CN111756126A - 一种磁场调制升频式的电磁俘能装置 - Google Patents

一种磁场调制升频式的电磁俘能装置 Download PDF

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Abstract

一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，包括中心轴，中心轴上由上向下安装有升频磁环、磁场调制环、俘能磁环以及底座；升频磁环、俘能磁环通过轴承连接在中心轴上，磁场调制环、底座固定在中心轴上；升频磁环上安装有第一磁铁和惯性质量块，磁场调制环上安装有高导磁材料片，俘能磁环上安装有第二磁铁，底座上按照环形均匀布置有多个线圈；在外界激励的作用下，惯性质量块带动升频磁环上的第一磁铁进行转动，产生交变的谐波磁场，在磁场调制环的调制下，谐波频次发生改变，作用于俘能磁环的第二磁铁上，驱动俘能磁环升速转动，使得多个线圈内部的磁通量发生变化，产生感应电压，本发明能满足无线传感器网络节点和可穿戴设备等领域的供能需求。

Description

一种磁场调制升频式的电磁俘能装置
技术领域
本发明属于俘能装置技术领域，具体涉及一种磁场调制升频式的电磁俘能装置。
背景技术
随着微电子技术的不断发展，新型微电子装置层出不穷，典型的如无线传感器网络节点和可穿戴设备等，其在航空航天、交通运输、建筑物状态监测和人体健康监测等领域发挥了重要作用。随着微电子装置的应用不断普及，如何为其提供稳定持续的能量供应成为了一个亟需解决的问题，传统的电池存在寿命有限、能量密度不高以及可能造成环境污染等问题，尤其是在为植入式装置供电时，比如桥梁内部的传感器和人体内部的人工心脏起搏器等，电池的更换变得极为不便甚至不可能实现，因而电池难以满足微电子装置的供能需求。
微电子装置较低的功率消耗使得俘获环境中的能量为其提供能量供应成为可能。电磁式能量俘获装置能够将周围环境中的振动或者人体上肢及下肢的摆动的机械能转化为可利用的电能，且电磁式发电装置具有能量转化效率高、输出功率密度大、结构简单制造方便且使用寿命长无需维护等优点，且往往周围环境的振动和人体上肢及下肢的摆动具有频率较低的特点，因而基于磁场调制对外界低频激励进行升频，设计出一种结构简单紧凑，能量俘获效率高，发电量可观的磁场调制升频式的电磁俘能装置具有重要的现实意义。
现有的俘能装置存在俘能效率低、输出功率有限的缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，能实现将环境中的振动和人体上肢及下肢摆动的机械能转换成可利用的电能，并且磁场调制升频式电磁俘能装置能量密度高，能满足无线传感器网络节点和可穿戴设备等领域的供能需求。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，包括中心轴9，中心轴9上由上向下安装有升频磁环4、磁场调制环8、俘能磁环11以及底座15；升频磁环4通过第一轴承3连接在中心轴9上，俘能磁环11通过第二轴承10连接在中心轴9上，磁场调制环8、底座15固定在中心轴9上；
所述的升频磁环4上设有第一磁铁槽19，第一磁铁槽19的外侧一侧设有环形惯性质量槽2，环形惯性质量槽2内安装有惯性质量块1，第一磁铁槽19内布置有第一磁铁18；
所述的磁场调制环8上设有高导磁材料片槽6，高导磁材料片槽6内安装有高导磁材料片7，高导磁材料片7和升频磁环4以及俘能磁环11同轴上下布置；
所述的俘能磁环11上设有第二磁铁槽21，第二磁铁槽21内安装有第二磁铁20；
所述的底座15上按照环形均匀布置有多个线圈槽12，线圈槽12内安装有线圈17，线圈17的数量由俘能磁环11的第二磁铁20数量和布置方向决定，相邻线圈17之间按照线圈缠绕方向顺序连接。
所述的第一磁铁18和第二磁铁20均为长方体形状，且均为环形均匀布置，并具有相同的径向尺寸以提高磁环的力矩传递效率。
所述的升频磁环4内第一磁铁18布置方式为相邻磁铁的N和S极轴向交替布置，以形成交变的轴向磁场；俘能磁环11内的第二磁铁20为多个磁铁同向布置共同作为等效的N或者S极，而后同样数量的磁铁反向布置，依次均匀交替形成磁环。
所述的高导磁材料片7中的齿形高导磁材料23和非导磁材料22交替布置，用于改变磁场的谐波频次，齿形导磁材料23的数量由升频磁环4的磁极对数与俘能磁环11的等效磁极对数决定。
通过优化磁场调制环8两侧上下对称分布的中心轴轴肩5的高度实现升频磁环4、俘能磁环11和磁场调制环8的间隙调节；通过优化底座轴肩13的高度实现俘能磁环11和底座15的间隙调节。
所述的第一磁铁18、第二磁铁20和第一磁铁槽19、第二磁铁槽21的连接方式为嵌套、焊接或者粘结；惯性质量块1和环形惯性质量槽2通过嵌套、焊接或粘接连接；线圈17和线圈槽12的连接方式为嵌套或粘结。
所述的底座15两侧设有安装环14，通过安装环14以束带方式固定于周围环境中的振动位置或者人体的上肢以及下肢。
本发明的有益效果为：
本发明通过利用惯性质量块1在外界激励下的摆动，能够实现对外界振动和人体上肢及下肢的摆动的机械能的俘获，为可穿戴设备等低功耗微电子设备供能，避免了电池的使用，减少了电池充电或者更换带来的人力物力消耗和废弃电池所带来的环境污染问题。
本发明通过利用高导磁材料片7中的齿形高导磁材料23和非导磁材料22交替布置，实现了对磁场的调制作用，达到了俘能磁环11进行升速转动的效果，提高了能量俘获的效率。
本发明通过调节优化磁场调制环8两侧上下对称分布的中心轴轴肩5和底座轴肩13厚度，能够实现升频磁环4和磁场调制环8、俘能磁环11和底座15的间隙调节，达到传递力矩的增大和磁通量密度的增强，提高功率输出，实现对低功耗设备的持续供能。
本发明多个线圈17以中心轴9为中心环形均匀布置，且线圈数量由俘能磁环11的磁铁数量和布置方向决定，相邻线圈17之间按照线圈缠绕方向顺序连接，能够获得接近于正弦的交流电压信号。
附图说明
图1是本发明的爆炸图。
图2是本发明的结构剖视图。
图3是本发明升频磁环的俯视图。
图4是本发明俘能磁环的俯视图。
图5是本发明高导磁材料片的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
参照图1、图2、图3、图4，一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，包括中心轴9，中心轴9上由上向下安装有升频磁环4、磁场调制环8、俘能磁环11以及底座15；升频磁环4通过第一轴承3连接在中心轴9上，俘能磁环11通过第二轴承10连接在中心轴9上，升频磁环4和俘能磁环8可以分别通过第一轴承3和第二轴承10绕中心轴9自由转动；磁场调制环8、底座15固定在中心轴9上；
所述的升频磁环4上设有第一磁铁槽19，第一磁铁槽19的外侧一侧设有环形惯性质量槽2，环形惯性质量槽2内安装有惯性质量块1，第一磁铁槽19内布置有第一磁铁18；在外界环境振动或者人体上肢及下肢的摆动激励下，第一磁铁18会随着惯性质量块1一起通过轴承3绕中心轴9转动；
所述的磁场调制环8上设有高导磁材料片槽6，高导磁材料片槽6内安装有高导磁材料片7，高导磁材料片7和升频磁环4以及俘能磁环11同轴上下布置；第一磁铁18在空间中所形成的磁场经过磁场调制环8中的高导磁材料片7进行调制以后，磁场的主要谐波频率发生变化；
所述的俘能磁环11上设有第二磁铁槽21，第二磁铁槽21内安装有第二磁铁20；
所述的底座15上按照环形均匀布置有多个线圈槽12，线圈槽12内安装有线圈17，线圈17由缠绕在线轴16上的多匝漆包线组成，线圈17的数量由俘能磁环11的第二磁铁20数量和布置方向决定，相邻线圈17之间按照线圈缠绕方向顺序连接，以避免不同线圈间感应电压的相位差异造成功率损失，能够获得类似正弦的交流电压信号，减少了后续能量管理电路的复杂程度；
参照图5，所述的高导磁材料片7中的齿形高导磁材料23和非导磁材料22交替布置，用于改变磁场的谐波频次，齿形导磁材料23的数量由升频磁环4的磁极对数与俘能磁环11的等效磁极对数决定，以实现最大的磁力传递。
调制后的磁场作用于第二磁铁20上，俘能磁环11在磁力的作用下会进行相对与中心轴9的升速转动，俘能磁环11的转动速度是升频磁环4转动速度的数倍，具体倍数取决于升频磁环4和俘能磁环11的磁铁个数、布置方式以及高导磁材料片7的齿形高导磁材料23的数量；俘能磁环11的转动会在线圈17中产生变化的磁通量，进而产生感应电压。
所述的第一磁铁18和第二磁铁20均为长方体形状，且均为环形均匀布置，并具有相同的径向尺寸以提高磁环的力矩传递效率，其他尺寸有所差异以保证两磁环的内外径均相等。
所述的升频磁环4内第一磁铁18布置方式为相邻磁铁的N和S极轴向交替布置，以形成交变的轴向磁场；俘能磁环11内的第二磁铁20为多个磁铁同向布置共同作为等效的N或者S极，而后同样数量的磁铁反向布置，依次均匀交替形成磁环。
通过优化磁场调制环8两侧上下对称分布的中心轴轴肩5的高度实现升频磁环4、俘能磁环11和磁场调制环8的间隙调节；通过优化底座轴肩13的高度实现俘能磁环11和底座15的间隙调节，进一步提高能量俘获的效率。
所述的第一磁铁18、第二磁铁20和第一磁铁槽19、第二磁铁槽21的连接方式为嵌套、焊接或者粘结；惯性质量块1和环形惯性质量槽2通过嵌套、焊接或粘接连接；线圈17和线圈槽12的连接方式为嵌套或粘结。
所述的底座15两侧设有安装环14，通过安装环14以束带等方式固定于周围环境中的振动位置或者人体的上肢以及下肢。
本发明的工作原理为：在外界激励的作用下，典型的激励如周围环境的振动和人体上肢及下肢的摆动等，惯性质量块1会带动升频磁环4上的第一磁铁18进行以中心轴9为中心的往复转动；当升频磁环4在惯性质量1的带动下开始往复转动时，由于第一磁铁18的交替反向布置会在空间中产生交变的谐波磁场，该谐波磁场在磁场调制环8的调制作用下，谐波频次发生改变，改变后的谐波磁场会作用于俘能磁环11的第二磁铁20上，从而驱动俘能磁环11进行升速转动；俘能磁环11的升速转动使得固定于多个线圈17内部的磁通量发生变化，进而产生感应电压。

Claims (7)

1.一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，包括中心轴(9)，其特征在于：中心轴(9)上由上向下安装有升频磁环(4)、磁场调制环(8)、俘能磁环(11)以及底座(15)；升频磁环(4)通过第一轴承(3)连接在中心轴(9)上，俘能磁环(11)通过第二轴承(10)连接在中心轴(9)上，磁场调制环(8)、底座(15)固定在中心轴(9)上；
所述的升频磁环(4)上设有第一磁铁槽(19)，第一磁铁槽(19)的外侧一侧设有环形惯性质量槽(2)，环形惯性质量槽(2)内安装有惯性质量块(1)，第一磁铁槽(19)内布置有第一磁铁(18)；
所述的磁场调制环(8)上设有高导磁材料片槽(6)，高导磁材料片槽(6)内安装有高导磁材料片(7)，高导磁材料片(7)和升频磁环(4)以及俘能磁环(11)同轴上下布置；
所述的俘能磁环(11)上设有第二磁铁槽(21)，第二磁铁槽(21)内安装有第二磁铁(20)；
所述的底座(15)上按照环形均匀布置有多个线圈槽(12)，线圈槽(12)内安装有线圈(17)，线圈(17)的数量由俘能磁环(11)的第二磁铁(20)数量和布置方向决定，相邻线圈(17)之间按照线圈缠绕方向顺序连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，其特征在于：所述的第一磁铁(18)和第二磁铁(20)均为长方体形状，且均为环形均匀布置，并具有相同的径向尺寸以提高磁环的力矩传递效率。
3.根据权利要求1所述的一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，其特征在于：所述的升频磁环(4)内第一磁铁(18)布置方式为相邻磁铁的N和S极轴向交替布置，以形成交变的轴向磁场；俘能磁环(11)内的第二磁铁(20)为多个磁铁同向布置共同作为等效的N或者S极，而后同样数量的磁铁反向布置，依次均匀交替形成磁环。
4.根据权利要求1所述的一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，其特征在于：所述的高导磁材料片(7)中的齿形高导磁材料(23)和非导磁材料(22)交替布置，用于改变磁场的谐波频次，齿形导磁材料(23)的数量由升频磁环(4)的磁极对数与俘能磁环(11)的等效磁极对数决定。
5.根据权利要求1所述的一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，其特征在于：通过优化磁场调制环(8)两侧上下对称分布的中心轴轴肩(5)的高度实现升频磁环(4)、俘能磁环(11)和磁场调制环(8)的间隙调节；通过优化底座轴肩(13)的高度实现俘能磁环(11)和底座(15)的间隙调节。
6.根据权利要求1所述的一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，其特征在于：所述的第一磁铁(18)、第二磁铁(20)和第一磁铁槽(19)、第二磁铁槽(21)的连接方式为嵌套、焊接或者粘结；惯性质量块(1)和环形惯性质量槽(2)通过嵌套、焊接或粘接连接；线圈(17)和线圈槽(12)的连接方式为嵌套或粘结。
7.根据权利要求1所述的一种磁场调制升频式的电磁俘能装置，其特征在于：所述的底座(15)两侧设有安装环(14)，通过安装环(14)以束带方式固定于周围环境中的振动位置或者人体的上肢以及下肢。
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