CN108683360A - 电机振动吸振和能量收集的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电机振动吸振和能量收集的装置及方法。本发明的下层导磁材料垫板、下层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、上层橡胶垫板和上层导磁材料垫板由下至上依次叠放，且均设置在两个磁感应组件之间；螺栓将上下层导磁材料垫板、上下层橡胶垫板以及磁致伸缩薄片与电机安装台连接；同一发电装置中的两个感应线圈从外壳开口端引出的输出端串联；四个调节电路串联后的输出端连接至电能存储装置；磁致伸缩薄片在外力以及与外力方向垂直的偏置磁场作用下，磁场强度改变，在感应线圈两端产生感应电动势，感应电动势经过调节电路转换为直流电，通过电能存储装置收集。本发明不改变电机底座和安装台结构就能将电机振动转化为电能存储，且减少噪声。
Description
技术领域
本发明属于能量收集技术领域，具体涉及一种电机振动吸振和能量收集的装置及方法。
背景技术
在设备运行时，传递到电机上的振动所占比例在一半以上。当负载变化或电机异常等情况下，引起电机振动，大部分振动能都是以热量形式散发，并伴随刺耳的噪声。人在长期受电机噪声刺激，将导致听力损失，甚至引起心血管系统等方面疾病，噪声污染已成为主要公害之一。如果能吸收振动降低噪声，并将其中一部分振动能量转化为电能并存储起来或为设备检测元件提供电能，这将是一种一举多得的方法。
通过对机械设备运行状况的调查研究，作为电机的支撑部分的底座，承受大部分的振动载荷。如果能吸收并利用这部分振动能，将有效地减少设备的运行噪声；若利用功能材料将振动能转化为电能存储，将为设备的检测元件提供辅助的电能来源。
纵观现阶段能量收集技术，主要是电磁式和压电式，而基于磁致伸缩材料的振动能量收集方式也因其材料的突出特点成为国际上一个新的热点。其中电磁收集方式主要以一套复杂的齿轮转换装置将直线振动转换为旋转运动，利用发电机原理进行能量收集，效率低，结构复杂，难以大规模推广。压电材料具有机电耦合系数较高、居里温度可达350℃以上等优点，但其具有硬脆性、易极化等缺点。超磁致伸缩材料的能量转换效率较高；磁致伸缩应变量大，在室温下大于0.15％，所以很灵敏，在较小振幅下就可以产生较高的电压；抗压强度和承载能力大，可在强压力环境下工作。应用较多的磁致伸缩材料一般是铁镓合金材料(Galfenol)和稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)。
发明内容
本发明是针对设备运行中引起的电机振动问题，提出了一种电机振动吸振和能量收集的装置及方法。
本发明电机振动吸振和能量收集的装置，包括发电装置组和电能存储装置；两个发电装置组对称布置在电机底座两侧；所述的发电装置组包括沿电机底座长度方向间距布置的两个发电装置；所述的发电装置包括上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板、下层导磁材料垫板、磁感应组件和调节电路；所述的磁感应组件包括线圈骨架、感应线圈、永磁体和外壳。外壳的一端封闭，永磁体和线圈骨架由封闭端至开口端方向依次设置在外壳内部；线圈骨架的中心孔呈矩形；线圈骨架上绕有感应线圈，同一个发电装置的两个磁感应组件沿电机宽度方向排布，且两个磁感应组件的开口端相向设置；同一个发电装置中两个磁感应组件的感应线圈相对端串联，两个磁感应组件的永磁体相对端极性相反，下层导磁材料垫板、下层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、上层橡胶垫板和上层导磁材料垫板由下至上依次叠放，且均设置在两个磁感应组件之间；上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板和下层导磁材料垫板的长度均与两个磁感应组件的间距相等；外壳的外壁高度为上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板、下层导磁材料垫板的厚度之和；上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板和下层导磁材料垫板上开设的通孔同轴设置；上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板和下层导磁材料垫板的宽度相等，且均等于或小于线圈骨架中心孔的宽度；磁致伸缩薄片的顶面与线圈骨架中心孔的顶部孔壁对齐，底面与线圈骨架中心孔的底部孔壁对齐；外壳的封闭端开设有一个接线孔，感应线圈通过接线孔连接调节电路。四个发电装置的调节电路通过导线串联后的输出端连接至电能存储装置。
所述永磁体的端面形状与线圈骨架的端面形状一致。
所述的外壳采用导磁材料。
所述的永磁体采用长方体形的钕铁硼材料。
同一个发电装置中两个磁感应组件的间距大于电机底座的底脚宽度。
该电机振动吸振和能量收集的装置进行能量收集的方法，具体如下：
步骤一、制作磁感应组件，并将磁感应组件与调节电路连接：将永磁体和缠绕好感应线圈的线圈骨架依次放入外壳内，且将感应线圈的一端由外壳的接线孔引出，另一端由外壳开口端引出，形成磁感应组件；感应线圈从外壳接线孔引出的输出端连接外部调节电路；所有感应线圈的缠绕方向一致，匝数相同。
步骤二、四个发电装置置于电机底座两侧且阵列排布，其中，同一个发电装置中的两个感应线圈从外壳开口端引出的输出端串联，下层导磁材料垫板、下层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、上层橡胶垫板和上层导磁材料垫板由下至上依次叠放；线圈骨架的中心孔中心轴线与下层导磁材料垫板、下层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、上层橡胶垫板及上层导磁材料垫板平行于电机底座宽度方向的中心轴线重合；然后将所有外壳粘在电机安装台上；螺栓对准下层导磁材料垫板、下层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、上层橡胶垫板和上层导磁材料垫板的通孔插入，并与电机安装台的螺纹孔连接。
步骤三、通过导线将四个调节电路串联，串联后的输出端连接至电能存储装置。
步骤四、吸振和收集振动能量：设备运转时，振动传递到电机上，电机底座下的上层橡胶垫板和下层橡胶垫板吸收振动，降低噪声；电机底座下的磁致伸缩薄片在外力以及与外力方向垂直的偏置磁场作用下，内部的磁畴沿电机宽度方向发生偏转，引起磁致伸缩薄片内部的磁化强度发生改变，导致磁致伸缩薄片的磁场强度发生改变，从而造成感应线圈的磁通量发生改变，在感应线圈两端产生感应电动势，感应电动势经过调节电路转换为直流电，再通过电能存储装置收集。
本发明具有的有益效果是：
本发明一方面利用两层橡胶垫板吸收振动，充分发挥吸振降噪的功能，减少了环境污染，改善了作业环境；另一方面利用磁致伸缩材料以及外部线圈装置将振动能转化为电能存储，将为设备的检测元件提供辅助的电能来源。另外，电机的安装多数是利用螺栓固定在工作台上，在电机的底座下安装吸振和能量收集装置操作难度小，维修和线路连接方便，不需改变电机、电机安装台等的结构，安装调试方便。本发明考虑到磁致伸缩材料是压在电机下面，线圈无法加入，所以设计两个线圈放在磁致伸缩材料的两侧，利用导磁回路和永磁体，使两个线圈磁通量改变一致，产生感应电动势的正负极方向相同，起到增强电能收集的效果。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明中各感应线圈串联以及各调节电路串联的示意图。
图3是本发明中磁致伸缩薄片的磁畴偏转原理图。
图4是本发明中发电装置形成的两条闭合磁回路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明，其中，螺栓11、电机底座12和电机安装台13为电机安装时本身具有的零件。
如图1所示，电机振动吸振和能量收集的装置，包括发电装置组和电能存储装置16；电机底座12两侧各设置一个发电装置组，两个发电装置组对称布置；发电装置组包括沿电机底座12长度方向间距布置的两个发电装置；发电装置包括上层导磁材料垫板1、上层橡胶垫板2、磁致伸缩薄片3、下层橡胶垫板5、下层导磁材料垫板6、磁感应组件和调节电路15；磁感应组件包括线圈骨架7、感应线圈8、永磁体9和外壳10。外壳10的一端封闭，永磁体9和线圈骨架7由封闭端至开口端方向依次设置在外壳10内部；永磁体9的端面形状与线圈骨架7的端面形状一致；线圈骨架7的中心孔呈矩形，线圈骨架7采用不导磁的尼龙材料；线圈骨架7上绕有感应线圈8，同一个发电装置的两个磁感应组件沿电机宽度方向排布，且两个磁感应组件的开口端相向设置；同一个发电装置中两个磁感应组件的感应线圈8相对端串联；两个磁感应组件的永磁体9相对端极性相反；下层导磁材料垫板6、下层橡胶垫板5、磁致伸缩薄片3、上层橡胶垫板2和上层导磁材料垫板1由下至上依次叠放，且均设置在两个磁感应组件之间；上层导磁材料垫板1、上层橡胶垫板2、磁致伸缩薄片3、下层橡胶垫板5和下层导磁材料垫板6的长度均与两个磁感应组件的间距相等，且对于不同的电机底座，设计时要求两个磁感应组件的间距大于电机底座的底脚(电机底座底部设有一体成型且分设在电机底座两侧的两个底脚)宽度；外壳的外壁高度为上层导磁材料垫板1、上层橡胶垫板2、磁致伸缩薄片3、下层橡胶垫板5、下层导磁材料垫板6的厚度之和；上层导磁材料垫板1、上层橡胶垫板2、磁致伸缩薄片3、下层橡胶垫板5和下层导磁材料垫板6上开设的通孔同轴设置；上层导磁材料垫板1、上层橡胶垫板2、磁致伸缩薄片3、下层橡胶垫板5和下层导磁材料垫板6的宽度相等，且均等于或小于线圈骨架7中心孔的宽度，以保证磁致伸缩材料内部的磁场的均匀性；磁致伸缩薄片3的顶面与线圈骨架7中心孔的顶部孔壁对齐，底面与线圈骨架7中心孔的底部孔壁对齐；外壳10的封闭端开设有一个接线孔14，感应线圈8通过接线孔14连接调节电路15。
如图2所示，四个发电装置的调节电路15通过导线4串联后的输出端连接至电能存储装置16，电能存储装置16收集电能。
该电机振动吸振和能量收集的装置进行能量收集的方法，具体如下：
步骤一、制作磁感应组件，并将磁感应组件与调节电路15连接：将永磁体9和缠绕好感应线圈8的线圈骨架7依次放入外壳10内，且将感应线圈8的一端由外壳10的接线孔14引出，另一端由外壳10开口端引出，形成磁感应组件；感应线圈8从外壳10接线孔14引出的输出端连接外部调节电路15；所有感应线圈8的缠绕方向一致，匝数相同，以保证磁场方向不变、磁感应强度均匀；为了提高磁致伸缩材料的维拉里效应，永磁体9采用长方体形的钕铁硼材料(Nd-Fe-B)来提供偏置磁场；设置导磁材料的外壳10是为了减小磁力线的散射，为电机振动吸振和能量收集的装置提供闭合的磁回路，且实现线圈的防水、防尘。
步骤二、四个发电装置置于电机底座12两侧且阵列排布，其中，同一个发电装置中的两个感应线圈8从外壳10开口端引出的输出端串联，下层导磁材料垫板6、下层橡胶垫板5、磁致伸缩薄片3、上层橡胶垫板2和上层导磁材料垫板1由下至上依次叠放；线圈骨架7的中心孔中心轴线与下层导磁材料垫板6、下层橡胶垫板5、磁致伸缩薄片3、上层橡胶垫板2及上层导磁材料垫板1平行于电机底座宽度方向的中心轴线重合；然后将所有外壳10粘在电机安装台13上；螺栓11对准下层导磁材料垫板6、下层橡胶垫板5、磁致伸缩薄片3、上层橡胶垫板2和上层导磁材料垫板1的通孔插入，并与电机安装台13的螺纹孔连接。
步骤三、通过导线将四个调节电路14串联，串联后的输出端连接至电能存储装置16。
步骤四、吸振和收集振动能量：设备运转时，传递到电机上的振动所占比例在一半以上。电机底座12下的上层橡胶垫板2和下层橡胶垫板5吸收大部分振动，降低噪声；电机底座下的磁致伸缩薄片3在外力以及与外力方向垂直的偏置磁场(作用在电机底座上的外力大部分是垂直于磁致伸缩薄片3的，而永磁体的磁力线是平行经过磁致伸缩薄片3的)的作用下，内部的磁畴沿电机宽度方向发生偏转。磁致伸缩薄片3磁畴偏转原理如图3所示，磁致伸缩薄片3上无应力且无外加磁场时，磁畴沿任意方向偏转，对外不显示磁性；磁致伸缩薄片3上仅受应力时，磁畴发生一定角度的偏转，对外不显示磁性，磁致伸缩薄片3的尺寸沿垂直应力方向伸长；磁致伸缩薄片3上外加磁场H时，磁畴统一沿磁场的方向重新排列，对外表现出磁性，磁致伸缩薄片3的尺寸沿磁场方向伸长；磁致伸缩薄片3上同时受到方向垂直的外加磁场H和应力时，磁畴定向与外加磁场方向一致，对外表现出磁性，磁致伸缩薄片3的尺寸沿磁场方向伸长。磁致伸缩薄片3内部的磁畴发生偏转后，引起磁致伸缩薄片内部的磁化强度发生改变，导致磁致伸缩薄片的磁场强度发生改变，从而造成感应线圈的磁通量发生改变，由法拉第电磁感应定律可知，变化的磁场在感应线圈中产生电场，因此在感应线圈8两端产生感应电动势，感应电动势经过调节电路15转换为直流电，再通过外部电能存储装置16收集。其中，四个发电装置的感应线圈产生感应电动势的正负极方向相同，起到增强电能收集的效果。
为了更清楚地体现感应线圈的磁通量改变情况，下面说明发电装置形成的两条闭合磁回路：如图4所示，本实施例中左侧永磁体9的内侧为N极，磁力线由左侧永磁体9的N极依次经左侧线圈骨架7的中心孔、磁致伸缩薄片3、右侧线圈骨架7的中心孔、右侧永磁体9的S极、右侧永磁体9的N极、右侧外壳10的下半部分、下层导磁材料垫板6、左侧外壳10的下半部分、左侧永磁体9的S极后回到左侧永磁体9的N极，形成一条闭合的磁回路；另一条闭合的磁回路由磁力线由左侧永磁体9的N极依次经左侧线圈骨架7的中心孔、磁致伸缩薄片3、右侧线圈骨架7的中心孔、右侧永磁体9的S极、右侧永磁体9的N极、右侧外壳10的上半部分、上层导磁材料垫板1、左侧外壳10的上半部分、左侧永磁体9的S极后回到左侧永磁体9的N极。
Claims (6)
1.电机振动吸振和能量收集的装置，包括发电装置组和电能存储装置；两个发电装置组对称布置在电机底座两侧；其特征在于：所述的发电装置组包括沿电机底座长度方向间距布置的两个发电装置；所述的发电装置包括上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板、下层导磁材料垫板、磁感应组件和调节电路；所述的磁感应组件包括线圈骨架、感应线圈、永磁体和外壳；外壳的一端封闭，永磁体和线圈骨架由封闭端至开口端方向依次设置在外壳内部；线圈骨架的中心孔呈矩形；线圈骨架上绕有感应线圈，同一个发电装置的两个磁感应组件沿电机宽度方向排布，且两个磁感应组件的开口端相向设置；同一个发电装置中两个磁感应组件的感应线圈相对端串联，两个磁感应组件的永磁体相对端极性相反，下层导磁材料垫板、下层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、上层橡胶垫板和上层导磁材料垫板由下至上依次叠放，且均设置在两个磁感应组件之间；上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板和下层导磁材料垫板的长度均与两个磁感应组件的间距相等；外壳的外壁高度为上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板、下层导磁材料垫板的厚度之和；上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板和下层导磁材料垫板上开设的通孔同轴设置；上层导磁材料垫板、上层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、下层橡胶垫板和下层导磁材料垫板的宽度相等，且均等于或小于线圈骨架中心孔的宽度；磁致伸缩薄片的顶面与线圈骨架中心孔的顶部孔壁对齐，底面与线圈骨架中心孔的底部孔壁对齐；外壳的封闭端开设有一个接线孔，感应线圈通过接线孔连接调节电路；四个发电装置的调节电路通过导线串联后的输出端连接至电能存储装置。
2.根据权利要求1所述的电机振动吸振和能量收集的装置，其特征在于：所述永磁体的端面形状与线圈骨架的端面形状一致。
3.根据权利要求1所述的电机振动吸振和能量收集的装置，其特征在于：所述的外壳采用导磁材料。
4.根据权利要求1所述的电机振动吸振和能量收集的装置，其特征在于：所述的永磁体采用长方体形的钕铁硼材料。
5.根据权利要求1所述的电机振动吸振和能量收集的装置，其特征在于：同一个发电装置中两个磁感应组件的间距大于电机底座的底脚宽度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电机振动吸振和能量收集的装置进行能量收集的方法，其特征在于：该方法具体如下：
步骤一、制作磁感应组件，并将磁感应组件与调节电路连接：将永磁体和缠绕好感应线圈的线圈骨架依次放入外壳内，且将感应线圈的一端由外壳的接线孔引出，另一端由外壳开口端引出，形成磁感应组件；感应线圈从外壳接线孔引出的输出端连接外部调节电路；所有感应线圈的缠绕方向一致，匝数相同；
步骤二、四个发电装置置于电机底座两侧且阵列排布，其中，同一个发电装置中的两个感应线圈从外壳开口端引出的输出端串联，下层导磁材料垫板、下层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、上层橡胶垫板和上层导磁材料垫板由下至上依次叠放；线圈骨架的中心孔中心轴线与下层导磁材料垫板、下层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、上层橡胶垫板及上层导磁材料垫板平行于电机底座宽度方向的中心轴线重合；然后将所有外壳粘在电机安装台上；螺栓对准下层导磁材料垫板、下层橡胶垫板、磁致伸缩薄片、上层橡胶垫板和上层导磁材料垫板的通孔插入，并与电机安装台的螺纹孔连接；
步骤三、通过导线将四个调节电路串联，串联后的输出端连接至电能存储装置；
步骤四、吸振和收集振动能量：设备运转时，振动传递到电机上，电机底座下的上层橡胶垫板和下层橡胶垫板吸收振动，降低噪声；电机底座下的磁致伸缩薄片在外力以及与外力方向垂直的偏置磁场作用下，内部的磁畴沿电机宽度方向发生偏转，引起磁致伸缩薄片内部的磁化强度发生改变，导致磁致伸缩薄片的磁场强度发生改变，从而造成感应线圈的磁通量发生改变，在感应线圈两端产生感应电动势，感应电动势经过调节电路转换为直流电，再通过电能存储装置收集。
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|---|---|---|---|---|
| CN114740347A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-07-12 | 上海工程技术大学 | 一种能源与信息融合式振动信号诊断传感系统 |
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| CN103762890A (zh) * | 2014-01-14 | 2014-04-30 | 杭州电子科技大学 | 采用柔性铰链放大的超磁致伸缩振动能量收集器 |
| CN203670126U (zh) * | 2013-11-18 | 2014-06-25 | 江苏大学 | 一种磁致伸缩型微泵 |
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| JP2016005332A (ja) * | 2014-06-16 | 2016-01-12 | 富士電機株式会社 | 発電装置およびこれを備えた電子機器 |
-
2018
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Application publication date: 20181019 Assignee: LEO GROUP PUMP (ZHEJIANG) Co.,Ltd. Assignor: HANGZHOU DIANZI University Contract record no.: X2022980024262 Denomination of invention: Device and method for motor vibration absorption and energy collection Granted publication date: 20190726 License type: Common License Record date: 20221202 |