CN113027964A - 基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，所述振动能量回收装置包括外壳、锥盖、压电组件和永磁体，所述外壳具有内腔，所述锥盖和所述压电组件均设在所述内腔内，所述锥盖与所述压电组件之间限定出减振空间，所述永磁体设在所述减振空间内，所述永磁体周围吸附有适量磁性液体，所述磁性液体随所述永磁体的振动在所述振动空间内发生形变并对所述压电组件施加压力，所述电能收集组件与所述压电组件连接，所述电能收集组件用于收集所述压电组件产生的电能。根据本发明实施例的振动能量回收装置在实现减振作用的同时，可以回收物体振动产生的振动能量，避免了能源浪费。

Description

基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置

技术领域

本发明涉及机械工程振动技术领域，尤其涉及一种基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置。

背景技术

磁性液体二阶浮力原理是指磁性液体可以将浸在其中的比重比自身大的永磁体悬浮起来。静止悬浮时，永磁体基本处于液体中央，当接收到外界振动能时，将引起永磁体任意性的波动，但最终永磁体因磁性液体的不对称性引起的压力差以回复运动的形式回到平衡位置，即回到液体中央。基于这一原理，诞生出了磁性液体减振器。磁性液体减振器被应用到航空航天研究中，例如，航天器中存在的较长物体(如太阳能帆板、卫星天线等)的局部减振问题，这些较长物体的振动具有频率低、位移小、加速度小的特征，针对具有这些特征的物体，一般采用磁性液体减振器进行减振。

相关技术中，磁性液体减振器依据不同工况要求进行设计，但相同的是，所有的磁性液体减振器只起到减振作用，而物体振动产生的振动能量则全部被浪费，造成了能源浪费。

发明内容

为此，本发明的实施例提出一种基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，在实现减振作用的同时，可以回收物体振动产生的振动能量，避免了能源浪费。

根据本发明实施例的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置包括外壳、锥盖、压电组件和永磁体，所述外壳具有内腔，所述锥盖设在所述内腔顶部，所述压电组件设在所述内腔内，且所述压电组件位于所述锥盖的下方，所述锥盖与所述压电组件之间限定出减振空间，所述减振空间内填充有磁性液体，所述永磁体设在所述减振空间内，所述永磁体周围吸附有适量所述磁性液体，所述磁性液体随所述永磁体的振动在所述振动空间内发生形变并对所述压电组件施加压力，所述电能收集组件与所述压电组件连接，所述电能收集组件用于收集所述压电组件产生的电能。

根据本发明实施例的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，磁性液体与减振空间内的各个部件之间产生接触摩擦,通过摩擦消耗掉振动能量,起到了良好的减振作用。此外，本发明实施例的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置根据正压电效应，利用压电组件和电能收集组件，将磁性液体减振器在减振过程中的产生的能量转化为电能储存起来以供负载和自身使用，产生了清洁能源，避免了能源浪费。

在一些实施例中，所述压电组件包括第一压电块和第二压电块，所述第一压电块环绕所述永磁体设置，所述第二压电块设在所述内腔的底部，所述磁性液体可对所述第一压电块和所述第二压电块中的至少一个施加压力。

在一些实施例中，所述第一压电块的外表面和所述第二压电块的外表面均设有包覆层，所述包覆层的材料为弹性材料。

在一些实施例中，所述第一压电块的材料和所述第二压电块的材料均为压电陶瓷。

在一些实施例中，所述电能收集组件包括变压器、整流滤波模块和蓄电池，所述压电组件的电能输出端与所述变压器的输入端连接，所述变压器的输出端与所述整流滤波模块的输入端连接，所述整流滤波模块的输出端与所述蓄电池的输入端连接。

在一些实施例中，所述基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置还包括环形垫圈，所述环形垫圈设在所述内腔内，且所述环形垫圈环绕所述第二压电块设置，所述第一压电块设在所述环形垫圈上方。

在一些实施例中，所述锥盖的横截面积沿从上向下的方向逐渐增大。

在一些实施例中，所述锥盖上设有多个通孔，多个所述通孔沿在所述锥盖上均匀分布。

在一些实施例中，所述永磁体的数量为多个，多个所述永磁体沿上下方向依次叠置，相邻的两个永磁体中，相同的磁极所在的端面彼此贴合。

在一些实施例中，所述基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置还包括隔热层，所述隔热层设在所述内腔内，且所述隔热层的外周面与所述外壳的内周壁贴合，所述锥盖、所述压电组件和所述永磁体位于所述隔热层的内侧。

附图说明

图1是根据本发明实施例的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置的示意图。

附图标记：

外壳1，筒形件11，端盖12，

锥盖2，通孔21，

压电组件3，第一压电块31，第二压电块32，包覆层33，

永磁体4，

磁性液体5，

环形垫圈6，

电能收集组件7，

隔热层8，上隔热层81，下隔热层82。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，根据本发明实施例的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置包括外壳1、锥盖2、永磁体4、压电组件3和电能收集组件7。

外壳1具有内腔，锥盖2、永磁体4和压电组件3均设在外壳1的内腔内，锥盖2位于压电组件3的上方，锥盖2和压电组件3在内腔内限定出减振空间。

减振空间设有永磁体4，减振空间内还填充有磁性液体5，磁性液体5在永磁体4提供的磁场力的作用下吸附在永磁体4的外侧。当外界发生振动时，永磁体4随之发生振动，磁性液体5随永磁体4的振动在振动空间内发生形变并对压电组件3施加压力。具体地，压电组件3的材料为压电材料，压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，压电组件3将压力转换为电能。

电能收集组件7通过线路与压电组件3连接，电能收集组件7用于收集压电组件3所产生的电能。

根据本发明实施例的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，磁性液体5与减振空间内的各个部件之间产生接触摩擦,通过摩擦消耗掉振动能量,起到了良好的减振作用，此外，本发明实施例的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置根据正压电效应(即压电组件3受到压力作用而内部发生电极化，并导致压电体两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与压力成正比)，利用压电组件3和电能收集组件7，将磁性液体减振器在减振过程中的产生的能量转化为电能储存起来以供负载和自身使用，产生了清洁能源，避免了能源的浪费。

在一些实施例中，压电组件3包括第一压电块31和第二压电块32，第一压电块31环绕永磁体4设置。第二压电块32设在内腔的底部，磁性液体5可对第一压电块31和第二压电块32中的至少一个施加压力。

可选地，第一压电块31的数量可以为多块。进一步地，多块第一压电块31可以沿上下方向依次排列。

可选地，第二压电块32的数量可以为多块。进一步地，多块第一压电块31可以布置为多层，即不同的第一压电块31的内径和外径均不相同，较大的第一压电块31套设在较小的第一压电块31的外侧。

具体地，第一压电块31和第二压电块32的材料均为压电陶瓷，压电陶瓷是一种性能良好的压电材料，可以将机械能与电能相互转化，压电陶瓷具有压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状的特点。

在一些实施例中，第一压电块31的外表面和第二压电块32的外表面均设有包覆层33，包覆层33的材料为弹性材料，具有弹性的包覆层33起到一定缓冲减压的作用，避免了永磁体4在减振过程中与压电组件3发生刚性冲击，从而延长了振动能量回收装置的使用寿命，并且包覆层33可以将磁性液体5所施加的压力较均匀地传递给第一压电块31和第二压电块32。

优选地，包覆层33的材料为经过硫化处理的橡胶。

在一些实施例中，电能收集组件7包括变压器(未示出)、整流滤波模块(未示出)和蓄电池(未示出)。压电组件3的电能输出端与变压器的输入端连接，变压器用于将压电组件3产生的交流电进行电压变换输出值整流滤波模块，变压器的输出端与整流滤波模块的输入端连接。整流滤波模块用于将交流电转变为直流电，整流滤波模块的输出端与蓄电池的输入端连接。最终，压电组件3产生的电能被存储到蓄电池中。

在一些实施例中，基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置还包括环形垫圈6，环形垫圈6设在内腔内，且环形垫圈6环绕第二压电块32设置，第一压电块31设在环形垫圈6上方。具体地，环形垫圈6的材料优选为橡胶。

如图1所示，磁性液体5位于振动空间内，而对于环形垫圈6的位置，磁性液体5可对其施加的作用力有限，为了降低成本，在内腔的底部设置有环形垫圈6，环形垫圈6环绕第二压电块32，且起到了承载第一压电块31的作用。

在一些实施例中，锥盖2大体呈锥形，锥盖2的横截面积沿从上向下的方向逐渐增大，锥盖2的边沿与外壳1的内周壁相连。

需要说明的是，锥盖2的内表面与永磁体4所吸附的磁性液体5之间产生摩擦力和粘性剪切力来消耗振动能量，磁性液体5与锥盖2的摩擦面为锥面，产生压力梯度，减振效果更好。同时，锥盖2还可以为减振块提供回复力，使其向下运动，并给第一压电块31和第二压电块32施加压力。

进一步地，锥盖2上设有多个通孔21，多个通孔21布沿锥盖2均匀分布。

当磁性液体5向上运动与锥盖2相接触时，部分磁性液体5进入到通孔21内，可以增加磁性液体5与锥盖2之间的摩擦力，从而消耗磁性液体5的动能，增加整个装置的减振效果。而且，通孔21的数量越多，减振效果越好。

需要说明的是，由于磁性液体5在磁场力的作用下吸附在永磁体4的外侧，磁性液体5虽然会随着永磁体4的振动发生形变，但是磁性液体5始终吸附在永磁体4的外侧，不会脱离永磁体4。因此，进入通孔21的部分磁性液体5在到达一定程度后，会向下运动，从通孔21回到减振空间内。

在一些实施例中，外壳1包括筒形件11和端盖12，内腔形成在筒形件11内，筒形件11的底端敞开设置以使内腔的底端开口，端盖12设在筒形件11的底端以封闭空腔的底端。

在本实施例中，为了便于安装，将外壳1设计为筒形件11和端盖12的结构，安装时，将其他零部件放入筒形件11中，再将端盖12与筒形件11连接在一起即可，端盖12与筒形件11的连接方式可以为螺栓连接或卡扣连接，当然，可以为其他连接方式。

在一些实施例中，永磁体4的数量为多个，多个永磁体4沿上下方向依次叠置。如此设置永磁体4，可以增加磁场的强度，使得永磁体4对磁性液体5的吸附能力更强。

进一步地，相邻的两个永磁体4中，相同的磁极所在的端面彼此贴合。换言之，相邻的两个永磁体4的同极相对布置，即N极与N极相对，S极与S极相对，如此设置，可以大大增加永磁体4产生的磁场强度。发明人经研究发现，永磁体4同极相对布置，永磁体4产生的磁场强度是同样数量的永磁体4异极相对布置产生的磁场强度的三倍。具体地，为了保证永磁体4稳定连接，相邻的永磁体4焊接在一起。

多块永磁体4同极相对布置的方式极大增强了磁场强度，从而使得磁性液体5的表观粘度增加，即提高了磁性液体5抗变形能力，可以理解为磁性液体5的强度增加，更不容易变形。磁性液体5在减振过程中，可以大大增加施加给位于永磁体4周侧的第一压电块31的压力，从而使第一压电块31产生的电能增多，发电效率增加。

在一些实施例中，振动能量回收装置还包括隔热层8，隔热层8设在内腔内，且隔热层8的外周面与外壳1的内周壁贴合，锥盖2、压电组件3和永磁体4位于隔热层8的内侧。隔热层8用于减小磁性液体5的温度收到外界环境温度的影响，避免磁性液体5的粘度下降导致的减振性能下降。

需要说明的是，为了便于安装，本实施例中的隔热层8分为上隔热层81和下隔热层82，上隔热层81和下隔热层82之间粘接在一起形成整体的隔热层8。

以下，结合上述实施例对本发明提供的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置的安装过程进行说明。

先将上隔热层81安装在筒形件11的内部，上隔热层81的外周壁与筒形件11的内周壁贴合，之后将锥盖2固定安装在筒形件11的内腔内，再将环形垫圈6设在下绝热层的底部，将设有包覆层33的第二压电块32安装到环形垫圈6的中间，将设有包覆层33的第一压电块31设在环形垫圈6的上方，并将第一压电块31和第二压电块32表面的金属电极通过导线与设在外部的电能收集组件7相连，导线穿过包覆层33和环形垫圈6延伸至外部，导线孔用密封胶密封，之后将多块焊接在一起的且同极相对布置的永磁体4放入第一压电块31的中间，并向其中填充一定量的磁性液体5，再将安装有锥盖2的上隔热层81与下隔热层82粘接在一起，最后将端盖12安装在筒形件11的底端，完成整个安装过程。

下面参考附图1描述根据本发明的一些具体示例的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置。

如图1所示，根据本发明的一些具体示例的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置包括外壳1、锥盖2、压电组件3、永磁体4和电能收集组件7。

外壳1由筒形件11和安装在筒形件11底端的端盖12组成，外壳1的内部具有内腔，内腔内设有上隔热层81和下隔热层82，上隔热层81和下隔热层82相连，从而减小外界环境温度对外壳1内部温度的影响。

进一步地，内腔的顶部设有锥盖2，锥盖2的大体呈锥形，且锥盖2的横截面积从上向下逐渐增加，锥盖2的边沿与上隔热层81的内壁相连。锥盖2上开设有多个通孔21，多个通孔21布置成沿锥盖2的轴向间隔布置的四圈，每一圈通孔21包括至少两个沿锥盖2的周向间隔布置的通孔21。

压电组件3包括第一压电块31、第二压电块32和包覆层33，外壳1内腔的底部设有采用弹性材料制成的环形垫圈6，环形垫圈6的中间设有第二压电块32，第二压电块32的数量为多块，分为两层铺设在内腔的底部，且每一块第二压电块32的表面均设有弹性材料制成包覆层33。环形垫圈6的上端面设有第一压电块31，两个不同规格不同的第一压电块31套设在一起，且每一个第一压电块31的表面均设有弹性材料制成的包覆层33，第一压电块31和第二压电块32通过导线与外部的电能收集组件7相连，导线穿过包覆层33和弹性垫圈与外部链接，导线孔通过密封胶密封，保证装置的密封性。

锥盖2、第一压电块31和第二压电块32在外壳1的内腔内限定出减振空间，减振空间内设有多块沿上下方向依次叠置的永磁体4，且相邻的两个永磁体4中，相同的磁极所在的端面彼此贴合。相邻的两个永磁体4焊接在一起，减振空间内还填充有磁性液体5，磁性液体5在磁场力的作用下吸附在永磁体4的外侧。

当外界发生振动时,永磁体4在减振空间内移动,永磁体4带动磁性液体5在减振空间内晃动,磁性液体5与锥盖2的下表面、锥盖2的通孔21的内壁面、第一压电块31表面的包覆层33和第二压电块32的包覆层33发生摩擦,通过摩擦消耗掉振动能量,实现减振,并且在减振过程中,磁性液体5对第一压电块31和第二压电块32施加压力,第一压电块31和第二压电块32均采用压电材料制成,第一压电块31和第二压电块32在受到外界压力后产生电能,并通过导线传输至电能收集组件7，电能收集组件7将电能经过整流滤波后存储至蓄电池以供自身负载使用或供其他用电装置使用，实现了振动能量的回收利用。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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，或成一体；可以是机械连接，也可以是连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，包括：

外壳，所述外壳具有内腔；

锥盖，所述锥盖设在所述内腔顶部；

压电组件，所述压电组件设在所述内腔内，且所述压电组件位于所述锥盖的下方，所述锥盖与所述压电组件之间限定出减振空间，所述减振空间内填充有磁性液体；

永磁体，所述永磁体设在所述减振空间内，所述永磁体周围吸附有适量所述磁性液体，所述磁性液体随所述永磁体的振动在所述振动空间内发生形变并对所述压电组件施加压力；

电能收集组件，所述电能收集组件与所述压电组件连接，所述电能收集组件用于收集所述压电组件产生的电能。

2.根据权利要求1所述的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，所述压电组件包括第一压电块和第二压电块，所述第一压电块环绕所述永磁体设置，所述第二压电块设在所述内腔的底部，所述磁性液体可对所述第一压电块和所述第二压电块中的至少一个施加压力。

3.根据权利要求2所述的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，所述第一压电块的外表面和所述第二压电块的外表面均设有包覆层，所述包覆层的材料为弹性材料。

4.权利要求2所述的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，所述第一压电块的材料和所述第二压电块的材料均为压电陶瓷。

5.根据权利要求1所述的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，所述电能收集组件包括变压器、整流滤波模块和蓄电池，所述压电组件的电能输出端与所述变压器的输入端连接，所述变压器的输出端与所述整流滤波模块的输入端连接，所述整流滤波模块的输出端与所述蓄电池的输入端连接。

6.根据权利要求2所述的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，还包括环形垫圈，所述环形垫圈设在所述内腔内，且所述环形垫圈环绕所述第二压电块设置，所述第一压电块设在所述环形垫圈上方。

7.据权利要求1所述的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，所述锥盖的横截面积沿从上向下的方向逐渐增大。

8.据权利要求7所述的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，所述锥盖上设有多个通孔，多个所述通孔沿在所述锥盖上均匀分布。

9.根据权利要求1所述的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，所述永磁体的数量为多个，多个所述永磁体沿上下方向依次叠置，相邻的两个永磁体中，相同的磁极所在的端面彼此贴合。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于磁性液体二阶浮力原理的振动能量回收装置，其特征在于，还包括隔热层，所述隔热层设在所述内腔内，且所述隔热层的外周面与所述外壳的内周壁贴合，所述锥盖、所述压电组件和所述永磁体位于所述隔热层的内侧。

Images