CN110086315B - 一种全工况振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全工况振动能量收集装置，包括动子和套设于所述动子外侧的定子铁芯，所述定子铁芯内对设有多组定子齿极，相邻的两个所述定子齿极间形成齿槽，所述齿槽内设置有定子线圈；所述动子包括一动轴和套设在所述动轴上的多个永磁铁，其中，两个相邻的所述永磁铁之间的所述动轴上还套设有能够将振动转化为电能的压电转化部件。本发明可以增强传统直线发电机的发电效率，并且能在小振幅下大大加强发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机，特别是一种全工况的且能够对运行中的振动能量进行收集的全工况振动能量收集装置。
背景技术
为了满足无线传感以及微功耗电子产品的供电需求，避免人工更换电池等既繁琐实施难度又大的困难，自供电系统的研究已经成为国内外研究的前沿热点问题。振动作为自然界广泛存在的一种现象，不可避免的成为了研究热点。利用环境中的低振幅振动能够产生不俗的能量，完全能够供给低功耗电子产品，具有深远的研究意义。
振动能量收集就是利用环境中的振动与自身结构产生共振，以达到最大能量收集的效果。国内外很多专家学者都在这方面做了大量研究，大宽带、低振幅、低频、多方向振动能量收集都是目前研究的热点。但现有技术提出的技术方案大多是涉及低频率、大振幅、多方向振动能量收集，可在一定程度上实现多方向振动能量收集；但环境中的振动幅度通常都是不高的，或者是非常不规律的，因而环境中的低振幅能量不能被很好的收集，并且这种结构不紧凑。现有的降低结构频率的方法通常是加质量块，这样不仅会使的结构臃肿复杂，还增加结构损耗。例如，中国实用新型专利CN206611321U提出的一种大电流小振幅自散热三相直线永磁发电机，通过提升自散热效果、减小了用在电动车上的自身耗能，使其能够在小振幅下发电；这种直线式发电机动子的结构是刚性的，从原理上决定了其工作振幅可能太小，只能减小部分振幅，在很低的环境振幅下依然无法工作。这种刚性结构只能在相对位移较大的情况下工作，一旦相对位移较小就无法产生能量，或者说产生的能量很小。同样专利申请CN106921279A中公开了一种大功率自散热双轴直线永磁发电机，其与专利CN206611321U在结构上相似，因此也存在着相同的问题。因而为了适应环境中的振幅、频率复杂的情况，研究大小振幅、多频带能量收集仍是现在亟待解决的热点问题。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种全工况振动能量收集装置。该装置动子采用柔性结构，从原理上能够在更低的振幅下工作。能够同时产生压电能量和电磁能量，够在相对位移小的情况下产生客观的能量。通过限位和不限位两种工作模式，使得装置能够在各种振幅下都能产生可观的发电量。该装置能够弥补直线发电机在低振幅震动时的发电问题，其结构相较于现有技术而言更加紧凑，且单位体积内发电功率的密度更大。
为了实现上述目的，本发明一个实施例提供的一种全工况振动能量收集装置，包括动子和套设于所述动子外侧的定子铁芯，所述定子铁芯内对设有多组定子齿极，相邻的两个所述定子齿极间形成齿槽，所述齿槽内设置有定子线圈；所述动子包括一动轴和套设在所述动轴上的多个永磁铁，其中，两个相邻的所述永磁铁之间的所述动轴上还套设有能够将振动转化为电能的压电转化部件。
作为优选，所述压电转化部件包括一能够在一振动频率下发生弹性形变的波纹管，所述波纹管的中部位置设有一将所述波纹管一分为二的永磁质量块，所述永磁质量块具有一定质量，以使其能够随所述动子的运动而产生交替向两侧挤压所述波纹管的惯性力；所述波纹管的内壁和/或外壁上贴附有能够产生压电效应的压电转化材料层，所述压电转化材料在所述惯性力的挤压下产生电能。
作为优选，所述永磁质量块具有磁性且其磁极方向与其两侧的所述永磁铁的磁极方向相同。
作为优选，所述压电转化材料层为聚偏氟乙烯膜或聚偏氟乙烯片。
作为优选，所述永磁质量块位于相对的两个定子齿极之间，且其通过螺钉与所述定子铁芯固定连接。
作为优选，相邻两个永磁铁之间的距离为200～300单位长度。在本发明中，单位长度依照本发明的永磁直线发动机的规格而定，可分别为mm、cm或m。
作为优选，相邻两个永磁铁之间的距离为250mm。
作为优选，所述永磁质量块位于相邻的两个所述永磁铁的中部位置，且位于所述永磁质量块两侧的两个所述波纹管的规格相同。
作为优选，所述波纹管的长度为所述永磁铁的2.5～3.5倍。
作为优选，所述永磁质量块的长度为10单位长度以上。此处单位长度定义与上述永磁铁之间距离的定义相同，可随着整机规格分别定义，例如mm、cm或m。
与现有技术相比较，本发明提供的一种全工况振动能量收集装置有如下优点：可以适用于高振幅及低振幅等各种振幅情况，都能很好产生电能；增加装置的紧凑性，充分利用空间和能量，产生大于传统直线发电机的电能；永磁质量块采用磁性材料，能够增加振幅从而增加收集到的能量。
附图说明
图1为本发明一个实施例提出的一种全工况振动能量收集装置的轴测图(局部剖视)。
图2为本发明一个实施例提出的一种全工况振动能量收集装置的剖面结构简图(剖面线未示出)。
图3本发明一个实施例的一种全工况振动能量收集装置的工作状态示意图(其中永磁质量块未被固定)。
图4为本发明一个实施例的一种全工况振动能量收集装置的工作状态示意图(其中永磁质量块被螺钉固定)。
图5为本发明一个实施例的一种全工况振动能量收集装置中压电转化部件的剖面结构示意图(作为波纹管实施)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种全工况振动能量收集装置，包括动子和套设于所述动子外侧的定子铁芯3，所述定子铁芯3内对设有多组定子齿极31，相邻的两个所述定子齿极31间形成齿槽32，所述齿槽32内设置有定子线圈6；所述动子包括一动轴1和套设在所述动轴1上的多个永磁铁2，其中，两个相邻的所述永磁铁2之间的所述动轴1上还设套设有能够将振动转化为电能的压电转化部件。工作时，可附加壳体以方便固定或直接将定子铁芯3固定在外部机械结构(图中未示出)上。在外界的大振幅(高振幅)激励下，动轴1产生来回的运动，定子线圈6因为永磁铁2的运动，而使得通过其磁通量发生变化而产生电能。进一步地，在本发明一种实施方式中，压电转化部件可实际为能够在一振动频率(该频率可为与发电机工作的振动频率相关的任意频率)下发生弹性形变的波纹管4，并且，此时的波纹管4的中部位置设有一将所述波纹管4一分为二的永磁质量块5(如图1所示)，所述永磁质量块5具有一定质量，该质量可以发电机的规格而定，其选择标准是足够所述永磁质量块5能够随所述动子的运动而产生交替向两侧挤压所述波纹管4的惯性力即可。进一步地，所述波纹管4的内壁和/或外壁上贴附有能够产生压电效应的压电转化材料层。在该惯性力的作用下，压电转化材料层会依赖压电效应产生电能。如图5所示，在这一实施例中，波纹管4包括有一主体42，其内壁和外壁上都均匀贴附有压电材料层41。此处压电材料层具体是指在压力下能够产生压电转化效应的材料，例如压电陶瓷、压电石英等。在本发明中，该压电材料层41优选为由聚偏氟乙烯(PVDF)膜或聚偏氟乙烯片贴附形成的材料层。
如图3所示，在工作时，由于永磁质量块5为具有足够的质量和长度的可产生惯性的部件，其优选位于相对的两个定子齿极31之间，其与定子铁芯3之间并无固定关系，且存在一定间隙7。因此在全工况振动能量收集装置以较高的频率工作时，永磁质量块5将产生较大的振幅，即处于高振幅状态。也就是说，在线圈6正常产生电量的情况下，大振幅的永磁质量块5会以较大幅度往复压缩两侧的波纹管4进而通过压电转化效应产生电量。这种情况较好的适用于动子运动幅度较大的情况。而针对动子运动幅度较小的情况，参照图4所示，在这一实施例中，可选择将所述永磁质量块5通过螺钉8固定在定子铁芯3上。如图1所示，此时，永磁质量块5上需对应设置螺孔51，而且定子铁芯上需要开设与螺孔51对应的孔33。优选地，螺孔51及孔33均应等距且均匀的开设在对应位置。在这一小振幅情况下，传统的直线电机由于永磁铁与线圈之间相对位移较小，发电量不明显，甚至无法工作；本发明中由于波纹管和已被固定的永磁质量块的存在，当动子运动时，分别固定在定子铁芯3和波纹管4上的永磁质量块4，将会牵扯/或挤压其两侧的波纹管4。这一挤压力来源于驱动动子运动的力。从而使得电机能在低幅振动下也能通过压电效应产生电能。
同时，在同一规格下，永磁铁2、永磁质量块5、波纹管4、定子铁芯的具体参数也会对本申请技术方案所达成的技术效果产生影响。例如，作为优选，相邻两个永磁铁2之间的距离为200～300单位长度(例如200mm～300mm)；在一个优选实施例中，相邻两个永磁铁之间的距离可设置为250mm。再例如，作为优选，所述永磁质量块位于相邻的两个所述永磁铁的中部位置，且位于所述永磁质量块两侧的两个所述波纹管的规格相同。再例如，作为优选，所述波纹管的长度可设置为所述永磁铁的2.5～3.5倍。再例如，作为优选，所述永磁质量块的长度为10单位长度以上(例如10mm)。
本发明提出的具体技术方案是为了弥补直线发电机在低振幅或高振幅振动时的发电问题。这种结构适应大小振幅情况，在大振幅情况下，不仅永磁铁和线圈之间的相对位移会产生电量，同时动轴能够带永磁质量块运动，波纹管由于惯性力会产变形，从而增加发电量；在小振幅情况下，传统的直线电机由于永磁铁与线圈之间相对位移较小，发电量不明显，无法工作；本发明中由于波纹管和永磁质量块的存在，在共振频率附近会使波纹管产生较大形变，形变量可以超过环境的振幅，从而产生较大的电量，使得电机能在低幅振动下也能工作。
以下提供一具有具体尺寸设置的本发明的全工况振动能量收集装置的具体构成，其仅为具体说明本发明技术方案，本领域技术人员可依据常识做合理变形以实现本发明技术方案。
具体地，可设置整个定子铁芯的直径大小为300毫米，线槽的直径为200毫米，壳体小空腔直径100毫米；动轴通过外部机构使得其与壳体同轴，轴的直径不能过大，选择为以免无法安装波纹管和质量块，轴的直径为50毫米；永磁铁等距安装在动轴上，永磁铁设计为柱状，直径45毫米，长度为100毫米；永磁铁之间距离有足够大，用以在每个永磁铁之间安装波纹管，每个永磁铁之间的距离为250毫米；波纹管中间安装有永磁质量块，永磁质量块的质量不应太小，永磁质量块的直径为45毫米到50毫米，长度为10毫米以上，质量块上方钻有M4螺纹孔，深度为5毫米；线圈安装在线槽中，紧贴住线槽内壁；为了使得螺钉能够安装在永磁质量块上，壳体上的孔间距为58.33毫米，上端孔直径为10毫米，下端孔直径为4.5毫米；波纹管的内外壁都贴有PVDF压电材料。
本装置中可以用于大振幅振动能量收集，也可以运用于小振幅振动能量收；增加传统直线发电机的紧凑性，空间利用率，在同样的激励下产生比传统直线发电机多的电能；在小振幅激励下，产生电能的效果应该能远远高于传统直线发电机。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种全工况振动能量收集装置，包括动子和套设于所述动子外侧的定子铁芯，所述定子铁芯内对设有多组定子齿极，相邻的两个所述定子齿极间形成齿槽，所述齿槽内设置有定子线圈；所述动子包括一动轴和套设在所述动轴上的多个永磁铁，其中，两个相邻的所述永磁铁之间的所述动轴上还套设有能够将振动转化为电能的压电转化部件；所述压电转化部件包括一能够在一振动频率下发生弹性形变的波纹管，所述波纹管的中部位置设有一将所述波纹管一分为二的永磁质量块，所述永磁质量块具有一定质量，以使其能够随所述动子的运动而产生交替向两侧挤压所述波纹管的惯性力；所述波纹管的内壁和/或外壁上贴附有能够产生压电效应的压电转化材料层，所述压电转化材料在所述惯性力的挤压下产生电能；所述永磁质量块具有磁性且其磁极方向与其两侧的所述永磁铁的磁极方向相同；所述永磁质量块位于相对的两个定子齿极之间，且其通过螺钉与所述定子铁芯固定连接，所述波纹管的长度设置为所述永磁铁的2 .5～3 .5倍。
2.如权利要求1所述的全工况振动能量收集装置，其特征在于，所述压电转化材料层为聚偏氟乙烯膜或聚偏氟乙烯片。
3.如权利要求1所述的全工况振动能量收集装置，其特征在于，相邻两个永磁铁之间的距离为200～300mm。
4.如权利要求1所述的全工况振动能量收集装置，其特征在于，相邻两个永磁铁之间的距离为250mm。
5.如权利要求1所述的全工况振动能量收集装置，其特征在于，所述永磁质量块位于相邻的两个所述永磁铁的中部位置，且位于所述永磁质量块两侧的两个所述波纹管的规格相同。
6.如权利要求1所述的全工况振动能量收集装置，其特征在于，所述永磁质量块的长度为10mm以上。
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