CN113489377A - 基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，涉及振动发电技术领域，包括钝体、发电机和磁体组，磁体组包括第一磁体、第二磁体和第三磁体，第二磁体位于第一磁体和第三磁体之间，第二磁体在第一磁体和第三磁体之间往复运动，第二磁体分别与钝体和发电机连接，发电机将往复运动的机械能转化为电能。本发明的第二磁体与第一磁体、第三磁体产生双稳态振动，由此带动发电机工作产生感应电动势。采用磁体组一方面简化了结构，另一方面减少装置制作难度，也克服了传统弹簧在多次振动后带来疲劳损伤的缺点。本发明的磁体组的双稳态运动大大提高了频率响应范围，在低激励频率和低激励振幅下能发生大幅振动，由此提高发电机的发电功率。
Description
技术领域
本发明涉及振动发电技术领域，特别是涉及一种基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置。
背景技术
在海洋环境中，传统的化学电池寿命短、不易更换且容易污染环境，需要能够长期稳定供电的可再生能源供电形式。利用涡激振动原理能够将水流能转换为振动能。而振动能量收集技术具有结构简单、输出能量密度高等优点，可以代替传统电池解决难以实现电池更换等问题，能够为电子设备连续供电，提升器件稳定性和使用寿命。
振动能是自然界中能够捕获的具有较高能量密度的一种能量形式，目前针对振动能量采集技术主要分为四种：电磁式、压电式、静电式和压电-电磁复合式。相比与压电式振动能量收集装置的振动频率较高，电磁式振动能量收集装置的震动频带宽且频率低。而电磁式振动能量收集设备应用电磁感应现象，将磁铁与线圈相对运动的机械能转化为电能。为了提高电磁式涡激振动发电装置的发电效率，将传统的弹簧组调节装置平衡变为采用磁体组的磁力调节装置平衡，利用磁体组的优点是提高了涡激振动发电装置的频率响应范围，并且系统在低激励频率和低激励振幅下能发生大幅振动，由此提高直线振动发电机的发电量和发电效率。中国专利号CN202011372654.9提供了一种质量及支撑刚度可调的涡激振动发电装置，该装置利用弹簧进行刚度调节，调节刚度范围窄。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，利用磁体组调节刚度，拓宽刚度调节范围，拓宽涡激振动频带，提高水流流速转换为振动能范围，提高转换效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，包括钝体、发电机和磁体组，所述磁体组包括第一磁体、第二磁体和第三磁体，所述第二磁体位于所述第一磁体和所述第三磁体之间，所述第二磁体在所述第一磁体和所述第三磁体之间往复运动，所述第二磁体分别与所述钝体和所述发电机连接，所述发电机将往复运动的机械能转化为电能。
优选地，所述第一磁体的下端与所述第二磁体的上端相对设置，所述第一磁体的下端的磁性与所述第二磁体的上端的磁性相同，所述第二磁体的下端与所述第三磁体的上端相对设置，所述第二磁体的下端的磁性所述第三磁体的上端的磁性相同。
优选地，所述第一磁体和所述第三磁体通过固定杆连接，所述固定杆穿过所述第二磁体的通孔。
优选地，所述钝体的两端分别与一连接杆连接，所述第二磁体与两所述连接杆通过一连接板连接。
优选地，所述基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置还包括导轨，所述连接板与所述导轨滑动连接。
优选地，所述发电机包括磁体阵列、线圈、支杆和壳体，所述支杆的一端与所述第二磁体连接，所述支杆的另一端与所述磁体阵列连接，所述线圈缠绕在所述壳体的支架上，所述磁体阵列位于所述线圈和所述壳体之间，所述线圈与所述磁体阵列之间存在气隙，所述第二磁体带动所述磁体阵列与所述线圈产生相对运动。
优选地，所述磁体阵列呈圆环状。
优选地，所述磁体阵列包括若干钕铁硼磁铁。
优选地，所述壳体采用硅钢制成。
优选地，所述钝体为圆柱体。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的第二磁体与第一磁体、第三磁体产生双稳态振动，由此带动发电机工作产生感应电动势。与利用弹簧弹力调节涡激振动发电装置平衡相比，采用磁体组一方面简化了结构，另一方面代替了传统的螺旋弹簧，减少装置制作难度，也克服了传统弹簧在多次振动后带来疲劳损伤的缺点。本发明的磁体组的双稳态运动大大提高了频率响应范围，并且在低激励频率和低激励振幅下能发生大幅振动，由此提高发电机的发电功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置示意图；
图2为本发明的磁体组示意图；
图3为本发明的第一磁体或第三磁体示意图；
图4为本发明的第二磁体示意图；
图5为本发明的发电机示意图；
其中：100-基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，1-钝体，2-发电机，3-磁体组，4-第一磁体，5-第二磁体，6-第三磁体，7-固定杆，8-通孔，9-连接杆，10-连接板，11-导轨，12-磁体阵列，13-支杆，14-壳体，15-连接孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，利用磁体组调节刚度，拓宽刚度调节范围，拓宽涡激振动频带，提高水流流速转换为振动能范围，提高转换效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图5所示：本实施例提供了一种基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置100，包括钝体1、发电机2和磁体组3，磁体组3包括第一磁体4、第二磁体5和第三磁体6，第二磁体5位于第一磁体4和第三磁体6之间，第二磁体5在第一磁体4和第三磁体6之间往复运动，第二磁体5分别与钝体1和发电机2连接，发电机2将往复运动的机械能转化为电能。本实施例的第二磁体5与第一磁体4、第三磁体6产生双稳态振动，由此带动发电机2工作产生感应电动势。与利用弹簧弹力调节涡激振动发电装置平衡相比，采用磁体组3一方面简化了结构，另一方面代替了传统的螺旋弹簧，减少装置制作难度，也克服了传统弹簧在多次振动后带来疲劳损伤的缺点。本实施例的磁体组3的双稳态运动大大提高了频率响应范围，并且在低激励频率和低激励振幅下能发生大幅振动，由此提高发电机2的发电功率。
本实施例中，第一磁体4的下端与第二磁体5的上端相对设置，第一磁体4的下端的磁性与第二磁体5的上端的磁性相同，第二磁体5的下端与第三磁体6的上端相对设置，第二磁体5的下端的磁性第三磁体6的上端的磁性相同。根据同性相斥原理，当第二磁体5靠近第一磁体4或第三磁体6时将受到反方向斥力，以此磁力代替弹力产生双稳态振动。如图2所示，第一磁体4下端的磁性与第二磁体5的上端的磁性均为N极，第二磁体5的下端的磁性第三磁体6的上端的磁性均为S极。
本实施例中，第一磁体4和第三磁体6通过固定杆7连接，第一磁体4和第三磁体6上均开设有连接孔15，连接孔15的尺寸与固定杆7的截面尺寸匹配，固定杆7穿过第二磁体5的通孔8，通孔8的尺寸大于固定杆7的截面尺寸，使得固定杆7能够在通孔8中自由运动。
本实施例中，钝体1的两端分别与一连接杆9连接，第二磁体5与两连接杆9通过一连接板10连接。
本实施例中，基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置100还包括导轨11，连接板10通过滑块与导轨11滑动连接，滑块与导轨11之间的摩擦力小。具体地，滑块通过螺钉安装在连接板10上，滑块通过中间的圆柱孔套在导轨11上。钝体1在流体流过后产生振动，带动连接杆9、连接板10、第二磁体5和磁体阵列12一起沿导轨11滑动。
本实施例中，发电机2直线振动发电机2，发电机2包括磁体阵列12、线圈、支杆13和壳体14，支杆13的一端与连接板10连接，支杆13的另一端与磁体阵列12连接，线圈缠绕在壳体14的支架上，壳体14固定在基座上，磁体阵列12位于线圈和壳体14之间，线圈与磁体阵列12之间存在气隙，第二磁体5带动磁体阵列12与线圈产生相对运动。当钝体1运动时，磁体阵列12随之运动，线圈与壳体14保持不动，磁体阵列12与线圈发生相对运动，从而产生感应电压。发电机2利用电磁感应原理收集振动形式机械能并将其转化为电能。
本实施例中，磁体阵列12呈圆环状。磁体阵列12包括若干钕铁硼磁铁。
本实施例中，壳体14采用硅钢制成。
本实施例中，钝体1为圆柱体。
本实施例中，第一磁体4、第三磁体6、导轨11、线圈和壳体14相对静止。
本实施例中，钝体1在流体流过后产生振动，带动连接杆9、连接板10、磁体阵列12和第二磁体5共同振动。根据同性相斥的原理，当第二磁体5靠近第一磁体4时，第二磁体5将受到反方向斥力，产生向第三磁体6运动的作用力，同理当靠近第三磁体6时将受到反方向斥力，产生向第一磁体4运动的作用力，以此磁力代替弹力产生双稳态振动，由此带动发电机2工作产生感应电动势。
根据“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”的原理，第二磁体5靠近第一磁体4时，第二磁体5、连接杆9、连接板10和磁体阵列12受到强大的斥力作用，当斥力与重力之和大于涡激力时，第二磁体5、连接杆9、连接板10和磁体阵列12将反向运动。同理，当第二磁体5、连接杆9、连接板10和磁体阵列12无限靠近第三磁体6时，斥力逐渐增大，当斥力大于重力与涡激力的和时，第二磁体5、连接杆9、连接板10和磁体阵列12将反向运动。第二磁体5、连接杆9、连接板10和磁体阵列12在第一磁体4和第三磁体6之间往复运动，形成双稳态振动。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：包括钝体、发电机和磁体组，所述磁体组包括第一磁体、第二磁体和第三磁体，所述第二磁体位于所述第一磁体和所述第三磁体之间，所述第二磁体在所述第一磁体和所述第三磁体之间往复运动，所述第二磁体分别与所述钝体和所述发电机连接，所述发电机将往复运动的机械能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：所述第一磁体的下端与所述第二磁体的上端相对设置，所述第一磁体的下端的磁性与所述第二磁体的上端的磁性相同，所述第二磁体的下端与所述第三磁体的上端相对设置，所述第二磁体的下端的磁性所述第三磁体的上端的磁性相同。
3.根据权利要求1所述的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：所述第一磁体和所述第三磁体通过固定杆连接，所述固定杆穿过所述第二磁体的通孔。
4.根据权利要求1所述的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：所述钝体的两端分别与一连接杆连接，所述第二磁体与两所述连接杆通过一连接板连接。
5.根据权利要求4所述的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：所述基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置还包括导轨，所述连接板与所述导轨滑动连接。
6.根据权利要求1所述的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：所述发电机包括磁体阵列、线圈、支杆和壳体，所述支杆的一端与所述第二磁体连接，所述支杆的另一端与所述磁体阵列连接，所述线圈缠绕在所述壳体的支架上，所述磁体阵列位于所述线圈和所述壳体之间，所述线圈与所述磁体阵列之间存在气隙，所述第二磁体带动所述磁体阵列与所述线圈产生相对运动。
7.根据权利要求6所述的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：所述磁体阵列呈圆环状。
8.根据权利要求6所述的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：所述磁体阵列包括若干钕铁硼磁铁。
9.根据权利要求6所述的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：所述壳体采用硅钢制成。
10.根据权利要求1所述的基于永磁体调节平衡的双稳态涡激振动发电装置，其特征在于：所述钝体为圆柱体。
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