CN112737264A - 一种基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，包括通过导线依次连接的振动发电装置、整流滤波稳压电路和负载模块；振动发电装置包括矩形截面管、长线圈和径向磁化圆柱磁体；矩形截面管的内部呈矩形截面孔腔的管状结构，其内容置有可沿矩形界面管轴方向自由滚动的径向磁化圆柱磁体；长线圈沿同一方向连续缠绕于矩形截面管的外壁上；矩形截面管的两端分别盖设左端盖和右端盖，且矩形截面管两端分别固定于左连接夹具和右连接夹具上；位于矩形截面管下端的磁铁的左右两端分别固定于左连接夹具和右连接夹具的下部；整流滤波稳压电路包括依次电性连接的单相桥式整流电路、电容滤波电路和并联稳压电路；负载模块包括负载。
Description
技术领域
本发明属于发电装置的技术领域，具体涉及一种基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置。
背景技术
近年，为保护环境、减少废旧电池污染，降低定期更换设备电池成本，环境能量收集技术引起了的广泛的研究兴趣。环境能量收集在清洁生产和提高能源利用效率具方面有重要意义。目前环境中可利用的能源主要包括太阳能、风能、水能、热能、机械能等。这些可利用环境能源中，除去太阳能、风能和水能等开发技术较为成熟的能源外，机械振动能量是一种理想的能量来源。机械振动现象在生活中非常普遍，能量密度高，不受天气和地理环境限制，因此振动能量收集技术在解决人类难以到达区域特别是太阳能、风能受限的区域(如隧道内)传感、通信设备用电问题方面具有广阔前景。
振动如列车通过引起的轨道、桥梁振动、人体运动、水流激振等都可以用于能量收集。目前振动能量收集装置设计主要使用的能量转化机制包括：电磁感应、压电效应、静电感应和摩擦起电等原理。电磁振动发电原理是利用振动过程中线圈与磁体的相对运动引起线圈内部磁通量发生变化，在线圈两端产生感应电动势，进而将机械振动能量转化为电能。常见的机械式振动能量收集装置按照结构形式可以大致分为两类，一是谐振式，如图5(a)所示，即利用振动中的惯性力带动磁体和线圈的相对运动，在闭合电路中产生电流；二是机械式(齿条与齿轮组合，如图5(b)所示)，即利用振动过程中物体之间的相对位移带动齿条与齿轮相对运动，将齿条的直线运动，转化为齿轮的旋转运动，进而带动电机，将机械能转化为电能。压电式振动能量收集装置，利用振动过程中，压电材料发生机械变形，压电体两端表面光将会产生电位差，在闭合电路中形成电流。压电材料由于自身固有的机-电耦合特性使得其在智能结构设计方面得到了广泛的应用。目前压电振动发电装置最常见的形式为悬臂梁结构。静电式发电装置通常由正负极板、负载电路以及静电屏蔽腔三部分组成。在振动过程中两个极板发生相对运动，使得两个基板之间的电容发生改变，引起两个极板之间电荷的重新分布，从而在连接两个电极的外接负载电路中形成电流。摩擦发电本质式是利用不同材料对电荷束缚能力的差异，在材料接触过程中产生电荷转移，进而在外接电路中形成电流。摩擦式振动发电装置则是利用振动带动材料极板反复接触分离，在负载电路中实现持续的电流输出。目前已见诸报道的摩擦式振动发电装置有接触分离式、滑动式、单电极式和自由浮动式等。
随着MEMS(微机电系统)和纳米技术的发展，静电感应和摩擦起电效应在微型振动发电装置开发方面具有广阔前景。但是由于这两种振动发电形式对材料、加工工艺以及工作环境要求较高，发电量还难以满足现有大部分设备用电需求，目前还主要处于研究阶段。压电式振动发电装置结构简单，具有较高的敏感性，在较小的振动激励下产生较大的电压输出。但是由于压电材料通常具有较大的内阻，这限制了它的能量转化效率的提升，目前多用于传感器设计。相比于压电式、静电式和摩擦式，电磁式振动发电装置体积相对大一些，但是在同等激励下可以产生更大电流，这也意味着有更大功率来负载用电设备。此外，电磁式振动能量收集装置对于材料和加工工艺要求不高，因此更具有实用化前景。
现有的电磁式振动发电装置主要分为谐振式和机械式(齿条与齿轮组合)。由于结构简单，原理清晰，谐振式振动发电装是一类最早提出的电磁式振动发电装置，如专利CN103733487 B，CN 104600949B等。谐振式振动发电装置通常需要弹簧元件连接振子与基础框架，并且只有在激励接近振子的共振频率时才会产生较大的功率输出。但环境振动通常是变化的，当激励频率偏离时，将会造成输出功率的显著下降。因此现有的谐振式振动发电装置对变频振动的适应性较差。为简化结构设计，谐振式振动发电装置的振子通常仅有一个平动自由度，如专利CN109600013B。振子在振动过程中容易与周围结构产生滑动摩擦，造成能量的耗散。由于振子只有一个平动自由度，因此只有当磁体进出线圈端部位置时才会产生较大的感应电动势，而磁体在线圈内部时所产生的电动势则会被部分或全部抵消，影响发电效率的提高。
机械式振动发电装置，如专利CN 104863810 B、CN 206972452 U等，因为需要安装齿条、齿轮等机构，整体结构相对复杂，且在微型化方面存在一定困难。此外机械式振动发电装置一般需要较大的振动位移才能够正常工作，在微弱振动下可能无法正常工作。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，其包括通过导线依次连接的振动发电装置、整流滤波稳压电路和负载模块；
振动发电装置包括矩形截面管、长线圈和径向磁化圆柱磁体；矩形截面管的内部呈矩形截面孔腔的管状结构，其内容置有可沿矩形界面管轴方向自由滚动的径向磁化圆柱磁体；长线圈沿同一方向连续缠绕于矩形截面管的外壁上；矩形截面管的两端分别盖设左端盖和右端盖，且矩形截面管两端分别固定于左连接夹具和右连接夹具上；位于矩形截面管下端的磁铁的左右两端分别固定于左连接夹具和右连接夹具的下部；
整流滤波稳压电路包括依次电性连接的单相桥式整流电路、电容滤波电路和并联稳压电路；负载模块包括负载。
优选地，左连接夹具和右连接夹具的上部分别固定于矩形截面管的左右两端接近端部的位置处。
优选地，左连接夹具和右连接夹具的底部支撑位置均固定于振动体上。
优选地，单相桥式整流电路包括四个通过导线连接的二极管。
优选地，电容滤波电路包括与负载并联设置的电容。
优选地，并联型稳压电路包括保护电阻和稳压二极管，稳压二极管与负载反向并联。
优选地，保护电阻串联在由稳压二极管和负载组成的并联电路上。
本发明提供的基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，具有以下有益效果：
本发明采用滚动的径向磁化圆柱磁体作为振子，取消了振子与外部结构弹性连接元件，使得结构更为简单；相比于基于滑动磁体振动发电装置可以获得更高的磁感线切割速率，以及更高的输出电压，相比于滑动，滚动阻力更小；同时，下部磁铁与圆柱磁体配合形成多稳态势能结构，不需要复杂的外部磁体阵列结构既能实现多稳态。
附图说明
图1为基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置的结构图。
图2为基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置结构图的正视图以及A-A处的剖视图。
图3为基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置的整流滤波稳压电路及负载模块的电路原理图。
图4为基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置的非线性恢复力及相应多阱势能结构图。
图5为基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置的电磁式振动发电装置典型结构示意，其中，(a)谐振式振动发电装置示意；(b)机械式振动发电装置。
其中，01、振动发电装置；02、整流滤波稳压电路；03、负载模块；10、矩形截面管；20、长线圈；30、径向磁化圆柱磁体；42、左端盖；44、右端盖； 52、左连接夹具；54、右连接夹具；60、底部磁铁；72、74、76、78、为二极管；80、电容；90、保护电阻；100、稳压二极管。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1-图3，本方案的基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，包括通过导线依次连接的振动发电装置01、整流滤波稳压电路02和负载模块03。
振动发电装置01用于振动能量收集；整流滤波稳压电路02主要用于将振动发电装置01产生的交变的电流进行整流滤波，并以相对稳定的电压进行输出；负载模块03，经整流滤波稳压电路02处理过的直流电流流经负载模块03并对外做功。
振动发电装置01包括矩形截面、长线圈20、径向磁化的圆柱形磁体、左端盖42、右端盖44、左连接夹具52、右连接夹具54以及底部磁铁60。
上述部件之间的连接关系为：
矩形截面管10的内部呈矩形截面孔腔的管状结构，为整个振动发电装置01 提供结构支撑，矩形截面管10腔的底部腔壁表面采用了粗糙化处理，用以避免圆柱磁体与底部腔壁之间的相对滑动。其内容置有可沿矩形界面管轴方向自由滚动的径向磁化圆柱磁体30；长线圈20沿同一方向连续缠绕于矩形截面管10 的外壁上。
矩形截面管10的两端分别盖设左端盖42和右端盖44，用以阻止振动过程中径向磁化圆柱磁体30从矩形截面管10的两端滚出。
且矩形截面管10两端分别固定于左连接夹具52和右连接夹具54上；位于矩形截面管10下端的磁铁的左右两端分别固定于左连接夹具52和右连接夹具 54的下部，确保下部磁铁随整体结构一起运动。
整流滤波稳压电路02包括依次电性连接的单相桥式整流电路、电容滤波电路和并联稳压电路。
单相桥式整流电路由普通二极管72、74、76、78通过导线连接形成，用于将交变电流转化为脉冲直流电。
电容80与负载电路并联形成电容滤波电路，基于电容器充放电时端部电压不能突变的特性实现滤波功能，降低脉冲直流电的波纹系数。
并联型稳压电路由保护电阻90和稳压二极管100组成，用于使整流滤波后的直流电压保持平稳。稳压二极管100与负载反向并联，利用稳压二极管在反向击穿时其端部电保持不变且不会因为反向击穿而损毁的特性来稳定负载两端电压。保护电阻90串联在由稳压二极管100和负载组成的并联电路上，用以保护稳压二极管100在击穿时不因电流过大而损坏。
负载模块03为常见的低功耗用电设备，如加速度传感器、无线数据传输设备等。
本发明取消了振子与基础之间的弹性连接单元，简化了结构。径向磁化圆柱磁体30在滚动过程中除发生平动外还有转动自由度，相比于单纯平动磁体可以显著提高磁场变化速率，获得更高的电压输出。圆柱磁体的磁场在滚动过程中的转动，使得不同位置线圈产生的感应电动势不会出现相互抵消，即使磁体在长线圈20内部依然会产生较高的电压输出。相比于滑动，滚动在较小的激励下即可发生，且所产生的机械能损耗更小。利用滚动磁体转动磁场与底部磁铁 60相互作用，为圆柱磁体提供了非线性恢复力，形成了多阱势能结构，使得振子可以发生多稳态振动，显著拓宽系统响应频带。
本发明使用滚动的径向磁化圆柱磁体30作为振子，取消了振子与外部结构弹性连接元件，使得结构更为简单。径向磁化圆柱磁体30在滚动过程中除发生动外还有转动自由度，相比于单纯平动的磁体，可以显著提高磁场变化速率，获得更高的电压输出。相比于滑动，滚动在较小的激励下即可发生，且所受到机械阻力更小。
使用了长线圈20与径向磁化圆柱磁体30滚动磁体相匹配。传统的基于滑动磁体是振动发电装置01，如专利CN109600013B，只有当磁体运动至线圈端部位置才会产生较大的电压输出，而一旦进入线圈内部，则会出现电动势的抵消。然而，本发明径向磁化的圆柱磁体在滚动过程中自身磁场会发生旋转运动，这使得磁体即使在线圈内部，所产生的电动势不会被抵消，有利于连续获得较高电压输出。
利用径向磁化圆柱磁体30磁场转动特性，借助底部磁铁60的稳定磁场，既可实现圆柱磁体多稳态振动，可显著拓宽系统响应频带。径向磁化圆柱磁体 30的滚动磁场于底部磁铁60相互作用，为圆柱磁体提供了非线性恢复力，如图4(a)所示。由磁力所产生的非线性恢复力可以得到如图4(b)所示多阱势能结构。每一个势能阱对应一种稳定运动状态，圆柱磁体可以在各个阱内振动，也可以在阱间振动，即可实现多稳太振动。非线性的恢复力，使得系统具有随着位置变化的刚度，不同刚度对应的共振频率也不同，变化的刚度使得系统的响应频带显著拓宽。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，其特征在于：包括通过导线依次连接的振动发电装置、整流滤波稳压电路和负载模块；
所述振动发电装置包括矩形截面管、长线圈和径向磁化圆柱磁体；所述矩形截面管的内部呈矩形截面孔腔的管状结构，其内容置有可沿矩形界面管轴方向自由滚动的径向磁化圆柱磁体；所述长线圈沿同一方向连续缠绕于矩形截面管的外壁上；所述矩形截面管的两端分别盖设左端盖和右端盖，且矩形截面管两端分别固定于左连接夹具和右连接夹具上；位于矩形截面管下端的磁铁的左右两端分别固定于左连接夹具和右连接夹具的下部；
所述整流滤波稳压电路包括依次电性连接的单相桥式整流电路、电容滤波电路和并联稳压电路；所述负载模块包括负载。
2.根据权利要求1所述的基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，其特征在于：所述左连接夹具和右连接夹具的上部分别固定于矩形截面管的左右两端接近端部的位置处。
3.根据权利要求1所述的基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，其特征在于：所述左连接夹具和右连接夹具的底部支撑位置均固定于振动体上。
4.根据权利要求1所述的基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，其特征在于：所述单相桥式整流电路包括四个通过导线连接的二极管。
5.根据权利要求1所述的基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，其特征在于：所述电容滤波电路包括与负载并联设置的电容。
6.根据权利要求1所述的基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，其特征在于：所述并联型稳压电路包括保护电阻和稳压二极管，稳压二极管与负载反向并联。
7.根据权利要求6所述的基于滚动磁体的弱多稳态振动发电装置，其特征在于：所述保护电阻串联在由稳压二极管和负载组成的并联电路上。
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