CN107294342B - 振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振动发电装置，包括：顶杆，顶杆的下表面固定连接有第一永磁体，第一永磁体的两个磁极分别位于上下两端；设于顶杆下方的下端盖，下端盖的上表面设有与第一永磁体正对的第二永磁体，第一永磁体的磁极方向与其所正对的第二永磁体相反，第二永磁体外侧套设有环状的线圈骨架，线圈骨架的轴向指向上下方向，线圈骨架上绕设有线圈，顶杆下移时，第一永磁体能够伸入对应的线圈骨架中；用于向上推动顶杆的机械弹簧，设于顶杆与下端盖之间；用于限制顶杆上移的最高极限位置的限位件。此种振动发电装置中，外界振动力的作用会影响永磁体间产生的斥力，以此来改变线圈中的磁通量，实现振动能量转化为电能的效果，控制方便，且结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及发电设备技术领域，特别涉及一种振动发电装置。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)的普及，解决其供能的问题日益重要。器件的小型化，意昧着对供电电源的要求增大。微型器件基本使用的是微型电池，而微型电池基本采用的是化学电池(像锂-碘电池)，这些微型电池存在着化学污染、寿命短的缺点。针对上述问题，出现了振动发电装置。
振动发电装置大体分为电磁式振动发电装置、基于压电智能材料的压电式振动发电装置、基于磁致伸缩智能材料的振动发电装置以及基于电子配件的静电式振动发电装置。振动发电装置采集自然界中产生的振动能量，将其转变为电能输出。
一种典型的振动发电装置中，在线圈部分中沿轴向依次设置一个固定永磁体、运动磁体和另一个固定永磁体，且运动磁体采用软磁体与永磁体相结合的方式进行设置，通过运动磁体沿轴向运动生电，不便控制，结构较为复杂，不便于加工，生产成本较高。
因此，如何方便振动发电装置的控制，简化振动发电装置的结构，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种振动发电装置，方便控制且结构简单。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种振动发电装置，包括：
顶杆，所述顶杆的下表面固定连接有第一永磁体，所述第一永磁体的两个磁极分别位于上下两端；
设于所述顶杆下方的下端盖，所述下端盖的上表面设有与所述第一永磁体正对的第二永磁体，所述第一永磁体的磁极方向与其所正对的所述第二永磁体相反，所述第二永磁体外侧套设有环状的线圈骨架，所述线圈骨架的轴向指向上下方向，所述线圈骨架上绕设有线圈，所述顶杆下移时，所述第一永磁体能够伸入对应的所述线圈骨架中；
用于向上推动所述顶杆的机械弹簧，设于所述顶杆与所述下端盖之间；
用于限制所述顶杆上移的最高极限位置的限位件。
优选地，所述第一永磁体包括第一中间永磁体和若干个围绕所述第一中间永磁体设置的第一边部永磁体，所述第二永磁体包括与所述第一中间永磁体相对应的第二中间永磁体和与所述第一边部永磁体相对应的第二边部永磁体。
优选地，所述第一中间永磁体与所述第一边部永磁体的磁极方向相反。
优选地，所有所述线圈相串联。
优选地，所述限位件为固定设于所述下端盖上方的上端盖，所述上端盖上设有中间通孔，所述顶杆的中部由下至上伸出所述中间通孔，且所述顶杆的底部外围能够在上移至最高极限位置时抵住所述上端盖的下表面。
优选地，所述上端盖与所述下端盖之间设有环状的外壳，所述上端盖、所述下端盖通过螺钉固定连接所述外壳，所述外壳上设有用于引出所述线圈极线的缺口。
优选地，所述下端盖上设有用于支撑所述第二中间永磁体的中间凸台和用于支撑所述第二边部永磁体的边部凸台，所述中间凸台的高度小于所述边部凸台的高度，且所述第二中间永磁体的厚度大于所述第二边部永磁体的厚度，所述第二中间永磁体与所述第二边部永磁体的顶面共面设置，所述线圈骨架套设于对应的所述中间凸台或所述边部凸台之外。
优选地，所有所述线圈骨架的顶面共面。
优选地，所述下端盖上设有用于对所述机械弹簧进行限位的弹簧槽，所述弹簧槽呈环状，所有所述线圈骨架均设于所述弹簧槽的内侧。
优选地，所述顶杆的下表面上设有凹槽，所述第一永磁体固定设于所述凹槽中。
本发明提供的振动发电装置包括顶杆、下端盖、机械弹簧和限位件。顶杆的下表面固定连接有第一永磁体，第一永磁体的两个磁极分别位于上下两端；下端盖设于顶杆下方，下端盖的上表面设有与第一永磁体正对的第二永磁体，第一永磁体的磁极方向与其所正对的第二永磁体相反，第二永磁体外侧套设有环状的线圈骨架，线圈骨架的轴向指向上下方向，线圈骨架上绕设有线圈，顶杆下移时，第一永磁体能够伸入对应的线圈骨架中；机械弹簧用于向上推动顶杆，设于顶杆与下端盖之间；限位件用于限制顶杆上移的最高极限位置。
此种振动发电装置中，外界振动力的作用会影响永磁体间产生的斥力，以此来改变线圈中的磁通量，实现振动能量转化为电能的效果，并达到能量采集的目的，能够适用于低频且谐振频率多变的工作环境，例如可以采集人步行产生的振动，控制方便，同时，结构简单、便于加工，且能够降低生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供振动发生装置的剖视图；
图2为本发明所提供振动发生装置的内部俯视图；
图3为本发明所提供振动发生装置的爆炸图。
图1至图3中：
1-顶杆，2-上端盖，3-外壳，4-机械弹簧，5-第二边部永磁体，6-线圈，7-下端盖，8-线圈骨架，9-第二中间永磁体，10-第一边部永磁体，11-GMM材料件，12-第一中间永磁体，13-弹簧槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种振动发电装置，方便控制且结构简单。
请参考图1至图3，图1为本发明所提供振动发生装置的剖视图；图2为本发明所提供振动发生装置的内部俯视图；图3为本发明所提供振动发生装置的爆炸图。
本发明所提供振动发电装置的一种具体实施例中，包括顶杆1、下端盖7、限位件和机械弹簧4。
顶杆1的下表面固定连接有第一永磁体，第一永磁体的两个磁极分别位于上下两端。
下端盖7设置在顶杆1的下方。下端盖7的上表面设有与第一永磁体正对的第二永磁体，第一永磁体的磁极方向与其所正对的第二永磁体相反，如果第一永磁体上端为S极且下端为N极，则该第一永磁体所正对的第二永磁体上端为N极且下端为S极，如果第一永磁体上端为N极且下端为S极，则该第一永磁体所正对的第二永磁体上端为S极且下端为N极。第一永磁体与第二永磁体之间具有排斥力的作用，能够作为磁性弹簧来担当振动发电装置中的第一个支撑。第二永磁体外侧套设有环状的线圈骨架8，线圈骨架8的轴向指向上下方向，线圈骨架8上绕设有线圈6，顶杆1下移时，第一永磁体能够伸入对应的线圈骨架8中。
机械弹簧4设于顶杆1与下端盖7之间，机械弹簧4用于向上推动顶杆1。由于永磁体之间只有在较小的距离内时第一永磁体与第二永磁体之间才能产生比较大的斥力，外加机械弹簧4可以充当振动发电装置内部第二个支撑。在解除向下压动顶杆1的外力后，顶杆1在机械弹簧4回复力的作用下上移。
限位件用于限制顶杆1上移的最高极限位置，当顶杆1上移至最高极限位置时，限位件阻止顶杆1继续上移，使顶杆1停止运动。
当外界产生振动时，顶杆1将受到一个向下作用的轴向力，顶杆1带动其所连接的第一永磁体向下运动，第二永磁体与对应的第一永磁体的磁极相反，随着第一永磁体的下移，第一永磁体离对应的第二永磁体的距离越来越近，第一永磁体与对应的第二永磁体之间的排斥力越强，进而引起线圈骨架8上绕制线圈6的磁通量发生较大的变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈6感应出电动势，从而将振动能量转换为电能。
可见，此种振动发电装置中，外界振动力的作用会影响永磁体间产生的斥力，以此来改变线圈6中的磁通量，实现振动能量转化为电能的效果，并达到能量采集的目的，能够适用于低频且谐振频率多变的工作环境，例如可以采集人步行产生的振动，控制方便，同时，结构简单、便于加工，且能够降低生产成本。
具体地，第一永磁体包括第一中间永磁体12和若干个围绕第一中间永磁体12设置的第一边部永磁体10，第二永磁体包括与第一中间永磁体相对应的第二中间永磁体9和与第一边部永磁体10相对应的第二边部永磁体5。其中，第一边部永磁体10的数量可以根据需要进行设置，例如，第一边部永磁体10可以为四个，且该四个第一边部永磁体10在一个圆周上等间距设置，相应地，四个第二边部永磁体5正对于第一边部永磁体10的下方设置。
本实施例中，第一永磁体与第二永磁体由中间向边部依次设置，能够有效利用振动发电装置中的可利用空间。
进一步地，第一中间永磁体12与第一边部永磁体10的磁极方向相反。以第一中间永磁体12的磁极方向为上N下S为例，第一边部永磁体10的磁极方向为上S下N，相应地，第二中间永磁体9的磁极方向为上S下N，第二边部永磁体5的磁极方向为上N下S。当然，也可以为第一中间永磁体12的磁极方向为上S下N，其他永磁体的磁极方向对应设置。
本实施例中，第一中间永磁体12的N极输出的磁力线能够补充到第一边部永磁体10上的S极，第一中间永磁体12的S极输出的磁力线能够补充到第一边部永磁体10上的N极，使得第一永磁体下移过程中，第一永磁体与第二永磁体能够产生较大的排斥力，进一步改变线圈6内部的磁通量，提高能量转换的效率。
在上述各个实施例的基础上，所有线圈6可以相串联，根据基尔霍夫串联电压定律，使该振动发电装置能够感应出更大的电动势或输出更大的电压。
在上述各个实施例的基础上，限位件具体可以为上端盖2，上端盖2固定设置在下端盖7的上方，上端盖2上设有中间通孔，顶杆1的中部由下至上伸出中间通孔，且顶杆1的底部外围能够在上移至最高极限位置时抵住上端盖2的下表面。具体地，顶杆1可以为倒T形件。本实施例中，上端盖2与顶杆1的配合实现顶杆1的限位，能够进一步简化加工，且限位可靠。
进一步地，上端盖2与下端盖7之间设有环状的外壳3，上端盖2、下端盖7通过螺钉固定连接外壳3，外壳3上设有用于引出线圈6极线的缺口，外壳3可以对永磁体、线圈6等部件进行有效保护，且外壳3与上端盖2、下端盖7连接后能够提高较大的内部空间。具体地，外壳3可以呈圆环状，上端盖2与下端盖7对应为圆形板。
具体地，上端盖2、下端盖7、外壳3以及顶杆1可以使用具有较高相对磁导率的低碳钢制作，以保证磁路间的通透性。
具体地，上端盖2与外壳3之间可以通过四个螺钉连接，外壳3与下端盖7之间可以通过四个螺钉连接。
在上述各个实施例的基础上，下端盖7上可以设有用于支撑第二中间永磁体9的中间凸台和用于支撑第二边部永磁体5的边部凸台，中间凸台的高度小于边部凸台的高度，且第二中间永磁体9的厚度大于第二边部永磁体5的厚度，第二中间永磁体9与第二边部永磁体5的顶面共面设置，线圈骨架8套设于对应的中间凸台或边部凸台之外，具体地，套设于中间凸台的线圈骨架8的径向尺寸可以大于套设于边部凸台的线圈骨架8的径向尺寸。本实施例的设置方式可以保证第一中间永磁体12、第二中间永磁体9之间对应产生较大电动势，更好地配合第一边部永磁体10与第二边部永磁体5产生较大排斥力。
具体地，所有线圈骨架8的顶面可以共面，以保证顶杆1移动的稳定性。
具体地，下端盖7上可以设有用于对机械弹簧4进行限位的弹簧槽13，弹簧槽13呈环状，所有线圈骨架8均设于弹簧槽13的内侧，从而可以避免顶杆1向下移动时机械弹簧4与其他部件之间发生摩擦。
具体地，顶杆1的下表面上可以设有凹槽，第一永磁体固定设于凹槽中，以便于实现第一永磁体的固定。
具体地，线圈骨架8的内侧具体可以涂上一层耐磨的陶瓷涂料，或者采用具有极低摩擦系数的聚四氟乙烯制成线圈骨架8，以减少永磁体与线圈骨架8之间的摩擦，减轻运动的永磁体对线圈6拾取性能或能量采集能力的影响。又或者，线圈骨架8的采用冲击强度较高、综合性能较好的ABS塑料制成，以适应顶杆1及第一永磁体的冲击力。
另外，第二中间永磁体9上还可以放置一定厚度的GMM材料件11(如Terfenol-D棒)，即超磁致伸缩材料，利用顶杆1带动第一中间永磁体12对其的敲击作用，可以产生压磁式发电效果，从而产生更大的电能。
在进行该振动发电装置的制作时，具体可以参照如下方式进行：
此种振动发电装置利用永磁体间同性相斥的原则，且由第一永磁体充当振子，但第一永磁体并不是在收到其下方对应的第二永磁体的排斥力而振动，而是在顶杆1的带动下随顶杆1同步向下运动并产生振动，其弹性系数k可以通过如下公式得到：
其中，Fm：永磁体间产生的排斥力；z：永磁体间的相对位移。
由于永磁体的斥力是非线性的，所以它的谐振频率是多变的，从准静态的角度进行分析，将有多个谐振频率，其谐振频率f可以通过如下公式得到：
其中，m代表的是质量块。
再加上机械弹簧4带有固定的谐振频率，所以该振动发电装置将有磁弹簧产生的谐振频率和机械弹簧4产生的谐振频率。
再者，永磁体间产生的排斥力符合库伦定律即：
其中，QT：第一永磁体产生的磁场强度；QB：第二永磁体产生的磁场强度；r0：上下永磁体间的距离；z：上下永磁体间的相对距。
其中，磁场强度可以Q的计算公式如下：
Q＝HcS
其中，Hc：永磁体的矫顽力；S：永磁体的截面积。
因而，在制作该振动发电装置的时候，可以从QTQB或是m两种情况来获得所需要的谐振频率。
同时，振动发电装置中的下端盖7、顶杆1等部件可以采用软件绘制图纸，并通过CNC金属切割、3D金属打印或者直接购买等方式获取，然后进行装配即可。
另外，由于以永磁体充当的磁弹簧的弹性系数会随着两磁极相对距离的变化而变化，所以可以通过调节永磁体的结构或者是更换不同尺寸的永磁体来降低共振频率。永磁体体可以是N35强磁型磁体。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的振动发电装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种振动发电装置，其特征在于，包括：
顶杆(1)，所述顶杆(1)的下表面固定连接有第一永磁体，所述第一永磁体的两个磁极分别位于上下两端；
设于所述顶杆(1)下方的下端盖(7)，所述下端盖(7)的上表面设有与所述第一永磁体正对的第二永磁体，所述第一永磁体的磁极方向与其所正对的所述第二永磁体相反，所述第二永磁体外侧套设有环状的线圈骨架(8)，所述线圈骨架(8)的轴向指向上下方向，所述线圈骨架(8)上绕设有线圈(6)，所述顶杆(1)下移时，所述第一永磁体能够伸入对应的所述线圈骨架(8)中；
用于向上推动所述顶杆(1)的机械弹簧(4)，设于所述顶杆(1)与所述下端盖(7)之间；
用于限制所述顶杆(1)上移的最高极限位置的限位件，所述限位件为固定设于所述下端盖(7)上方的上端盖(2)，所述上端盖(2)上设有中间通孔，所述顶杆(1)的中部由下至上伸出所述中间通孔，且所述顶杆(1)的底部外围能够在上移至最高极限位置时抵住所述上端盖(2)的下表面。
2.根据权利要求1所述的振动发电装置，其特征在于，所述第一永磁体包括第一中间永磁体(12)和若干个围绕所述第一中间永磁体(12)设置的第一边部永磁体(10)，所述第二永磁体包括与所述第一中间永磁体相对应的第二中间永磁体(9)和与所述第一边部永磁体(10)相对应的第二边部永磁体(5)。
3.根据权利要求2所述的振动发电装置，其特征在于，所述第一中间永磁体(12)与所述第一边部永磁体(10)的磁极方向相反。
4.根据权利要求3所述的振动发电装置，其特征在于，所有所述线圈(6)相串联。
5.根据权利要求4所述的振动发电装置，其特征在于，所述上端盖(2)与所述下端盖(7)之间设有环状的外壳(3)，所述上端盖(2)、所述下端盖(7)通过螺钉固定连接所述外壳(3)，所述外壳(3)上设有用于引出所述线圈(6)极线的缺口。
6.根据权利要求2至5任意一项所述的振动发电装置，其特征在于，所述下端盖(7)上设有用于支撑所述第二中间永磁体(9)的中间凸台和用于支撑所述第二边部永磁体(5)的边部凸台，所述中间凸台的高度小于所述边部凸台的高度，且所述第二中间永磁体(9)的厚度大于所述第二边部永磁体(5)的厚度，所述第二中间永磁体(9)与所述第二边部永磁体(5)的顶面共面设置，所述线圈骨架(8)套设于对应的所述中间凸台或所述边部凸台之外。
7.根据权利要求6所述的振动发电装置，其特征在于，所有所述线圈骨架(8)的顶面共面。
8.根据权利要求7所述的振动发电装置，其特征在于，所述下端盖(7)上设有用于对所述机械弹簧(4)进行限位的弹簧槽(13)，所述弹簧槽(13)呈环状，所有所述线圈骨架(8)均设于所述弹簧槽(13)的内侧。
9.根据权利要求7所述的振动发电装置，其特征在于，所述顶杆(1)的下表面上设有凹槽，所述第一永磁体固定设于所述凹槽中。
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