CN112865601A - 一种电磁式旋转振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁式旋转振动能量采集器，包括线圈装置、导磁装置、摩擦摆装置、轴承装置及管理电路；线圈装置包括绝缘架和线圈绕组，线圈绕组缠绕在绝缘架的四个支架上；导磁装置包括固定环、磁环、导磁片及导磁环，磁环镶嵌于固定环的内侧，导磁片镶嵌于绝缘架的四个支架外侧，导磁环镶嵌于绝缘架的套筒内侧；轴承装置包括转轴、外壳、轴承及底座，转轴固定于外壳的中心，轴承固定于底座的套筒内侧，绝缘架固定于底座的套筒外侧；摩擦摆装置包括扇形配重，扇形配重固定于外壳的外侧；管理电路包括二极管和稳压电容，四个二极管组成具有四个引脚的全桥整流电路。本发明干扰信号较小，功率密度较高。
Description
技术领域
本发明属于能量采集的技术领域，具体涉及一种电磁式旋转振动能量采集器。
背景技术
近年来，客运铁路网络的快速发展和运行速度的不断提升对列车安全运行和系统可靠性均提出了巨大的挑战。利用以无线传感器为代表的先进技术手段对高速列车进行可靠的在线监测，不仅可以有效地评估转向架结构的完整状态，还可以防患于未然，提前发现老旧设备中导致结构故障失效的潜在因素。然而，就车用无线传感器技术而言，供电方式是现阶段制约其大规模应用的主要瓶颈。列车运行过程中存在的稳定旋转能，为电磁式旋转振动能量采集器的应用提供了空间。
电磁式能量收集技术借助法拉第电磁感应定律可以将机械能转化为电能。依据法拉第电磁感应定律可以知道，线圈与磁铁产生相对运动时，线圈回路中就会产生感应电动势，从而在线圈中形成感应电流并向外输出电能，最终实现机械能到电能的转化。
现有电磁式旋转能量收集技术主要存在以下问题，磁悬浮振动能量采集器，悬浮体运动过程中存在的摩擦、碰撞和噪声等干扰信号会降低传感器信号的可靠度，此外列车运行速度较高时，悬浮体所受离心力较大，使其被甩至外端部，导致采集结构失效；悬臂梁振动能量采集器，借助悬臂梁解决离心力问题的同时，增加了结构的谐振频率，使其无法有效拾取列车旋转能；一体式旋转能量采集器，磁铁和线圈相对位移较小，采集效率较低；定子-转子分体式旋转能量采集器，磁能利用率低，并且在旋转环境下很难实现定子的固定。综上所述，电磁式旋转振动能量采集器普遍存在磁场利用率低，功率密度较小的问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种电磁式旋转振动能量采集器，能够随外界转子一起运动，且干扰信号较小，磁能利用率较高，功率密度较大。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电磁式旋转振动能量采集器，包括线圈装置、导磁装置、摩擦摆装置、轴承装置及管理电路；所述线圈装置包括绝缘架和线圈绕组，所述线圈绕组缠绕在所述绝缘架的四个支架上；所述导磁装置包括固定环、磁环、导磁片及导磁环，所述磁环镶嵌于所述固定环的内侧，所述导磁片镶嵌于所述绝缘架的四个支架外侧，所述导磁环镶嵌于所述绝缘架的套筒内侧；所述轴承装置包括转轴、外壳、轴承及底座，所述转轴固定于所述外壳的中心，所述轴承固定于所述底座的套筒内侧，所述绝缘架固定于所述底座的套筒外侧；所述摩擦摆装置包括扇形配重，所述扇形配重固定于所述外壳的外侧；所述管理电路包括二极管和稳压电容，四个所述二极管组成具有四个引脚的全桥整流电路，所述线圈绕组的首尾端连接两个输入引脚，所述稳压电容连接两个输出引脚。
作为本发明所述的一种电磁式旋转振动能量采集器的一种改进，所述绝缘架的四个支架上下侧布置矩形支架。
作为本发明所述的一种电磁式旋转振动能量采集器的一种改进，所述转轴端部设置有卡槽，所述轴承通过卡扣和所述卡槽连接于所述转轴。
作为本发明所述的一种电磁式旋转振动能量采集器的一种改进，所述底座设置有环形电路板，所述管理电路部分布置于所述环形电路板。
作为本发明所述的一种电磁式旋转振动能量采集器的一种改进，所述外壳为U形结构，所述底座为T形结构，所述扇形配重为1/4扇形结构，所述轴承为滚珠轴承。
作为本发明所述的一种电磁式旋转振动能量采集器的一种改进，所述固定环为铝材质，所述磁环为橡胶软磁环，所述导磁片为硅钢材质，所述导磁环为硅钢材质。
作为本发明所述的一种电磁式旋转振动能量采集器的一种改进，所述绝缘架为聚乙烯材质，所述线圈绕组为漆包铜线材质，所述金属引脚为锡材质。
作为本发明所述的一种电磁式旋转振动能量采集器的一种改进，所述转轴为高碳钢材质，所述轴承为高碳钢材质，所述外壳为丙烯酸材质，所述底座为丙烯酸材质，所述扇形配重装置为铜材质。
作为本发明所述的一种电磁式旋转振动能量采集器的一种改进，所述二极管的型号为1N5019，所述稳压电容为47uF电容量。
作为本发明所述的一种电磁式旋转振动能量采集器的一种改进，所述采集器的直径为30mm，所述采集器的高度为23.5mm。
本发明的有益效果在于，本发明包括线圈装置、导磁装置、摩擦摆装置、轴承装置及管理电路；所述线圈装置包括绝缘架和线圈绕组，所述线圈绕组缠绕在所述绝缘架的四个支架上；所述导磁装置包括固定环、磁环、导磁片及导磁环，所述磁环镶嵌于所述固定环的内侧，所述导磁片镶嵌于所述绝缘架的四个支架外侧，所述导磁环镶嵌于所述绝缘架的套筒内侧；所述轴承装置包括转轴、外壳、轴承及底座，所述转轴固定于所述外壳的中心，所述轴承固定于所述底座的套筒内侧，所述绝缘架固定于所述底座的套筒外侧；所述摩擦摆装置包括扇形配重，所述扇形配重固定于所述外壳的外侧；所述管理电路包括二极管和稳压电容，四个所述二极管组成具有四个引脚的全桥整流电路，所述线圈绕组的首尾端连接两个输入引脚，稳压电容连接两个输出引脚。由于电磁式旋转振动能量采集器普遍存在磁场利用率低，功率密度较小的问题，因此，通过线圈装置、导磁装置、摩擦摆装置、轴承装置及管理电路，一方面线圈装置随外界激励同步转动，软磁环在摩擦摆的作用下做微幅摆动，此时线圈和磁铁的相对位移较大，输出功率较高。另一方面，嵌套结构不仅使得线圈始终处于变化磁场中，而且减小了结构体积，进一步提高了结构的功率密度，使得采集器在工作过程中，不存在摩擦、碰撞和噪声等干扰信号；另外，橡胶磁环的弱磁环境，对传感器信号的无线传输影响较小；此外，采用一体化装置，摩擦摆使得磁铁与线圈产生相对位移，实现了采集器结构的一体化。本发明能够随外界转子一起运动，且干扰信号较小，磁能利用率较高，功率密度较大。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的分解示意图。
图3为本发明的控制电路示意图。
图4为本发明的交流峰峰值和整流电压图。
其中，附图标记说明如下：
1-绝缘架；100-矩形支架；
2-线圈绕组；
3-固定环；
4-磁环；
5-导磁片；
6-导磁环；
7-转轴；71-卡槽；72-卡扣；
8-外壳；
9-轴承；
10-底座；101-环形电路板；102-套筒；
11-扇形配重；
12-二极管；
13-稳压电容；
141-输入引脚；142-输出引脚。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图1～4对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
一种电磁式旋转振动能量采集器，包括线圈装置、导磁装置、摩擦摆装置、轴承装置及管理电路；线圈装置包括绝缘架1和线圈绕组2，线圈绕组2缠绕在绝缘架1的四个支架上；导磁装置包括固定环3、磁环4、导磁片5及导磁环6，磁环4镶嵌于固定环3的内侧，导磁片5镶嵌于绝缘架1的四个支架外侧，导磁环6镶嵌于绝缘架1的套筒内侧；轴承装置包括转轴7、外壳8、轴承9及底座10，转轴7固定于外壳8的中心，轴承9固定于底座10的套筒102内侧，绝缘架1固定于底座10的套筒102外侧；摩擦摆装置包括扇形配重11，扇形配重11固定于外壳8的外侧；管理电路包括二极管12和稳压电容13，四个二极管12组成具有四个引脚的全桥整流电路，线圈绕组2的首尾端连接两个输入引脚141，稳压电容13连接两个输出引脚142。
由于电磁式旋转振动能量采集器普遍存在磁场利用率低，功率密度较小的问题，因此，通过线圈装置、导磁装置、摩擦摆装置、轴承装置及管理电路，一方面，线圈装置随外界激励同步转动，软磁环在摩擦摆的作用下做微幅摆动，此时线圈和磁铁的相对位移较大，输出功率较高。另一方面，嵌套结构不仅使得线圈始终处于变化磁场中，而且减小了结构体积，进一步提高了结构的功率密度，在采集器工作过程中，不存在摩擦、碰撞和噪声等干扰信号；另外，橡胶磁环的弱磁环境，对传感器信号的无线传输影响较小；此外，采用一体化装置，摩擦摆使得磁铁与线圈产生相对位移，实现了采集器结构的一体化。
在根据本发明的电磁式旋转振动能量采集器中，绝缘架1的四个支架上下侧布置矩形支架100。
在根据本发明的电磁式旋转振动能量采集器中，转轴7端部设置有卡槽71，轴承9通过卡扣72和卡槽71连接于转轴7。
在根据本发明的电磁式旋转振动能量采集器中，底座10设置有环形电路板101，管理电路部分布置于环形电路板101。
在根据本发明的电磁式旋转振动能量采集器中，外壳8为U形结构，底座10为T形结构，扇形配重11为1/4扇形结构，轴承9为滚珠轴承。
在根据本发明的电磁式旋转振动能量采集器中，固定环3为铝材质，磁环4为橡胶软磁环，导磁片5为硅钢材质，导磁环6为硅钢材质。磁环4为磁场径向向内分布的橡胶磁环，导磁片5和导磁环6为硅钢材质，磁环4和导磁环6形成穿过线圈的径向磁感线，使得线圈始终切割磁感线，固定环3为铝材质，防止外界磁场干扰以及内磁场泄露。
在根据本发明的电磁式旋转振动能量采集器中，绝缘架1为聚乙烯材质，线圈绕组2为漆包铜线材质，金属引脚为锡材质。
在根据本发明的电磁式旋转振动能量采集器中，转轴7为高碳钢材质，轴承9为高碳钢材质，外壳8为丙烯酸材质，底座10为丙烯酸材质，扇形配重11装置为铜材质。
在根据本发明的电磁式旋转振动能量采集器中，二极管12的型号为1N5019，稳压电容13为47uF电容量。二极管12为1N5019，减少输出压降，稳压电容13为47uF电容量，50V限压的电容，形成稳定直流。
在根据本发明的电磁式旋转振动能量采集器中，采集器的直径为30mm，采集器的高度为23.5mm。
具体实施方式：
线圈装置包括：聚乙烯绝缘架1，绝缘架1外侧为按90°环向阵列布置的扇环结构，其圆心角为60°，外径为23.5mm，内径为19mm，高度为6mm；为了增加线圈绕组2的圈数，绝缘架1上下布置矩形支架100，上侧矩形支架100高度为2.5mm，宽度为2.5mm，厚度为1.5mm，下侧矩形支架100高度为7mm，宽度为2.5mm，厚度为1.5mm，为了增加下侧矩形支架100的稳定性，下侧矩形支架100左右两侧和绝缘架1之间布置有边长为2mm，厚为1.5mm的等边直角三角形结构，其中两个相邻下侧支架固定有输入引脚141；绝缘架1内侧为内径为5.5mm，厚度为1.5mm，高度为11mm的套筒结构，绝缘架1内外侧通过直径为2mm，高为8mm的柱状结构连接；线圈绕组2，线圈绕组2为直径0.1mm的高导电漆包铜线，线圈绕组2缠绕于绝缘架1的柱状连接结构，线圈绕组2的长度为40m，每个支架的缠绕长度为10m，线圈绕组2首尾端连接控制电路的输入引脚141。
导磁装置包括：磁环4，磁场径向向内分布的橡胶磁环，磁场强度为1.2T，内径25mm，外径29mm，高度14mm；固定铝环，固定铝环固定磁环4，防止外界磁场干扰以及内磁场泄露，内径29mm，外径31mm，高度14mm；硅钢导磁片5，沿径向方向完全镶嵌于绝缘架1的扇环结构，圆心角为60度，高度为4mm，镶嵌深度为1mm；硅钢导磁环6，内径为8mm，厚度为1.5mm，高度为10mm。
轴承装置包括：高碳钢转轴7，转轴7直径为2.5mm，长度为20mm，距离端部2mm处设置有深度为0.5mm，宽度为0.5mm的卡槽71；高碳钢轴承9，内径3mm，外径8mm，高度8mm；丙烯酸U型外壳8，高度为15mm，内径31mm，外径33mm，封闭端厚度为1.5mm，铝环镶嵌于U型外壳8内侧，上述转轴7固定于外壳8封闭端中心；丙烯酸T形底座10，底座10为圆柱底凸槽套筒结构，凸槽套筒内径8mm，外径10mm，高度18mm，圆柱底直径33mm，厚度1.5mm，上述轴承装置过盈配合于凸槽套筒内部，上述绝缘架1过盈配合于凸槽套筒外侧；
摩擦摆装置包括：1/4扇形配重11，圆心角为60度，高度为15mm，厚度为5mm，材质为铜材质，扇形配重11紧固于上述U形外壳8外侧；
管理电路包括：1N5019二极管12，容量为47uF耐压为20V的稳压电容13，四个二极管12组成四个引脚的全桥整流电路，其中两个输入引脚141连接上述线圈绕组2首尾端，两个输出引脚142连接于稳压电容13，上述电路部分集中焊接在外径为29mm，内径11.5mm，厚度为1.3mm的环形电路板，环形电路板固定在上述底T形底座10内侧。
上述技术方案中，能量采集器的直径为33mm，高度为23.5mm.
上述技术方案中，底座10固定于外界转轴7的中心。
线圈随外界转轴7一起转动，摩擦摆使得软磁铁和线圈产生相对运动，使得线圈绕组2的磁通量发生变化，由此产生感应电动势，测得其在转速分别为60-1200rpm时，整流前后开路电压如图4所示；
外界转速为500rpm，采集器整流后的电压为纽扣法拉V型电容充电，在10min内电容的电压从0变为2.898V，其中纽扣法拉V型电容特性：脚距5mm，限压5.5V，电容量为0.22F。
与现有的磁悬浮振动能量采集器相比，本发明干扰信号较小。一方面运转过程中，不存在摩擦、碰撞和噪声等干扰信号。另一方面，软磁铁的弱磁场环境，对传感器的信号传输影响较小。
与现有的一体式旋转能量采集器相比，本发明功率密度较高。线圈装置随外界激励同步转动，软磁环在摩擦摆的作用下做微幅摆动，此时线圈和磁铁的相对位移较大，输出功率较高。另一方面，嵌套结构不仅使得线圈始终处于变化磁场中，而且减小了结构体积，进一步提高了结构的功率密度。
与现有的转子-定子分体式旋转能量采集器相比，本发明可形成一体化装置。摩擦摆装置使得磁铁相对于地面做微幅摆动，使得在一体化装置的前提下，实现磁铁与线圈的较大相对位移；
与现有的悬臂梁振动能量采集器相比，本发明的采集器在高低转速下都能产生较稳定的输出。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于:包括线圈装置、导磁装置、摩擦摆装置、轴承装置及管理电路；
所述线圈装置包括绝缘架(1)和线圈绕组(2)，所述线圈绕组(2)缠绕在所述绝缘架(1)的四个支架上；
所述导磁装置包括固定环(3)、磁环(4)、导磁片(5)及导磁环(6)，所述磁环(4)镶嵌于所述固定环(3)的内侧，所述导磁片(5)镶嵌于所述绝缘架(1)的四个支架外侧，所述导磁环(6)镶嵌于所述绝缘架(1)的套筒内侧；
所述轴承装置包括转轴(7)、外壳(8)、轴承(9)及底座(10)，所述转轴(7)固定于所述外壳(8)的中心，所述轴承(9)固定于所述底座(10)的套筒(102)内侧，所述绝缘架(1)固定于所述底座(10)的套筒(102)外侧；
所述摩擦摆装置包括扇形配重(11)，所述扇形配重(11)固定于所述外壳(8)的外侧；
所述管理电路包括二极管(12)和稳压电容(13)，四个所述二极管(12)组成具有四个引脚的全桥整流电路，所述线圈绕组(2)的首尾端连接两个输入引脚(141)，所述稳压电容(13)连接两个输出引脚(142)。
2.如权利要求1所述的一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于：所述绝缘架(1)的四个支架上下侧布置矩形支架(100)。
3.如权利要求1所述的一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于：所述转轴(7)端部设置有卡槽(71)，所述轴承(9)通过卡扣(72)和所述卡槽(71)连接于所述转轴(7)。
4.如权利要求1所述的一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于：所述底座(10)设置有环形电路板(101)，所述管理电路部分布置于所述环形电路板(101)。
5.如权利要求1所述的一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于：所述外壳(8)为U形结构，所述底座(10)为T形结构，所述扇形配重(11)为1/4扇形结构，所述轴承(9)为滚珠轴承。
6.如权利要求1所述的一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于：所述固定环(3)为铝材质，所述磁环(4)为橡胶软磁环，所述导磁片(5)为硅钢材质，所述导磁环(6)为硅钢材质。
7.如权利要求1所述的一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于：所述绝缘架(1)为聚乙烯材质，所述线圈绕组(2)为漆包铜线材质。
8.如权利要求1所述的一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于：所述转轴(7)为高碳钢材质，所述轴承(9)为高碳钢材质，所述外壳(8)为丙烯酸材质，所述底座(10)为丙烯酸材质，所述扇形配重(11)装置为铜材质。
9.如权利要求1所述的一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于：所述二极管(12)的型号为1N5019，所述稳压电容(13)为47uF电容量。
10.如权利要求1所述的一种电磁式旋转振动能量采集器，其特征在于：所述采集器的直径为30mm，所述采集器的高度为23.5mm。
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