成，每两个支撑杆的末端形成一个支撑球7.
参见图3，逆磁致发电模块。逆磁致发电模块结构包括偏致线圈与发电线圈11、预压弹簧12、顶杆二13、紧固螺钉二14、磁致伸缩棒15、外壳16，逆磁致发电装置6安装于六自由度平台2的下平台中，且逆磁致发电装置6的顶杆二13正好与支撑球7接触。缓冲后的振动从而通过支撑球7传递给顶杆二13。
参见图4，逆磁致发电模块图。偏致线圈与发电线圈11捆绑在一起。来自电池模块的电流供给偏致线圈，偏致线圈从而提供发电所需的偏致磁场。预压弹簧12一方面可以保护磁致伸缩棒15，一方面可以使得材料的磁致伸缩增大，提高发电效率。顶杆二13将振动传递给磁致伸缩棒15，磁致伸缩棒15受到变化的压力后，将产生变化的磁场，变化的磁场在发电线圈中将产生变化的电流。电流被收集到安装在六自由度平台2的下平台中的电池模块中。
参见图5，一种减振发电方法的流程图。提供一种减振发电方法，该方法的步骤为：(1)来自振动源的振动传递给减振模块，减振模块由压电材料制成；(2)缓冲后的振动传递给振动转换模块，振动转换模块将来自振动源不同方向的振动转换为一个方向的振动，并将振动传递给逆磁致发电模块，进行发电，并将电能储存在电池模块中；(3)电池模块还需要提供少量的电能给逆磁致发电模块；(4)经过缓冲后的振动传递给地面。
来自振动源的振动传递给减振模块，减振模块可以由压电材料制成。减振模块可以起到减振缓冲，能量回收的功能。缓冲后的振动传递给振动转换模块，振动转换模块可以将来自振动源不同方向的振动转换为一个方向的振动，并将振动传递给逆磁致发电模块，进行发电，并将电能储存在电池模块中。由于逆磁致发电模块中运用偏致线圈产生偏致磁场，因此电池模块还需要提供少量的电能给逆磁致发电模块。最后，经过缓冲后的振动传递给地面。整个装置起到减振与发电两个作用，而且结构经凑，发电效率高，减振效果好。
主体由底座1、六自由度平台2、顶杆一3、紧固螺钉一4、压电橡胶隔振器5构成，六自由度平台2嵌于底座1上方，顶杆一3和紧固螺钉一4固定在六自由度平台2上表面，压电橡胶隔振器5环绕在外侧，与底座1和六自由度平台2上表面接触并固定，与顶杆一3和紧固螺钉一4之间形成阶梯状的空腔。
减振模块由顶杆一3、紧固螺钉一4和压电橡胶隔振器5构成，顶杆一3为阶梯型的圆柱体，环向均匀开有螺孔，大小与紧固螺钉一4吻合；顶杆一3与压电橡胶隔振器5之间留有空隙。
振动转换模块由支撑球7、上平台8、支撑杆9和下平台10组成，下平台10也是底座1，上平台8直径小于下平台10的直径，上平台8和下平台10上各均匀分布三个支撑球7，上下支撑球7交错分布，通过长度相等的六个支撑杆9依次连接。
逆磁致发电模块包括偏致线圈与发电线圈11、预压弹簧12、顶杆二13、紧固螺钉二14、磁致伸缩棒15、外壳16，外壳16内留有空腔，上部有通孔；磁致伸缩棒15位于外壳16底部，四周缠绕有偏致线圈与发电线圈11，磁致伸缩棒15与偏致线圈与发电线圈11之间留有空隙；顶杆二13与外壳16通孔大小一致，穿过通孔与磁致伸缩棒15接触，在磁致伸缩棒15和外壳16之间的顶杆二13周围固定预压弹簧12，顶杆二13四周有螺纹，与紧固螺钉二14螺孔大小一致；紧固螺钉二14外壳16上侧接触，环绕在顶杆二13四周。
电池模块由可充电电池以及相关电路组成，镶嵌在底座1中。
Claims (2)
1.一种基于逆磁致伸缩原理的减振发电装置，包括减振模块、振动转换模块、逆磁致发电模块、电池模块，其特征在于：减振模块位于振动转换模块上方，逆磁致发电模块、电池模块镶嵌于振动转换模块的底座中；
减振发电装置包括底座(1)、六自由度平台(2)、顶杆一(3)、紧固螺钉一(4)、压电橡胶隔振器(5)；六自由度平台(2)嵌于底座(1)上方；顶杆一(3)和紧固螺钉一(4)固定在六自由度平台(2)上表面；压电橡胶隔振器(5)环绕在外侧，与底座(1)和六自由度平台(2)上表面接触并固定，与顶杆一(3)和紧固螺钉一(4)之间形成阶梯状的空腔；
减振模块由顶杆一(3)、紧固螺钉一(4)和压电橡胶隔振器(5)构成；顶杆一(3)为阶梯型的圆柱体，环向均匀开有螺孔，大小与紧固螺钉一(4)吻合；顶杆一(3)与压电橡胶隔振器(5)之间留有空隙；
振动转换模块即六自由度平台由支撑球(7)、上平台(8)、支撑杆(9)和下平台(10)组成；下平台(10)也是底座(1)，上平台(8)直径小于下平台(10)的直径；上平台(8)和下平台(10)上各均匀分布三个支撑球(7)，上下支撑球(7)交错分布，通过长度相等的六个支撑杆(9)依次连接；
逆磁致发电模块安装在六自由度平台的下平台上，包括偏致线圈与发电线圈(11)、预压弹簧(12)、顶杆二(13)、紧固螺钉二(14)、磁致伸缩棒(15)、外壳(16)；
外壳(16)内留有空腔，上部有通孔；
磁致伸缩棒(15)位于外壳(16)底部，四周缠绕有偏致线圈与发电线圈(11)，磁致伸缩棒(15)与偏致线圈与发电线圈(11)之间留有空隙；
顶杆二(13)与外壳(16)通孔大小一致，穿过通孔与磁致伸缩棒(15)接触，在磁致伸缩棒(15)和外壳(16)之间的顶杆二(13)周围固定预压弹簧(12)，顶杆二(13)四周有螺纹，与紧固螺钉二(14)螺孔大小一致；
紧固螺钉二(14)与外壳(16)上侧接触，环绕在顶杆二(13)四周。
2.根据权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩原理的减振发电装置，其特征在于：电池模块由可充电电池以及相关电路组成，镶嵌在底座(1)中。
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