CN113890301A - 线圈悬浮式磁性液体动能采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线圈悬浮式磁性液体动能采集器，包括：内设密封腔的外壳，所述密封腔内设有至少一个动能采集单元；所述动能采集单元包括内设空腔的质量块、固定于所述密封腔内的永磁体和填充于质量块与永磁体之间的磁性液体，通过磁性液体使质量块悬浮于外壳和永磁体之间；所述永磁体至少部分位于所述空腔内，所述空腔沿第一方向为相对的两个内端壁，两个内端壁之间的内侧壁在第二方向上的截面积沿第一方向交替增大和减小变化；所述质量块包括采用非磁性材料制备的线圈骨架和固定于所述线圈骨架上的线圈组件。本发明中质量块不含永磁体，能够有效抵抗外界磁性材料对动能采集器的干扰；采用磁性液体润滑减阻，微弱振动工况下动能采集效率高。

Description

线圈悬浮式磁性液体动能采集器

技术领域

本发明涉及动能采集技术领域，特别是一种线圈悬浮式磁性液体动能采集器。

背景技术

随着全球气候变暖和化石能源枯竭的危机日益加剧，寻找可持续的清洁能源来支撑人类文明的可持续发展已成为当前社会的面临的严峻挑战之一。动能是一种在自然界中广泛存在的清洁能源，例如海浪潮汐活动、人与动物的运动以及风和其他因素导致的物体振动等都包含丰富的动能，利用动能采集器将清洁的动能转换成电能具有十分重要的研究价值。

电磁式动能采集器通过电磁感应定律将运动物体的动能转换成电能，其具有低阻抗、高输出功率、高可靠性和使用寿命长等突出优点，具有广阔的应用前景。

对于常见的电磁式动能采集器，运动的永磁体和动能采集器壳体之间存在摩擦磨损，不仅降低动能采集器的输出功率和使用寿命，还严重影响动能采集器在微振动工况下的动能采集效率。此外，常见的电磁式动能采集器采用永磁体作为质量块，由于永磁体容易和外界的铁制品和磁铁等产生磁力作用，严重影响电磁式动能采集器的正常使用。

公开号为CN107069916B的说明书公开了一种基于法拉第电磁感应定律的宽频动能采集系统。该系统由微型能量采集单元阵列组成。每个能量采集单元由一个伪线性振荡器构成。在精巧设计的磁悬浮机构支持下，伪线性振荡器中的悬浮硬磁体可在一维方向自由移动。该宽频动能采集系统可用来收集并存储较宽频率的振动动能。微型宽频动能采集系统可以作为电源集成到无线传感器系统中，或作为电源子系统的一部分直接内置到便携式或可穿戴设备中。该发明中的磁悬浮机构采用气体压力控制，结构复杂，加工要求较高。

公开号为CN104065180A的说明书公开了球状Halbach全方位动能采集器，包括内部带球形空腔的壳体、质心偏离球心的质量球、多块不同磁化方向的永磁体和多个线圈绕组。内部带球形空腔壳体的内部空腔球面上布置线圈绕组，质量球表面安装永磁体，球面上的永磁体之间按Halbach永磁阵列排布，壳体内腔线圈绕组的布置在正对球面Halbach永磁阵列磁力线垂直进出球表面处或者磁力线平行于球表面处。该发明中运动的质量球和壳体之间存在的摩擦会降低动能采集器的输出功率和使用寿命。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其抗外界磁性材料的干扰能力强，在微弱振动工况下动能采集效率高。

一种线圈悬浮式磁性液体动能采集器，包括：内设密封腔的外壳，所述密封腔内设有至少一个动能采集单元；所述动能采集单元包括内设空腔的质量块、固定于所述密封腔内的永磁体和填充于质量块与永磁体之间的磁性液体，通过所述磁性液体使质量块悬浮于外壳和永磁体之间；所述永磁体至少部分位于所述空腔内，所述空腔沿第一方向为相对的两个内端壁，两个内端壁之间的内侧壁在第二方向上的截面积沿第一方向交替增大和减小变化；所述质量块包括采用非磁性材料制备的线圈骨架和固定于所述线圈骨架上的线圈组件。

所述第二方向为与第一方向垂直且朝向所述内侧壁的方向。

线圈悬浮式磁性液体动能采集器通过在第二方向上截面积变化的空腔配合磁性液体形成刚度系数可变的“磁性液体弹簧”，所述永磁体通过磁性液体向质量块提供在振动方向上的回复力，故无需添加弹簧为质量块提供回复力。

线圈悬浮式磁性液体动能采集器处于振动状态时，所述质量块在密封腔中产生位移，即质量块与外壳发生相对运动。由于所述永磁体与外壳的相对位置不变，则所述质量块相对于永磁体发生运动，使得所述质量块中的线圈组件通过的磁链产生变化，继而产生感应电动势，达到采集动能并转换为电能的目的。

所述外壳包括两端设有开口的壳体和端盖，所述端盖固定于所述壳体的两端开口处并形成密封。所述外壳采用壳体和端盖组合的形式，便于线圈悬浮式磁性液体动能采集器的组装和维护。

所述密封腔内设有固定于所述壳体上的横断板，所述横断板的侧面设有用于固定所述永磁体的凹槽。采用横断板固定永磁体和外壳，避免了永磁体与壳体直接固定带来的加工难度。

优选地，所述横断板的两侧面分别设有磁化方向相同的永磁体。两个永磁体表现出相互吸引力，两个永磁体通过相互之间的磁吸力提高了固定在横断板两侧上的可靠性，此外位于所述横断板两侧的永磁体相互屏蔽靠近横断板的磁极，减少磁性液体向横断板处聚集，有利于线圈悬浮式磁性液体动能采集器的正常工作。

优选地，所述横断板沿第一方向设有横断板通孔，所述永磁体沿第一方向设有连通所述横断板通孔的永磁体通孔。由于所述永磁体对磁性液体的磁吸引力作用，所述磁性液体会吸附于永磁体的表面并将所述空腔分割成多个相对独立的密封区域，采用永磁体通孔和横断板通孔连通各个相对独立的密封区域，防止由于气压导致的质量块运动阻碍。

所述线圈骨架包括两个设有单开口的中空筒，所述中空筒的开口朝向所述横断板的侧面；两个中空筒通过贯穿所述横断板的连接件固定。连接件贯穿所述横断板不仅确保连接件能够连接所述横断板两侧的中空筒，还能防止线圈骨架绕着所述第一方向发生旋转。

优选地，所述中空筒上还设有与连接件固定的定位块，所述定位块的设置便于中空筒和连接件的组装，同时也增加了所述中空筒和连接件固定的可靠性。

所述线圈组件包括扁平线圈和空心线圈，所述扁平线圈固定于所述中空筒的外端面，所述空心线圈套接于所述中空筒的外侧面。采用扁平线圈和空心线圈共同采集所述质量块的动能，提高了动能的转换效率和线圈组件的输出电压，从而提高了线圈悬浮式磁性液体动能采集器的输出功率。

优选地，所述中空筒的筒底沿第一方向开有中空筒通孔，所述扁平线圈上沿第一方向设有扁平线圈通孔，所述扁平线圈通孔和中空筒通孔相连通。如此，实现了所述密封腔和空腔的连通，防止气压阻碍所述质量块的运动。此外，由于永磁体无需开通孔，增大了永磁体在第二方向上的截面积，有利于增大线圈悬浮式磁性液体动能采集器的输出电压。

本发明相比现有技术，其优点在于：

1、本发明利用非磁性材料制作质量块，能够有效减小外界磁性材料对质量块振动状态的影响，增加线圈悬浮式磁性液体动能采集器在含有铁制品和永磁体等场合的适用性；

2、本发明利用磁性液体悬浮质量块实现润滑减阻，减小质量块和永磁体之间的摩擦阻力，提高了动能采集效率，显著提高了动能采集器在微弱振动工况下的输出功率；利用刚度系数可变的“磁性液体弹簧”提供质量块在振动方向上的回复力，确保了质量块能够实现往复运动；

3、本发明中质量块可以采用多种材料，质量块的形状和质量等参数调节简单，有利于实现线圈悬浮式磁性液体动能采集器动力学模型的调控。

附图说明

图1是本发明实施例1中线圈悬浮式磁性液体动能采集器的结构示意图。

图2是图1所示的外壳和横断板的结构示意图。

图3是图2所示的壳体和横断板的结构示意图。

图4是图1所示的质量块的结构示意图。

图5是本发明实施例2中线圈悬浮式磁性液体动能采集器的结构示意图。

附图标记：密封腔1，外壳2，动能采集单元3，壳体21，端盖22，空腔4，质量块5，永磁体6，内端壁41，内侧壁42，磁性液体7，横断板8，凹槽81，横断板通孔82，永磁体通孔61，线圈骨架51，线圈组件52，中空筒501，连接件502，定位块503，扁平线圈521，空心线圈522，凸台504，中空筒通孔505，扁平线圈通孔523。

具体实施方式

实施例1：

如图1-图4所示，线圈悬浮式磁性液体动能采集器，包括：内设密封腔1的外壳2，密封腔1内设有一个动能采集单元3。外壳2包括壳体21和端盖22，端盖22固定于壳体21的两端的开口处形成密封。外壳2采用壳体21和端盖22组合的形式，便于线圈悬浮式磁性液体动能采集器的组装和维护。

动能采集单元3包括内设空腔4的质量块5、固定于密封腔1内的永磁体6和填充于质量块5与永磁体6之间的磁性液体7，通过所述磁性液体7使质量块5悬浮于外壳2和永磁体6之间；所述空腔4包裹永磁体6，空腔4沿第一方向为相对的两个内端壁41，两个内端壁41之间的内侧壁42在第二方向上的截面积沿第一方向交替增大和减小变化。

第二方向为与第一方向垂直且朝向内侧壁42的方向。

密封腔1的中部设有固定于壳体21上的横断板8，横断板8与端盖22平行设置，横断板8的两侧面均设有用于固定永磁体6的凹槽81。采用横断板8固定永磁体6和外壳2，避免了永磁体6与壳体21直接固定带来的加工难度。

固定于横断板8两侧的永磁体6的磁化方向相同。两个永磁体6通过相互之间的磁吸力提高了固定在横断板8两侧上的可靠性，此外位于横断板8两侧的永磁体6相互屏蔽靠近横断板8的磁极，减少磁性液体7向横断板8处聚集，有利于线圈悬浮式磁性液体动能采集器的正常工作。

横断板8的中心处沿第一方向设有横断板通孔82，永磁体6的轴心处沿第一方向设有连通横断板通孔82的永磁体通孔61。由于永磁体6对磁性液体7的磁吸引力作用，磁性液体7会吸附于永磁体6的表面并将空腔4分割成多个相对独立的密封区域，采用永磁体通孔61和横断板通孔82连通各个相对独立的密封区域，防止由于气压导致的质量块5运动阻碍。

质量块5包括线圈骨架51和固定于线圈骨架51外的线圈组件52。线圈骨架51采用非磁性材料制备，有效地减小了外界磁性材料对质量块5振动状态的影响，增加了线圈悬浮式磁性液体动能采集器在含有铁制品和永磁体等场合的适用性。

线圈骨架51包括中空筒501和连接件502，中空筒501为一面设有开口的筒体，中空筒501的内截面沿筒底到筒口的方向逐渐增大。中空筒501的开口朝向横断板8的侧面固定。

中空筒501的筒口外缘处设有定位块503，连接件502通过定位块503固定两个中空筒501。定位块503的设置便于中空筒501和连接件502的组装，同时也增加了中空筒501和连接件502固定的可靠性。

连接件502贯穿横断板8，且连接件502与横断板8沿第二方向设有一定的间隙，保证线圈骨架51悬浮于横断板8与壳体21之间，同时防止线圈骨架51以第一方向为轴线旋转。

线圈组件52包括扁平线圈521和空心线圈522，扁平线圈521固定于中空筒501的外端面，空心线圈522套接于中空筒501的外侧面上。扁平线圈521和空心线圈522的接口穿过外壳2将电能传输至外部设备，外壳2在扁平线圈521和空心线圈522的穿孔处进行密封，保证外壳2内的密封性。

采用扁平线圈521和空心线圈522共同采集质量块5的动能，提高了动能的转换效率和线圈组件52的输出电压，从而提高了线圈悬浮式磁性液体动能采集器的输出功率。

线圈悬浮式磁性液体动能采集器通过截面积变化的空腔4配合磁性液体7形成刚度系数可变的“磁性液体弹簧”，永磁体6通过磁性液体7向质量块5提供在振动方向上的回复力，故无需添加弹簧为质量块5提供回复力。

线圈悬浮式磁性液体动能采集器处于振动状态时，质量块5在密封腔1中产生位移，即质量块5与外壳2发生相对运动。由于永磁体6与外壳2的相对位置不变，则质量块5相对于永磁体6发生运动，使得通过质量块5中的扁平线圈521和空心线圈522的磁链产生变化，继而产生感应电动势，从而达到采集动能并转换为电能的目的。

实施例2：

如图5所示，与实施例1不同之处在于：

横断板8处不设置横断板通孔82且永磁体6处不设置永磁体通孔61。

中空筒501的外筒底处设有凸台504，凸台504沿第一方向开有中空筒通孔505，扁平线圈521上沿第一方向设有扁平线圈通孔523。通过扁平线圈通孔523将扁平线圈521套接于凸台504上，且与中空筒501固定。通过扁平线圈通孔523和中空筒通孔505连通密封腔1和空腔4，防止气压阻碍质量块5的运动。

Claims (9)

1.一种线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其特征在于，包括：内设密封腔(1)的外壳(2)，所述密封腔(1)内设有至少一个动能采集单元(3)；所述动能采集单元(3)包括内设空腔(4)的质量块(5)、固定于所述密封腔(1)内的永磁体(6)和填充于质量块(5)与永磁体(6)之间的磁性液体(7)，通过所述磁性液体(7)使质量块(5)悬浮于外壳(2)和永磁体(6)之间；所述永磁体(6)至少部分位于所述空腔(4)内，所述空腔(4)沿第一方向为相对的两个内端壁(41)，两个内端壁(41)之间的内侧壁(42)在第二方向上的截面积沿第一方向交替增大和减小变化；所述质量块(5)包括采用非磁性材料制备的线圈骨架(51)和固定于所述线圈骨架(51)上的线圈组件(52)。

2.如权利要求1所述的线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其特征在于，所述外壳(2)包括两端设有开口的壳体(21)和端盖(22)，所述端盖(22)固定于所述壳体(21)的两端开口处并形成密封。

3.如权利要求2所述的线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其特征在于，所述密封腔(1)内设有固定于所述壳体(21)上的横断板(8)，所述横断板(8)的侧面设有用于固定所述永磁体(6)的凹槽(81)。

4.如权利要求3所述的线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其特征在于，所述横断板(8)的两侧面分别设有磁化方向相同的永磁体(6)。

5.如权利要求3所述的线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其特征在于，所述横断板(8)沿第一方向设有横断板通孔(82)，所述永磁体(6)沿第一方向设有连通所述横断板通孔(82)的永磁体通孔(61)。

6.如权利要求3所述的线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其特征在于，所述线圈骨架(51)包括两个设有单开口的中空筒(501)，所述中空筒(501)的开口朝向所述横断板(8)的侧面；两个中空筒(501)通过贯穿所述横断板(8)的连接件(502)固定。

7.如权利要求6所述的线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其特征在于，所述中空筒(501)上设有与所述连接件(502)固定的定位块(503)。

8.如权利要求6所述的线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其特征在于，所述线圈组件(52)包括扁平线圈(521)和空心线圈(522)，所述扁平线圈(521)固定于所述中空筒(501)的外端面，所述空心线圈(522)套接于所述中空筒(501)的外侧面。

9.如权利要求8所述的线圈悬浮式磁性液体动能采集器，其特征在于，所述中空筒(501)的筒底沿第一方向开有中空筒通孔(505)，所述扁平线圈(521)上沿第一方向设有扁平线圈通孔(523)，所述扁平线圈通孔(523)和中空筒通孔(505)相连通。

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