CN107612266A - 一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器 - Google Patents

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刘学广
范朝阳
张佳琪
刘济源
吴牧云
周天成
陈阳
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Abstract

本发明涉及一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，主要由上盖组件、动子组件、底座、壳体、紧定螺钉、中心轴及主弹簧组成。本发明的工作原理是这样实现的：永磁铁将磁轭磁化，形成的磁回路在磁轭凹槽的空隙中产生径向的磁场；整个装置通过底座的安装孔安装在振源上，动子组件和主弹簧构成质量弹簧系统，其部件与振源的位置相对固定，当装置受到振源的激励时，动子组件发生往复振动，线圈与动子发生相对运动，线圈导线切割磁感线产生感应电压，由此振源的振动能量转化为了电能。再将电压通过导线引出到外部的能量采集电路中进行整流、滤波、存储等操作，并对负载电路供电。在谐振状态下的装置输出电能功率最大，效率最高。

Description

一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器
技术领域
本发明涉及一种电磁式振动能量换能器，具体是一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，可用于在振动丰富的工作环境中为小微功率的电子器件提供间歇性或连续性的电能。
背景技术
振动是自然界中广泛存在的一种运动形式，树木枝叶在风力作用下的摆动，水面波浪的起伏，人行走时四肢的摆动，运行的动力机械和传动设备、通有流体的管道、列车驶过的地面等都不可避免的会产生振动，即使在封闭条件下振动也会存在。如果将振动能量提取并转化为电能，为分布式小微功率的电子器件供电，使器件在整个寿命周期内实现自我供能，将会节约其维护成本。
在已有的电磁谐振式能量采集装置多数采用了磁轭上的磁齿结构来优化磁路，线圈缠绕在磁轭上，例如：中国发明专利授权公告号CN103001449B公开的一种“电磁式振动发电装置”采用了两组交错磁齿的结构；中国发明专利授权公告号CN103001449B公开的“一种电磁式振动发电机”采用了DW465-50型硅钢片叠压成磁轭，也采用了类似磁齿的结构。其不足之处在于：(1)只有磁齿齿距足够大时才能避免较大的漏磁率；(2)在振子的振幅超过一个齿距时才能获得有效的输出，但这在高频小振幅的振源条件下并不容易发生；(3)固定部件所占比重较大，对振源增加的附加质量较大，有效利用率低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，采用了非磁齿结构的环形磁轭与永磁铁产生径向磁场，以及线圈与磁轭分离的结构形式，具有较高的能量采集效率。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，主要由上盖组件、动子组件、底座(1)、壳体(2)、紧定螺钉(13)、中心轴(15)及主弹簧(19)组成；其特征在于：所述上盖组件由上盖(11)、线圈架(7)、线圈(16)、导向轴(14)、长螺钉(8)、扁螺母(9)、张紧弹簧(10)、蝶形螺母(12)组成；所述动子组件由磁轭(3)、永磁铁(5)、磁铁固定环(4)、磁铁挡环(6)、直线轴承(17)、轴承挡环(18)构成；所述底座(1)设置位于中心的轴孔和壳体连接的连接孔及安装振源的安装孔；所述壳体(2)的两端分别连接上盖(11)和底座(1)，壳体(2)周围开孔；所述中心轴(15)穿过上盖组件和动子组件的直线承轴(17)，两端分别插入上盖(11)和底座(1)的轴孔中；所述紧定螺钉(13)安装于上盖中心位置的螺纹孔内，并压紧中心轴(15)；所述主弹簧(19)位于上盖(11)与动子组件之间和动子组件与底座(1)之间，工作在压缩状态。
所述线圈架(7)的一端为线槽，另一端为法兰；所述线圈(16)缠绕在线圈架(7)的线槽内。
所述长螺钉(8)穿过法兰孔由扁螺母(9)固定在法兰上，固定好的长螺钉(8)穿过张紧弹簧(10)和上盖(11)上的对应孔由蝶形螺母(12)固定。
所述张紧弹簧(10)一端抵在扁螺母另一端抵在上盖(11)上，工作在压缩状态。
所述导向轴(14)的一端为螺纹，穿过上盖(11)上的导向孔安装在线圈架(7)的法兰上。
所述磁轭(3)为U形截面的环，其材料为高磁导率的导磁材料。
所述永磁铁(5)为多个极性相同的径向充磁的弧形磁瓦拼成的环，永磁铁(5)嵌在磁轭(3)凹槽内，并紧贴着凹槽的外侧。
所述磁铁挡环(6)为截面为L形的环，扣在磁轭(3)凹槽上部并通过螺钉固定。
所述磁铁固定环(4)为外侧开有小凹槽的环，安装在磁轭(3)凹槽剩余空隙的底部，小凹槽与永磁铁(5)之间的空隙填充固定材料。
所述直线轴承(17)位于磁轭(3)的内孔且与磁轭(3)同轴，并由两个轴承挡环(18)固定；所述轴承挡环(18)截面为T形，其中T形的伸出端嵌在磁轭(3)与直线轴承(17)的空隙内。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用了非磁齿结构，在磁轭与永磁铁的环形间隙中形成径向磁场，线圈工作在径向磁场中，全部导线都能切割磁感线产生感应电压，通过调整蝶形螺母可以调节线圈在磁场中的位置，使得线圈工作在磁感应强度最大的区域，这有利于提高输出电压和能量转化效率；
(2)本发明磁轭与线圈分离，与永磁铁共同作为动子谐振的有效质量，有利于吸收振源能量；
(3)本发明的导向轴和直线轴承保证了线圈与动子组件的同轴度，防止线圈和动子组件因发生倾斜而相互碰撞，以及由此而产生的线圈破坏。
附图说明
图1为一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器剖视图；
图2为一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器轴测图；
图3为上盖组件剖视图；
图4为上盖组件轴测图；
图5为动子组件剖视图；
图6为动子组件轴测图；
图7为磁路走向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器作进一步的说明。
结合图1所示，一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器的主要部件包括：上盖组件、动子组件、底座1、壳体2、紧定螺钉13、中心轴15及主弹簧19组成；所述上盖组件由上盖11、线圈架7、线圈16、导向轴14、长螺钉8、扁螺母9、张紧弹簧10、蝶形螺母12组成；所述动子组件由磁轭3、永磁铁5、磁铁固定环4、磁铁挡环6、直线轴承17、轴承挡环18构成；
结合图3-4所示，是换能器的上盖组件，包括线圈架7、长螺钉8、扁螺母9、张紧弹簧10、上盖11、蝶形螺母12、导向轴14、线圈16。线圈架7的一端为线槽，另一端为法兰；线圈16缠绕在线圈架7的线槽内；所述长螺钉8穿过法兰孔由扁螺母9固定在法兰上，固定好的长螺钉8穿过张紧弹簧10和上盖12上的对应孔由蝶形螺母12固定；通过调整蝶形螺母12可以调整线圈架7的相对位置；张紧弹簧10一端抵在扁螺母另一端抵在上盖，工作在压缩状态；导向轴14的一端为螺纹，穿过上盖11上的导向孔安装在线圈架7的法兰上，其作用是保证线圈架7不会发生转动。
结合图5-6所示，是换能器的动子组件，包括磁轭3、磁铁固定环4、永磁铁5、磁铁挡环6、直线轴承17、轴承挡环18。磁轭3为U形截面的环，其材料为高磁导率的导磁材料；永磁铁5为多个极性相同的径向充磁的弧形磁瓦拼成的环，永磁铁5嵌在磁轭3凹槽内，并紧贴着凹槽的外侧；磁铁挡环6为截面为L形的环，扣在磁轭3凹槽上部并通过螺钉固定，其作用是防止永磁铁5跳出凹槽；所述磁铁固定环4为外侧开有小凹槽的环，安装在磁轭3凹槽剩余空隙的底部，小凹槽与永磁铁5之间的空隙填充固定材料，其作用是保证永磁铁5在磁轭凹槽内不会倾倒和转动；所述直线轴承17位于磁轭3的内孔且与磁轭3同轴，并由两个轴承挡环18固定；所述轴承挡环18截面为T形，其中T形的伸出端嵌在磁轭3与直线轴承17的空隙内。
中心轴15穿过动子组件的直线轴承17和上盖组件，两端分别插入上盖11和底座1的轴孔中；所述壳体2的两端分别连接上盖11和底座1，壳体周围开孔，用以检测动子组件振动实况，并有助于内部结构散热，减小空气阻尼；所述底座1除了有位于中心的轴孔和与壳体2连接的连接孔之外，还有用于安装到振源的安装孔；所述紧定螺钉13安装于上盖中心位置的螺纹孔内，并压紧中心轴15，防止中心轴15在轴孔内上下移动；所述主弹簧19位于上盖与动子组件之间，以及动子组件与底座之间，工作在压缩状态，是整个谐振系统的主要刚度来源。
下面对本发明的工作原理进一步说明：永磁铁5将磁轭3磁化，形成的磁回路在磁轭3凹槽的空隙中产生径向的磁场，磁路走向结合图7所示，线圈16就工作在这个磁场中，通过调蝶形螺母12可以调节线圈在磁场中的初始位置。整个装置通过底座1的安装孔安装在振源上，动子组件和主弹簧18构成质量弹簧谐振系统，其他部件与振源的位置相对固定，当装置受到振源的激励时，动子组件发生往复运动，线圈16与动子组件发生相对运动，线圈16的导线切割磁感线产生感应电压。由此振源的振动能量转化为了电能。再将电压通过导线引出到外部的能量采集电路中进行整流、滤波、存储等操作，并对负载电路供电。在谐振状态下的装置输出电能功率最大，效率最高。
最后应说明的是，以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，主要由上盖组件、动子组件、底座(1)、壳体(2)、紧定螺钉(13)、中心轴(15)及主弹簧(19)组成；其特征在于：所述上盖组件由上盖(11)、线圈架(7)、线圈(16)、导向轴(14)、长螺钉(8)、扁螺母(9)、张紧弹簧(10)、蝶形螺母(12)组成；所述动子组件由磁轭(3)、永磁铁(5)、磁铁固定环(4)、磁铁挡环(6)、直线轴承(17)、轴承挡环(18)构成；所述底座(1)设置位于中心的轴孔和壳体连接的连接孔及安装振源的安装孔；所述壳体(2)的两端分别连接上盖(11)和底座(1)，壳体(2)周围开孔；所述中心轴(15)穿过上盖组件和动子组件的直线承轴(17)，两端分别插入上盖(11)和底座(1)的轴孔中；所述紧定螺钉(13)安装于上盖中心位置的螺纹孔内，并压紧中心轴(15)；所述主弹簧(19)位于上盖(11)与动子组件之间和动子组件与底座(1)之间，工作在压缩状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，其特证在于：所述线圈架(7)的一端为线槽，另一端为法兰；所述线圈(16)缠绕在线圈架(7)的线槽内。
3.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，其特证在于：所述长螺钉(8)穿过法兰孔由扁螺母(9)固定在法兰上，固定好的长螺钉(8)穿过张紧弹簧(10)和上盖(11)上的对应孔由蝶形螺母(12)固定。
4.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，其特证在于：所述张紧弹簧(10)一端抵在扁螺母另一端抵在上盖(11)上，工作在压缩状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，其特证在于：所述导向轴(14)的一端为螺纹，穿过上盖(11)上的导向孔安装在线圈架(7)的法兰上。
6.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，其特证在于：所述磁轭(3)为U形截面的环，其材料为高磁导率的导磁材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，其特证在于：所述永磁铁(5)为多个极性相同的径向充磁的弧形磁瓦拼成的环，永磁铁(5)嵌在磁轭(3)凹槽内，并紧贴着凹槽的外侧。
8.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，其特证在于：所述磁铁挡环(6)为截面为L形的环，扣在磁轭(3)凹槽上部并通过螺钉固定。
9.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，其特证在于：所述磁铁固定环(4)为外侧开有小凹槽的环，安装在磁轭(3)凹槽剩余空隙的底部，小凹槽与永磁铁(5)之间的空隙填充固定材料。
10.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的电磁式振动能量换能器，其特证在于：所述直线轴承(17)位于磁轭(3)的内孔且与磁轭(3)同轴，并由两个轴承挡环(18)固定；所述轴承挡环(18)截面为T形，其中T形的伸出端嵌在磁轭(3)与直线轴承(17)的空隙内。
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