CN113746297A - 一种汲取振动能量的可变质量直线发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种汲取振动能量的可变质量直线发电机，属于新能源及节能技术领域。线槽套设在圆筒型的背铁内，线圈缠绕在线槽上，背铁两端连接有直线轴承，中心直筒设在背铁的轴线上并通过直线轴承支承；中心直筒下部的外壁上设有环状载台，磁体定位环套设在中心直筒上部的外壁上；若干磁体套设在中心直筒上并通过磁体定位环和环状载台固定，磁体与线圈之间存在气隙；中心直筒内部可填充配重内容物；中心直筒与弹簧谐振机构连接。本发明拓展了发电机的振动工作频率，工作振幅范围大，适用于不同的场合。同时，精简了电机的结构，调节简单、方便，能够使电机迅速达到最大输出功率。

Description

一种汲取振动能量的可变质量直线发电机

技术领域

本发明属于新能源及节能技术领域，涉及一种汲取振动能量的可变质量直线发电机。

背景技术

在位于不能直接供电的场所的传感器，一般采用干电池供电，而干电池寿命有限并且污染环境。直接利用振动收集的能量代替传统的干电池能够带来巨大的经济节约。现汲取振动能量的发电机主要有静电式、压电式与电磁式。而静电式、压电式成本高并且发电功率低。在电磁式发电机中，圆筒型直线发电机能够直接将机械能转化为电能，使电机复杂程度降低并提高了能量转换效率。而现实中不同振动体的振幅与振动频率都有着其本身的特点。应用圆筒型直线发电机捕获振动的能量若想捕获较大的能量和输出功率大都需要专门针对具体振源设计特定的电机。

目前的振动发电机主要有以下缺点：工作状态大都为固定频率，不能或者较难进行相应调整使振动发电机获得较大的能量；电机结构复杂，工艺繁琐，发电效率低且电机成本高；在追踪最大输出电压过程中，对振动频率反馈只能大体的粗调，不能够迅速精确调节发电机来让振动发电机捕获得最大输出能量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种汲取振动能量的可变质量直线发电机，拓展了发电机的振动工作频率，工作振幅范围大，适用于不同的场合。同时，精简了电机的结构，调节简单、方便，能够使电机迅速达到最大输出功率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种汲取振动能量的可变质量直线发电机，包括中心直筒、线圈、背铁、磁体、磁体定位环、弹簧谐振机构和线槽；

线槽套设在圆筒型的背铁内，线圈缠绕在线槽上，背铁两端连接有直线轴承，中心直筒设在背铁的轴线上并通过直线轴承支承；中心直筒下部的外壁上设有环状载台，磁体定位环套设在中心直筒上部的外壁上；若干磁体套设在中心直筒上并通过磁体定位环和环状载台固定，磁体与线圈之间存在气隙；中心直筒内部可填充配重内容物；中心直筒与弹簧谐振机构连接。

优选地，磁体之间设置有减震环，减震环与磁体的内外径均相等。

优选地，中心直筒外壁套设有抗磨套。

优选地，中心直筒的一端封闭，内壁设有螺纹，另一端内部螺接有用于固定配重内容物的螺旋封堵，螺旋封堵上设有可启闭的通气结构。

优选地，中心直筒的内壁设有螺纹，内部螺接有2个螺旋封堵，螺旋封堵上设有可启闭的通气结构。

进一步优选地，螺旋封堵为圆柱体，外壁为与中心直筒内螺纹匹配的外螺纹，螺旋封堵中心设有多边形的凹槽，凹槽外周设有环形孔，凹槽内设有弹簧开关，环形孔内设有与弹簧开关连接的启闭环。

进一步优选地，螺旋封堵上设有弹性缓冲垫。

优选地，弹簧谐振机构包括弹簧、套管和弹簧连接环，所述直线发电机的一端连接有支撑装置，套管的一端与支撑装置连接，中心直筒通过弹簧连接环与弹簧的一端连接，弹簧的另一端与支撑装置连接，弹簧设在套管内。

优选地，背铁上开设有与轴线平行的引线引出缝，线圈的引线穿过引线引出缝与接线端子连接，接线端子固定在绝缘排上，接线端子根据线圈的位置进行标号。

优选地，线槽的材质为复合树脂材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的汲取振动能量的可变质量直线发电机，以直线轴承及其上布置的磁体作为电机动子，通过弹簧吸收振动能量，在直线轴上进行相对运动，切割磁感线产生交流电。中心直筒内部填充有配重内容物，能够通过质量调节使发电机输出功率达到最大值，拓展了发电机振动工作频率，工作振幅范围大，适用于不同的场合。同时，配重内容物直接装填在中心直筒内部，精简了电机的结构，调节简单、方便，能够使电机迅速达到最大输出功率。

进一步地，磁体之间设置有减震环，能够吸收大量撞击能量，有效保护磁体。

进一步地，中心直筒外壁套设有抗磨套，能够避免中心直筒磨损，提高使用寿命。

进一步地，中心直筒内的螺旋封堵，能够便于安装拆卸并调节配重内容物的质量，并且螺旋封堵上可启闭的通气结构，能够避免活塞效应。

进一步地，中心直筒内设置2个螺旋封堵，能够在调节配重内容物质量的同时，将配重内容物的重心调节在中心直筒的中心位置，当发电机的轴线不在重力方向时，避免由于重心偏于一侧造成中心直筒与直线轴承摩擦力增大、磨损情况加剧，确保中心直筒与直线轴承的良好配合。

进一步地，螺旋封堵上设有弹性缓冲垫，能够将内部的配重内容物固定牢靠，防止使用中配重内容物晃动移位。

进一步地，弹簧谐振机构的弹簧设置在电机外部，不受电机尺寸的限制，能够从多个参数确定最优的弹簧参数，扩展电机的适用范围。

进一步地，线圈的引线通过背铁上的引线引出缝引出，结构整端；并且接线端子根据线圈的位置进行标号，能够根据使用场合中的振动频率，接最匹配的线圈数量，有效提高电机的输出功率。

进一步地，线槽采用复合树脂材料，保证机械强度的前提下，能够良好地隔热、耐高温、绝缘性好，能够有效较少匝间短路的发生。

附图说明

图1为采用第一种弹簧谐振机构的整体结构示意图；

图2为采用第二种弹簧谐振机构的整体结构示意图；

图3为采用第三种弹簧谐振机构的整体结构示意图；

图4为背铁结构示意图；

图5为螺旋封堵的结构示意图；

图6为T型扳手的结构示意图；

图7为线圈缠绕线槽的结构示意图；

图8为接线端子的标号示意图。

图中，1为中心直筒，2为抗磨套，3为直线轴承，4为线圈，5为背铁，6为螺旋封堵，6-1为凹槽，6-2为环形孔，6-3为弹簧开关，6-4为启闭环，7为减震环，8为磁体，9为磁体定位环，10为线槽，11为弹簧，12为套管，13为弹簧连接环，14为支撑装置，15为T型扳手。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：

如图1～3，为本发明的汲取振动能量的可变质量直线发电机，包括中心直筒1、线圈4、背铁5、磁体8、磁体定位环9、弹簧谐振机构和线槽10；

线槽10套设在圆筒型的背铁5内，线圈4缠绕在线槽10上，背铁5两端连接有直线轴承3，中心直筒1设在背铁5的轴线上并通过直线轴承3支承；中心直筒1下部的外壁上设有环状载台，磁体定位环9套设在中心直筒1上部的外壁上；若干磁体8套设在中心直筒1上并通过磁体定位环9和环状载台固定，磁体8与线圈4之间存在气隙；中心直筒1内部可填充配重内容物；中心直筒1与弹簧谐振机构连接。

在本发明的一个较优的实施例中，磁体8之间设置有减震环7，减震环7与磁体8的内外径均相等。

在本发明的一个较优的实施例中，中心直筒1外壁套设有抗磨套2。

在本发明的一个较优的实施例中，中心直筒1的一端封闭，内壁设有螺纹，另一端内部螺接有用于固定配重内容物的螺旋封堵6，螺旋封堵6上设有可启闭的通气结构。

在本发明的一个较优的实施例中，中心直筒1的内壁设有螺纹，内部螺接有2个螺旋封堵6，螺旋封堵6上设有可启闭的通气结构。如图5，为一种具体结构，螺旋封堵6为圆柱体，外壁为与中心直筒1内螺纹匹配的外螺纹，螺旋封堵6中心设有多边形的凹槽6-1，凹槽外周设有环形孔6-2，凹槽内设有弹簧开关6-3，环形孔6-2内设有与弹簧开关6-3连接的启闭环6-4。优选地，螺旋封堵6上设有弹性缓冲垫。

在本发明的一个较优的实施例中，采用第一种弹簧谐振机构时，如图1，弹簧谐振机构包括弹簧11、套管12和弹簧连接环13，所述直线发电机的一端连接有支撑装置14，套管12的一端与支撑装置14连接，中心直筒1通过弹簧连接环13与弹簧11的一端连接，弹簧11的另一端与支撑装置14连接，弹簧11设在套管12内。

采用第二种弹簧谐振机构时，如图2，弹簧11套设在中心直筒1下端，位于发电机内部。采用第三种弹簧谐振机构时，如图3，弹簧11套设在中心直筒1的两端，位于发电机内部。

在本发明的一个较优的实施例中，背铁5上开设有与轴线平行的引线引出缝，如图4，线圈的引线穿过引线引出缝与接线端子连接，接线端子固定在绝缘排上，接线端子根据线圈的位置进行标号，如图8。

在本发明的一个较优的实施例中，线槽10的材质为复合树脂材料。

下面结合一个具体实施例来对本发明进行进一步地解释说明：

本发明通过调节中心直筒1内配重内容物的体积，改变发电机初级质量。抗磨套2用刚度较好、密度较小、相对磁导率较低的材料包裹中心直筒1。为使能够直观看到所容纳物体的体积，抗磨套2一侧开口。中心直筒1采用石墨烯、PC等高透明度、高硬度、高强度、低密度、耐高温性能好的材料，中心直筒1内壁采用螺旋式结构。中心直筒1由螺旋封堵6密封，螺旋封堵6外部采用螺旋结构，与中心直筒1内壁牙间距相互配合。螺旋封堵6有五边形的凹槽6-1结构，由T型扳手15进行旋进、旋出，如图6。螺旋封堵6中心有弹簧开关6-3，与外侧的启闭环6-4固定连接为一体，采用弹簧结构，当弹簧开关6-3在T型扳手15的作用下，带动着外侧的启闭环6-4向下运动到弹簧开关6-3位置，此时启闭环6-4四周中空，液体与空气能通过此处进行流通。在中心直筒1内配重内容物加到合适位置后，应由T型扳手15将弹簧开关6-3关闭。此机构能解决空气对流问题，也为快速倒出所容纳的液体或者固体提供便利。

利用不锈钢压缩弹簧进行振幅放大。为保持弹簧11稳定避免失稳，弹簧外加套管12。依据最大工作频率与初始中心直筒1质量确定弹簧11系数K的取值范围，再用最大质量时刻去校验弹簧11，确定最终弹簧11参数。其中强度验算、振动验算、稳定性验算都应符合弹簧11设计的要求。

磁体8内径与抗磨套2外径相同，套在抗磨套2上。磁体8可采用径向充磁、轴向充磁、基于Halbach阵列结构的不同排列方式的磁体8。当采用径向充磁、轴向充磁方式时磁极之间放置刚度较好；磁体8之间设置密度较低且不导磁材料制成的减震环7，如橡胶环，大小与磁体8一致。在整个磁体8的最上方由开口型得磁体定位环9固定，最下方由抗磨套2的结构作为支撑。

中心直筒1内用来改变质量的配重内容物可以选择为液体或者固体小颗粒如细沙子。为了减少发电机本身体积就越小，配重内容物应选用密度较大的物体。其中选择液体时液体密度应当大一些，推荐民用领域用水，工业领域用汞。配重内容物的质量由以下公式确定：

其中，m_r为配重内容物的质量，f₁为现电机机构所对应的刻度，f₂为振源频率。

为减少发电机的质量与体积，采取旋转螺旋封堵6的机构与螺旋封堵6分离的结构。在旋转螺旋封堵6时采用T型扳手15，T型扳手15同样标有频率刻度，读数以中心直筒1顶端所对T型扳手15上的刻度为标准。

其刻度线确定根据为：

其中当电机由两个弹簧时：

k＝k₁+k₂

其中，ρ为配重内容物的密度，R为中心直筒1的内径，H为中心直筒1的高度，h为T型扳手15深入中心直筒1的深度，k为弹簧系统弹性系数，k₁、k₂为电机内弹簧弹性系数，m₀为发电机整个动子的初始质量。

中心直筒1开口亦有可以读取频率的刻度线，让容器的液体或者固体处于刻度线处便是该发电机的最佳工作状态。读数以配重内容物所对中心直筒1开口处的刻度为标准。

其刻度线确定根据为：

其中，f_m表示刻度线上的数值，k为弹簧系统弹性系数、p为容器内物质的密度、v为物体的体积、m₀为电机动子初始质量此时v＝0。

为有效避免弹簧11失稳，并方便对配重内容物的体积进行调节，弹簧11外加标有刻度的透明套管12，其上刻度表示发电机最佳工作频率。

中心直筒1两端标数，读数以发电机竖直放置时法兰直线轴承处为所对套管上刻度线为标准。其刻度线根据为：

其中，g为重力系数，x₀为配重内容物体积为0时弹簧的形变量，Δx为配重内容物增加后相对于x₀的位移。

直线轴承采用法兰直线轴承，减少摩擦力，并使动子相对线圈4只上下移动。

应用长毛刷清除中心直筒1螺旋路径内的杂质，并利于螺旋封堵6的旋进旋出。

采用复合树脂材料薄筒提供线槽10，在保证机械强度满足要求的情况下，应尽可能的薄。线槽10的宽度、高度由磁体8高度与磁间距共同决定，在电机理论的基础上用有限元仿真进行验证调整。如图7，回字形线槽10使线圈4稳定性增强强，并使发电机谐波较小。

绕组顺、逆时针依次缠绕首位相连。每一槽内绕组的始端与末端位置都接条引线通过背铁5上的细缝引出依次焊接接线端子上，首尾相连。接线端子固定于绝缘排上，并对端子依次标号。如图8，最中间的绕组输入输出端都标记为0，往上往下序号依次增加。若为多相，则加相应脚标，如0A。对于单相电机，两条输出线接上下标号相同的两个接线端。对于多相发电机，上端短接，下端引出数字相同的输出线。如在三相中引出8A，8B，8C。

为保护磁体8，减少振动对磁体8的冲击力，磁体8间用采用弹性适中的橡胶环，确保磁体8所受的冲击力小于磁体8的机械强度。

本发明在工作时时：

发电机竖直安装于简谐运动位置时，磁体8所在的中心直筒1由于惯性并在弹簧11振幅放大作用下进行与振幅周期一致的简谐运动。由于磁体8与线圈4的相对运动，造成线圈4产生感应电动势。从而将振动的能量收集转化为电能。对于不同频率的简谐运动，采用调节发电机质量的方式让发电机工作在最佳状态。若中心直筒1未与发电机固定，可直接利用将配重内容物调节到中心直筒1开口刻度线处。若中心直筒1已与发电机固定。当需要加配重内容物时，先利用T型扳手15将螺旋封堵6旋转到所需频率，打开螺旋封堵6的开关将配重内容物从中心直筒1上方倒入，调节完成后关闭螺旋封堵6开关；当需要减少配重内容物时，打开螺旋封堵6开关将配重内容物从中心直筒1上方倒出，调节完成后关闭螺旋封堵6开关。由于外界振源振幅数值不一，在振幅大时线圈4引出线接大值，振幅小时线圈引出线接小值，能够有效提高发电机的输出功率。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，包括中心直筒(1)、线圈(4)、背铁(5)、磁体(8)、磁体定位环(9)、弹簧谐振机构和线槽(10)；

线槽(10)套设在圆筒型的背铁(5)内，线圈(4)缠绕在线槽(10)上，背铁(5)两端连接有直线轴承(3)，中心直筒(1)设在背铁(5)的轴线上并通过直线轴承(3)支承；中心直筒(1)下部的外壁上设有环状载台，磁体定位环(9)套设在中心直筒(1)上部的外壁上；若干磁体(8)套设在中心直筒(1)上并通过磁体定位环(9)和环状载台固定，磁体(8)与线圈(4)之间存在气隙；中心直筒(1)内部可填充配重内容物；中心直筒(1)与弹簧谐振机构连接。

2.根据权利要求1所述的汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，磁体(8)之间设置有减震环(7)，减震环(7)与磁体(8)的内外径均相等。

3.根据权利要求1所述的汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，中心直筒(1)外壁套设有抗磨套(2)。

4.根据权利要求1所述的汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，中心直筒(1)的一端封闭，内壁设有螺纹，另一端内部螺接有用于固定配重内容物的螺旋封堵(6)，螺旋封堵(6)上设有可启闭的通气结构。

5.根据权利要求1所述的汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，中心直筒(1)的内壁设有螺纹，内部螺接有2个螺旋封堵(6)，螺旋封堵(6)上设有可启闭的通气结构。

6.根据权利要求4或5所述的汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，螺旋封堵(6)为圆柱体，外壁为与中心直筒(1)内螺纹匹配的外螺纹，螺旋封堵(6)中心设有多边形的凹槽(6-1)，凹槽外周设有环形孔(6-2)，凹槽内设有弹簧开关(6-3)，环形孔(6-2)内设有与弹簧开关(6-3)连接的启闭环(6-4)。

7.根据权利要求6所述的汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，螺旋封堵(6)上设有弹性缓冲垫。

8.根据权利要求1所述的汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，弹簧谐振机构包括弹簧(11)、套管(12)和弹簧连接环(13)，所述直线发电机的一端连接有支撑装置(14)，套管(12)的一端与支撑装置(14)连接，中心直筒(1)通过弹簧连接环(13)与弹簧(11)的一端连接，弹簧(11)的另一端与支撑装置(14)连接，弹簧(11)设在套管(12)内。

9.根据权利要求1所述的汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，背铁(5)上开设有与轴线平行的引线引出缝，线圈的引线穿过引线引出缝与接线端子连接，接线端子固定在绝缘排上，接线端子根据线圈的位置进行标号。

10.根据权利要求1所述的汲取振动能量的可变质量直线发电机，其特征在于，线槽(10)的材质为复合树脂材料。

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