CN109217613B - 吸振发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种吸振发电系统，包含永磁非线性振子(1)、线性线圈振子(2)、定子结构以及外框架(3)；永磁非线性振子(1)、线性线圈振子(2)以及定子结构均安装在外框架(3)上；所述永磁非线性振子(1)包含永磁体振子(5)；线性线圈振子(2)包含线圈绕组(4)；永磁体振子(5)和/或线圈绕组(4)能够与定子结构产生相对位移。本发明将硬弹簧和软弹簧两种结构形式的非线性永磁振子加以结合，同时使用可以产生多个振动模态的折臂梁，有效提高了工作频带宽度，而且本发明同时具有吸振器和拾振器的功能，能够在对有害振动进行抑制的同时将机械振动能转化为电能。

Description

吸振发电系统

技术领域

本发明涉及吸振领域与发电领域，具体地，涉及一种吸振发电系统，特别是一种基于永磁极化的多模态非线性吸振发电系统。

背景技术

拾振器可以从周围环境中获取能量，其本质是利用光伏、热电、压电、电磁等各种物理或化学效应把器件周围环境中广泛存在的光能、热能、机械能、风能等能量转换成可以使用的电能。拾振器工作时不需要消耗任何燃料或物质，且理论上说可以为各种低功耗电子器件提供取之不尽的能量。振动机械能是一种最容易从周围环境中获得的能量源，可以有多种形式，包括“振动”、“摇动”、“旋转”等等，广泛地存在于家用电器、工业工厂设备、各种可动物体以及人体运动等。这些不同方式的机械振动在频率和振幅等方面也各不相同。同时，从机械振动转换得到的电能大小明显地依赖于从应用环境中可以获得的动能总量、形式、能量转换方式和转换效率等各个因素。把振动机械能转换成电能的装置即为振动能量拾振器。

动力吸振器最早出现于1909年，与隔振器相比，动力吸振器的优点在于其可以实现小型轻量化设计、对被控对象原结构破坏小、而同时又具有杰出的制振性能，其在机械振动抑制、建筑制振等领域具有广阔的应用范围。动力吸振器是广泛应用于工程实践中的一种减振技术。其通过在被控主振系的特定部位附加一个具有质量和刚度的子系统即动力吸振器，通过合理地选择动力吸振器的动力参数、结构形式及与主振系的耦合关系，从而改变主振系的振动状态，使能量重新分配，即将主振系上的振动能量转移到动力吸振器上，从而减少或消除主振系的振动。对于通常可以简化为单自由度质量弹簧系统的动力吸振器而言，就是要将附加子系统的质量和刚度调谐至其固有频率与主振系激励频率相同，从而引起动力吸振器发生反共振，使被控主振系的振动能量最大程度地输入到动力吸振器上，达到对被控主振系减振的目的。由于动力吸振器结构简单、减振效果明显、易于实施，因此在工程实践中得到了广泛应用。

动力吸振器最早的工程应用见于1909年Frahm在德国邮船上安装的防振水箱，但是当时并没有明确它的基本构造和原理。1928年J.Ormondroyd和Den Hartog通过对单自由度振动系统的研究，提出了利用动力吸振器的阻尼作用降低主振动系统振幅的动力吸振器设计思想，确定了最优阻尼的存在，建立了动力调谐原理。在此基础上，Hahnkamm利用振幅曲线上存在两个不受阻尼大小影响的定点现象，推导出了动力吸振器的最优同调频率。随后，Brock于1946年推导出了最优阻尼的关系，形成了完整的关于传统的动力吸振器的理论体系。从上世纪中后期开始，人们的研究重点主要是在传统吸振器的基础上，通过改变结构特点、利用特殊材料等来不断寻求适合当今技术发展要求的动力吸振技术。比如，多重动力吸振器、利用记忆合金和磁流变体等智能材料设计的新型吸振器。

现有技术中已有的吸振器、拾振器有效工作频带较窄，整体结构较复杂，安装难度大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种吸振发电系统。

根据本发明提供的吸振发电系统，包含永磁非线性振子、线性线圈振子、定子结构以及外框架；永磁非线性振子、线性线圈振子以及定子结构均安装在外框架上；

所述永磁非线性振子包含永磁体振子；线性线圈振子包含线圈绕组；永磁体振子和/或线圈绕组能够与定子结构产生相对位移。

优选地，多个定子结构中包含有第一永磁体定子与第二永磁体定子这两个永磁体定子；

第一永磁体定子、永磁体振子、第二永磁体定子依次布置。

优选地，所述永磁体振子通过设置的第一折臂梁安装在外框架上。

优选地，所述永磁体振子包含极化永磁体，多个极化永磁体之间形成一个或多个极化磁体对。

优选地，所述线圈绕组通过设置的第二折臂梁安装在外框架上。

优选地，外框架上设置有滑杆，所述定子结构通过连接板安装在滑杆上；

所述连接板在滑杆上的轴向位置能够调节。

优选地，还包含初级振动系统，永磁非线性振子与线性线圈振子均直接或间接与初级振动系统相连。

优选地，一个极化磁体对中的两个极化永磁体之间磁极同向布置，极化永磁体与相邻的永磁体定子之间磁极反向布置。

优选地，所述外框架包含紧固连接的第一架体与第二架体；

所述第一永磁体定子与线性线圈振子均安装在第一架体上，所述第二永磁体定子与永磁非线性振子均安装在第二架体上。

优选地，第一架体与第二架体这两个架体对称布置；

所述架体包含依次连接的顶板、支柱、底板，顶板与底板在长度延伸方向上均呈C形。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明将硬弹簧和软弹簧两种结构形式的非线性永磁振子加以结合，同时使用可以产生多个振动模态的折臂梁，有效提高了工作频带宽度。

2、本发明同时具有吸振器和拾振器的功能，能够在对有害振动进行抑制的同时将机械振动能转化为电能。

3、本发明工作频带较宽、结构简单、易于安装、应用方便。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的吸振发电系统简图；

图2为本发明中永磁体与线圈相对位置示意图；

图3为本发明提供的吸振发电系统结构示意图；

图4为永磁非线性振子平动模态结构示意图；

图5为永磁非线性振子转动模态结构示意图；

图6为线性线圈振子平动模态结构示意图；

图7为线性线圈振子转动模态结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的基于永磁极化的多模态非线性的吸振发电系统将吸振器和拾振器的功能结合在一起，可将有害振动进行抑制并转化为电能进行后续收集。所述吸振发电系统主要由永磁非线性振子1、线性线圈振子2、定子结构以及外框架3组成。多个定子结构中包含有第一永磁体定子8与第二永磁体定子9这两个永磁体定子，第一永磁体定子8、永磁体振子5、第二永磁体定子9依次布置。其中，永磁非线性振子1包含永磁体振子5，永磁体振子5由一组大小相同、相互吸引的极化永磁体组成，极化永磁体与相邻的永磁体定子间产生相互斥力。在应用过程中，需要将永磁体振子5与永磁体定子之间的距离调节至一合理的范围：例如，当中间的永磁体振子5运动到离旁边永磁体定子较近的距离时，两极化永磁体间对产生极化现象，此时永磁体振子5的刚度将急剧减小，呈现出软弹簧特性；此外，将永磁体振子5与永磁体定子之间的距离调节至一合理且较远的范围，当中间的永磁体振子5振动时，会由磁力的非线性呈现硬弹簧特性；也可将硬弹簧和软弹簧两种结构形式的永磁非线性振子1加以结合，用以调高工作频带范围。线性线圈振子2主要由多组线圈绕组4构成，当通过线圈绕组4的磁通发生变化时，会在线圈中产生感应电动势，从而实现机械能到电能的转化。外框架3用于固定永磁非线性振子1与线性线圈振子2，其结构形式多种多样。

如图1所示，本发明提供的吸振发电系统还包含了初级振动系统10，初级振动系统10的质量记为m₁,刚度记为k₁，阻尼记为c₁，永磁非线性振子1的质量记为m₂,线性刚度记为k₂，非线性刚度记为k₄，阻尼记为c₂，线性线圈振子2的质量记为m₃，刚度记为k₃，阻尼记为c₃。图中x₁、x₂、x₃代表运动幅度或位移，F代表振动产生的等效力。通过合理设计永磁非线性振子1的质量m₂、线性刚度k₂、非线性刚度k₄、阻尼c₂和线性线圈振子2的质量m₃、刚度k₃、阻尼c₃，可以将初级振动系统10的振动在一定较宽频带范围内进行抑制并转化为电能。

如图2所示，永磁体振子5主要由一组大小相同、相互吸引同的极化永磁体组成，两个极化永磁体构成一个极化磁体对。永磁体振子5与第一永磁体定子8和/或第二永磁体定子9间产生相互斥力，且将永磁体振子5与永磁体定子之间的距离调节至一合理且较近的范围，此时当中间的永磁体振子5运动到离旁边的第一永磁体定子8或第二永磁体定子9较近的距离时，两极化永磁体间对产生极化现象，此时永磁体振子5的刚度将急剧减小，呈现出软弹簧特性；此外，将永磁体振子5运动至离第一永磁体定子8或第二永磁体定子9合理且较远的范围时，当永磁体振子5振动时，会由磁力的非线性呈现硬弹簧特性；也可将硬弹簧和软弹簧两种结构形式的非线性永磁振子加以结合，用以调高工作频带范围。线性线圈振子2由多组线圈绕组4构成，当通过线圈绕组4的磁通发生变化时，会在线圈绕组4中产生感应电动势，从而实现机械能到电能的转化。

如图3所示，永磁体振子5、线圈绕组4分别采用第一折臂梁6、第二折臂梁7与外框架3进行连接，第一折臂梁6、第二折臂梁7这两个折臂梁可根据外界振动激励的频率范围进行针对性设计，利用折臂梁可以产生多个振动模态，进一步提高本发明的有效频率带宽。如图4至图7所示，通过折臂梁的设置，可使得本发明实现永磁非线性振子1平动模态、永磁非线性振子1转动模态、线性线圈振子2平动模态、线性线圈振子2转动模态等多个模态，引用此多模态可以拓展抑振和拾振的有效带宽。

优选例中，所述外框架3上设置有滑杆11，所述定子结构通过连接板12安装在滑杆11上，所述连接板12在滑杆11上的轴向位置能够调节。通过调节连接板12在滑杆11上的位置，可实现上述的将永磁体振子55与永磁体定子之间的距离控制在较近或较远范围上的操作，当然调节完毕后，连接板12还需要能够轴向固定在滑杆11上。优选地，所述外框架3包含紧固连接的第一架体13与第二架体14，所述第一永磁体定子8与线性线圈振子2均安装在第一架体13上，所述第二永磁体定子9与永磁非线性振子1均安装在第二架体14上。优选地，第一架体13与第二架体14这两个架体对称布置，所述架体包含依次连接的顶板15、支柱16、底板17，顶板15与底板17在长度延伸方向上均呈C形。通过上述对外框架3结构的设计，可使得本发明组装更加方便，同时能够有效固定在附接装置上。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种吸振发电系统，其特征在于，包含永磁非线性振子(1)、线性线圈振子(2)、定子结构以及外框架(3)；永磁非线性振子(1)、线性线圈振子(2)以及定子结构均安装在外框架(3)上；

所述永磁非线性振子(1)包含永磁体振子(5)；线性线圈振子(2)包含线圈绕组(4)；永磁体振子(5)和/或线圈绕组(4)能够与定子结构产生相对位移；

还包含初级振动系统(10)，永磁非线性振子(1)与线性线圈振子(2)均直接或间接与初级振动系统(10)相连；

多个定子结构中包含有第一永磁体定子(8)与第二永磁体定子(9)这两个永磁体定子；

第一永磁体定子(8)、永磁体振子(5)、第二永磁体定子(9)依次布置；

所述永磁体振子(5)包含极化永磁体，多个极化永磁体之间形成一个或多个极化磁体对；

一个极化磁体对中的两个极化永磁体之间磁极同向布置，极化永磁体与相邻的永磁体定子之间磁极反向布置。

2.根据权利要求1所述的吸振发电系统，其特征在于，所述永磁体振子(5)通过设置的第一折臂梁(6)安装在外框架(3)上。

3.根据权利要求1所述的吸振发电系统，其特征在于，所述线圈绕组(4)通过设置的第二折臂梁(7)安装在外框架(3)上。

4.根据权利要求1所述的吸振发电系统，其特征在于，外框架(3)上设置有滑杆(11)，所述定子结构通过连接板(12)安装在滑杆(11)上；

所述连接板(12)在滑杆(11)上的轴向位置能够调节。

5.根据权利要求1所述的吸振发电系统，其特征在于，所述外框架(3)包含紧固连接的第一架体(13)与第二架体(14)；

所述第一永磁体定子(8)与线性线圈振子(2)均安装在第一架体(13)上，所述第二永磁体定子(9)与永磁非线性振子(1)均安装在第二架体(14)上。

6.根据权利要求5所述的吸振发电系统，其特征在于，第一架体(13)与第二架体(14)这两个架体对称布置；

所述架体包含依次连接的顶板(15)、支柱(16)、底板(17)，顶板(15)与底板(17)在长度延伸方向上均呈C形。

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