CN117477888A - 一种基于电磁分流换能的振动能量收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁分流换能的振动能量收集系统，包括底座、中心轴、正刚度装置、负刚度装置、电磁分流换能装置和外接电路；所述底座上固定下箱体，下箱体的顶部设置上箱体；所述下箱体内安装有正刚度装置，正刚度装置的顶部与设于中心轴下端的连接板相连，中心轴的上端与负载相连；在上箱体内的中心轴上依次自下而上分别安装负刚度装置和电磁分流换能装置；所述外接电路包括通过电线串联的外接负电阻和外接电容，与环形线圈A的两端相连形成回路。本发明的有益效果为：采用电磁分流换能装置和混合磁式负刚度装置耦合的方式，实现了低频振动能量的收集能力；同时，采用负电阻电容串联电路，对电磁分流换能器产生的电压具有增益效果。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集技术，具体涉及一种基于电磁分流换能的振动能量收集系统。
背景技术
目前，大多数传感器网络节点仍使用电池供电，但电池供电在实际应用中存在许多问题：一方面，电池有限的寿命对分布广泛、数量巨大的传感器网络节点的电池更换或充电提出了巨大挑战；另一方面，化学电池不仅难以抵御极端高温、极端寒冷等恶劣环境，而且废旧电池不仅回收困难，泄漏的重金属还会给环境带来污染.从自然环境中收集能量是替代传统电池的理想解决方案。
振动能量被认为是一种可持续的清洁能源，且振动是一种常见的机械运动，如在人体运动、车辆、机械、甚至是大海的波浪中，对振动能量进行采集，转换为人类可用的能量有着广泛的前景。电磁分流换能器依靠磁铁和线圈的相对运动将振动能转化为电能，是一种高功率密度、高可靠性的振动能量收集方法。电磁分流换能器主要由磁体和感应线圈组成，其工作原理是基于法拉第电磁感应定律，在外界振动作用下，磁体和感应线圈之间发生相对运动导致感应线圈内部的磁通量发生改变，从而使线圈内产生电信号。根据运动部件的不同，现有电磁式振动能量收集设备可以分为线圈振动型、磁体振动型以及线圈-磁体同振型三类。磁体振动型是指能量收集器在受到外界振动激励时，感应线圈保持不动，而磁体相对于感应线圈运动；线圈振动型是指能量收集器在受到外界振动激励时，磁体保持不动，而感应线圈相对磁体运动；线圈-磁体同振型是指能量收集器在外界激励作用下，感应线圈和磁体都运动，但是感应线圈和磁体的运动状态不同步。目前大部分振动能量收集装置的响应频率范围集中在数十赫兹的振动能量进行采集，而且能量收集效率有待进一步提高。因此，对于频率常常低于10Hz的低频振动源，则需要一种能从这种低频环境中高效收集能量的装置。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种基于电磁分流换能的振动能量收集系统，旨在解决现有技术中存在的超低频振动能量高效收集问题。
本发明采用的技术方案为：一种振动能量收集系统，包括底座、中心轴、正刚度装置、负刚度装置、电磁分流换能装置和外接电路；
所述底座上固定下箱体，下箱体的顶部设置上箱体；所述下箱体内安装有正刚度装置，正刚度装置的顶部与设于中心轴下端的连接板相连，中心轴的上端穿出下箱体，并经上箱体的顶部穿出，与负载相连；
在上箱体内的中心轴上依次自下而上分别安装负刚度装置和电磁分流换能装置；
所述电磁分流换能装置包括同轴配置在中心轴上的环形线圈A和环形永磁体A，所述环形永磁体A位于环形线圈A的内部，环形永磁体A采用轴向充磁，环形永磁体A的上部为S极，环形永磁体A的下部为N极；
所述外接电路包括通过电线串联的外接负电阻和外接电容；所述外接电路的两端分别与环形线圈A的两端相连形成回路。
按上述方案，所述环形永磁体A上端和下端的中心轴上分别设置有固定环。
按上述方案，环形线圈A与对应的环形永磁体A之间的横向装配间隙为1.5～2.5mm，垂向最大行程为5mm。
按上述方案，所述正刚度装置为线性螺旋弹簧，线性螺旋弹簧与中心轴同轴配置；所述线性螺旋弹簧设于下箱体内，与下箱体的内底部压紧，线性螺旋弹簧的上端设于与连接板下表面的凹槽内。
按上述方案，所述负刚度装置包括自下而上装配在中心轴上的第一负刚度装置和第二负刚度装置；
所述第一负刚度装置包括环形线圈B和环形永磁体B，环形线圈B内通入电流；所述环形永磁体B位于环形线圈B的内部，环形永磁体B采用轴向充磁，环形永磁体B的上部为S极，环形永磁体B的下部为N极。
按上述方案，所述环形永磁体B上端和下端的中心轴上分别设置有固定环。
按上述方案，环形线圈B与环形永磁体B的磁化方向相反且轴向高度一致。
按上述方案，所述第二负刚度装置包括装配在中心轴上的内环形永磁体C，以及同轴配置在内环形永磁体C外部的外环形永磁体C，内环形永磁体C的上部为S极，内环形永磁体C的下部为N极；外环形永磁体C的上部为S极，外环形永磁体C的下部为N极；内外环形永磁体C的S极和N极采用同向磁化布置且轴向高度一致。
按上述方案，所述振动能量收集系统还设有直线轴承导向装置，直线轴承导向装置为装配在中心轴上的第一直线轴承和第二直线轴承，其中第一直线轴承设于上箱体内，且位于第一负刚度装置与所述线性螺旋弹簧；所述第二直线轴承设于所述第二负刚度装置上部的中心轴上，且第二直线轴承位于上箱体内。
按上述方案，所述上箱体包括自上而上依次首尾相连的第四壳体、第一壳体、第三壳体和第二壳体，所述电磁分流换能装置安装于第一壳体内；所述第一负刚度装置安装于第二壳体内；所述第二负刚度装置安装于第三壳体内；所述第二直线轴承设于第四壳体内；中心轴的上端穿过第四壳体，与负载相连。
本发明的有益效果为：本发明系统具有低频振动能量的收集能力，采用电磁分流换能装置和混合磁式负刚度装置耦合的方式，实现了低频振动能量的收集能力；同时，本发明采用运算放大器虚短虚断原理设计的负电阻电容串联电路，其中负电阻可以有效抵消电路中的电阻值，进一步提高电路中的电流值，同时对电磁分流换能器产生的电压具有增益效果，进一步提高了装置的能量收集能力。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的整体结构示意图。
图2为本实施例的内部结构示意图一。
图3为本实施例的内部结构示意图二。
图4为本实施例的内部结构示意图二。
图5为本实施例中电磁分流换能装置的原理示意图。
图6为本实施例中负电阻设计原理示意图。
其中：1、负载；2、中心轴；3、第四壳体；4、第一壳体；5、第三壳体；6、第二壳体；7、下箱体；8、底座；9、电磁分流换能装置；9.1、环形线圈A；9.2、环形永磁体A的S极；9.3、环形永磁体A的N极；10、第二负刚度装置；10.1、内环形永磁体C；10.2、外环形永磁体C；11、第一负刚度装置；11.1、环形线圈B；11.2、环形永磁体B的S极；11.3、环形永磁体B的N极；12、线性螺旋弹簧；13、直线轴承导向装置；14、固定环；15、外接电容；16、电磁分流换能装置等效模型；17、支撑座；18、外接负电阻；19、运算放大器19。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1～图3所示的一种振动能量收集系统，具体为一种基于电磁分流换能的振动能量收集系统，包括底座8、中心轴2、正刚度装置、负刚度装置、电磁分流换能装置9和外接电路；
所述底座8上固定下箱体7，下箱体7的顶部设置上箱体；所述下箱体7内安装有正刚度装置，正刚度装置的顶部与设于中心轴2下端的连接板相连，中心轴2的上端穿出下箱体7，并经上箱体的顶部穿出，与负载1相连；
在上箱体内的中心轴2上依次自下而上分别安装负刚度装置和电磁分流换能装置9；
所述电磁分流换能装置9包括同轴配置在中心轴2上的环形线圈A9.1和环形永磁体A，所述环形永磁体A位于环形线圈A的内部，环形永磁体A采用轴向充磁，环形永磁体A的上部为S极9.2，环形永磁体A的下部为N极9.3。
所述外接电路包括通过电线串联的外接负电阻18和外接电容15；所述外接电路的两端分别与环形线圈A9.1的两端相连形成回路。
本发明中，所述环形线圈A9.1由漆包线绕制而成；环形线圈A9.1与上箱体的第一壳体4内壁固定相连。所述环形永磁体A上端和下端的中心轴2上分别设置有固定环14，用于对环形永磁体A进行限位，环形永磁体A随着中心轴2做轴向运动。
本发明中，环形线圈A9.1与对应的环形永磁体A之间的横向装配间隙为1.5～2.5mm，垂向最大行程为5mm。
本发明中，外接负电阻18、外接电容15、环形线圈A9.1通过电线串联形成回路；所述外接电路中采用运算放大器19设计的负电阻，采用串联方式，可实现电压增益效果，进一步提高振动能量收集能力；外接电路中电容对电磁分流换能装置转换的电能进行收集存储。
优选地，所述正刚度装置为线性螺旋弹簧12，线性螺旋弹簧12与中心轴2同轴配置；所述线性螺旋弹簧12设于下箱体7内(与下箱体7的内底部压紧)，线性螺旋弹簧12的上端设于与连接板下表面的凹槽内。
本发明中，所述线性螺旋弹簧12具有一定的预压量。
优选地，所述负刚度装置为混合磁式负刚度装置，包括自下而上装配在中心轴2上的第一负刚度装置11和第二负刚度装置10；
所述第一负刚度装置11包括同轴装配在中心轴2上的环形线圈B11.1和环形永磁体B，环形线圈B11.1内通入电流；所述环形永磁体B位于环形线圈B的内部，环形永磁体B采用轴向充磁，环形永磁体B的上部为S极11.2，环形永磁体B的下部为N极11.3；
本发明中，所述环形线圈B11.1由漆包线绕制而成；环形线圈B11.1与上箱体的第二壳体6内壁固定相连。所述环形永磁体B上端和下端的中心轴2上分别设置有固定环14，用于对环形永磁体B进行限位，环形永磁体B随着中心轴2做轴向运动。
本发明中，环形线圈B11.1与对应的环形永磁体B之间的横向装配间隙为2mm，垂向最大行程为5mm。
本发明中，环形线圈B11.1与环形永磁体B的磁化方向相反且轴向高度一致，可提高较大的磁作用力；所述环形线圈B11.1为铜线圈，输入电流限制在1.5A以下，可有效解决线圈的发热问题。
优选地，所述第二负刚度装置10包括装配在中心轴2上的内环形永磁体C10.1，以及同轴配置在内环形永磁体C10.1外部的外环形用磁体C10.2，内环形永磁体C10.1的上部为S极，内环形永磁体C10.1的下部为N极；外环形永磁体C10.2的上部为S极，外环形永磁体C10.2的下部为N极。
本发明中，内外环形永磁体C设于上箱体的第三壳体5内，内外环形永磁体C轴向充磁，内外环形永磁体C的S极和N极采用同向磁化布置且轴向高度一致，可提供足够大的磁作用力。
优选地，内外环形永磁体C的横向装配间隙为3mm；轴向高度为20mm；垂向最大行程为5mm。
本发明中，所述内环形永磁体C10.1上端和下端的中心轴2上各设有一个固定环14，用于对内环形永磁体C10.1进行限位，环形永磁体C可随中心轴2轴向移动。
优选地，所述振动能量收集系统还设有直线轴承导向装置13，直线轴承导向装置13为装配在中心轴2上的第一直线轴承和第二直线轴承，其中第一直线轴承设于上箱体内，且位于第一负刚度装置11与所述线性螺旋弹簧12；所述第二直线轴承设于所述第二负刚度装置10上部的中心轴2上，且第二直线轴承位于上箱体内(具体为上箱体的第四壳体3内)。
本发明中，所述直线轴承导向装置13可保证下箱体7、上箱体和中心轴2的同轴度，确保了垂向运动的稳定性，减少能量收集装置摩擦阻尼。
本发明中，直线轴承选用铝制外壳四氟乙烯树脂内衬的滑动轴承,以避免普通钢制滚珠直线轴承会影响磁场；环形永磁体均采用稀土永磁材料制作；中心轴2、固定环14、螺栓等部件及结构均采用非导磁性或弱导磁性的材料制作，如304不锈钢。
本发明中，所述上箱体包括自上而上依次首尾相连的第四壳体3、第一壳体4、第三壳体5和第二壳体6，所述电磁分流换能装置9安装于第一壳体4内；所述第一负刚度装置1111安装于第二壳体6内；所述第二负刚度装置10安装于第三壳体5内；所述第二直线轴承设于第四壳体3内；中心轴2的上端穿过第四壳体3，与负载1相连。
本发明中，上下相邻的两个壳体之间压紧，并通过周向设置的螺栓连接固定。
图5显示了电磁分流换能装置9的工作原理，电磁分流换能装置9放置在支撑座17上，电磁分流换能装置等效模型16如图5所示，Magnet为电磁分流换能装置9的环形永磁体A15.1，Coil为电磁分流换能装置9的环形线圈A15.2，k为正刚度装置6的刚度。作为上下层之间的粘性耗散元件，电磁分流换能装置9可以是线性的或旋转的，具有运动传递特性。在在由质量m、刚度k和阻尼c组成的单自由度振动系统中，当系统受到激励力fe作用时，环形永磁体A和环形线圈A9.1之间产生相对运动，将在电磁分流换能装置9内部产生与相对速度成正比的感应电动势VESD为：
式中，Ce是电磁分流换能装置9的电磁常数，单位是V/(m/s)；表示环形永磁体A和环形线圈A9.1之间的相对速度，(单位为m/s)。同时，电磁分流换能装置9中的电流将产生与其成正比的电磁作用力FESD为：
FESD＝CdIe (2)，
式中，Cd是电磁分流换能装置9的电磁耦合系数，单位是N/A，在没有能量损失的理想情况下，Cd＝Ce；Ie为感应电流，单位为A。
图3显示了与外接电阻Re和外接电容C串联的电磁分流换能装置等效电路16，根据基尔霍夫第二定律，建立等效电路表达式如下
式中，R＝Ri+Re，Ri和Li分别是电磁分流换能装置9内部的电阻和电感，单位分别为Ω和H；Ie为感应电流，单位为A；dt为时间微分。同时，当电感Li远小于总电阻R时，由公式(1)和(3)可得
这意味着电磁分流换能装置9不仅可以将振动能量转化为电能进行收集，还将在振动系统中产生系数为的理想粘性阻尼。
电磁线圈可以看成为等效为串联的电感和电阻，使用负电阻电路来减小线圈的内阻抗，从而减小整个电路的阻抗值，增大了控制电流，同时具有电压增益效果。图4显示了基于运算放大器19构建的外接负电阻18Re，依据运算放大器19的虚短和虚断原理，图中运算放大器19的同相输入端电压Ut和反相输入端电压Uf为：
式中，Uout为运算放大器19输出端电压(单位为V)，Uin为电磁换能装置内部产生的电压(单位为V)，R1和R2为运算放大器19同相输入端外接电阻值。
另外，运算放大器19的同相输入端外接电阻Rs两端的电势差为：
Uin-Uout＝Uf-Uout＝iRs (6)，
式中，i为电磁换能装置内部产生的电流，单位为A。
通过式(11)和(12)可得基于运算放大器19构建的负电阻Re表达式为：
而且，基于运算放大器19构建负电阻的电压增益公式为：
另外，根据叠加定理，轴向充磁的环形永磁铁A可以等效为在圆柱永磁铁内叠加一个反向充磁的圆柱永磁铁。轴向充磁的环形磁铁A可以等效为位于内外环面的两个薄螺线管，两个螺线管中的电流大小相等方向相反，分别得到：
式中，μ0为真空中的磁导率，单位为H/m；Iin为内部等效螺线管电流值，单位为A；Iout为外部等效螺线管电流值，单位为A；h为等效螺线管轴向高度，单位为m；Neq为等效螺线管的等效匝数；J为等效极化强度，单位为T。
毕奥-萨伐尔定律描述电流元在空间任意点处所激发的磁场为：
其中，I是源电流，单位为A；dl是源电流的微小线元素；r是电流元到激发磁场点的距离，单位为m；er为电流元指向激发磁场点的单位向量；B为磁感应强度，单位为T；μ0是真空中的磁导率，单位为H/m。
载流环上的电流元Idl所受到的来自另一载流环的作用力dF为：
dF＝Idl×B (12)，对上式积分即可得到两个载流环之间的相互作用力F为：
F＝∫ldF (13)，
由于两个载流环同心，根据对称性可知电磁力沿轴向。因为积分复杂，很难求解析解，同样用椭圆积分表示可得：
式中，I1为第一载流环的电流值，单位为A；I2为第二载流环的电流值，单位为A；r1为第一载流环的半径，单位为m；r2为第二载流环的半径，单位为m；z为两个载流环之间的垂直距离，单位为m；k则为K(k)和E(k)分别是以k为模数的第一、第二类完整椭圆积分。
两个载流环之间相互作用力的方向是由励磁电流的方向决定的，根据安培定则，当两载流环内电流方向相同时，电磁力表现为相互吸引，反之则互斥。至此，两个载流环之间的电磁力已经确定，将载流环之间的力叠加即可以求解通电线圈或螺线管之间的电磁力。结合轴向充磁永磁铁和螺线管的等效关系，也可以叠加得到线圈和磁铁之间的电磁力。
本发明的工作原理为：系统施加负载1后，中心轴2向下移动，使得第一负刚度装置11中的环形永磁体B与环形线圈B11.1轴向重合，第二负刚度装置10中的内环形永磁体C10.1与外环形永磁体C10.2轴向重合；同时，由线性螺旋弹簧12独立支撑负载1，从而产生一定预压量；当负载1产生外部激励力时，中心轴2做轴向往复运动，在线性螺旋弹簧12、第一负刚度装置11和第二负刚度装置10的共同作用下，使得系统具有准零固有频率，从实现低频隔振能力；同时，电磁分流换能装置9中的环形永磁体A在环形线圈A9.1内部做垂向往复运动，在环形线圈A9.1闭合回路中产生感应电动势，通过外接负电阻18电路中的电容收集能量。
本发明采用混合磁式负刚度装置与电磁分流换能装置9耦合的方式，实现了低频振动能量的收集，并采用运算放大器19设计的负电阻，具备电压增益效果，进一步提高了能量收集能力。混合式电磁负刚度装置包括一个第一负刚度装置11和一个第二负刚度装置10，不仅能够提供足够大的磁作用力，而且可以通过电流调控磁作用力；磁力与相对位移方向相同，使其远离平衡位置，也就是说设计的电磁耦合结构产生了负刚度。另外，电磁分流换能装置9，内部的环形永磁体A随着中心轴2做垂向往复运动，在外接回路中产生与相对速度成正比的感应电动势，将振动能量转化为电能，并采用电容负电阻串联电路，对电能进行放大和收集。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于电磁分流换能的振动能量收集系统，其特征在于，包括底座、中心轴、正刚度装置、负刚度装置、电磁分流换能装置和外接电路；
所述底座上固定下箱体，下箱体的顶部设置上箱体；所述下箱体内安装有正刚度装置，正刚度装置的顶部与设于中心轴下端的连接板相连，中心轴的上端穿出下箱体，并经上箱体的顶部穿出，与负载相连；
在上箱体内的中心轴上依次自下而上分别安装负刚度装置和电磁分流换能装置；
所述电磁分流换能装置包括同轴配置在中心轴上的环形线圈A和环形永磁体A，所述环形永磁体A位于环形线圈A的内部，环形永磁体A采用轴向充磁，环形永磁体A的上部为S极，环形永磁体A的下部为N极；
所述外接电路包括通过电线串联的外接负电阻和外接电容；所述外接电路的两端分别与环形线圈A的两端相连形成回路。
2.如权利要求1所述的振动能量收集系统，其特征在于，所述环形永磁体A上端和下端的中心轴上分别设置有固定环。
3.如权利要求1所述的振动能量收集系统，其特征在于，环形线圈A与对应的环形永磁体A之间的横向装配间隙为1.5～2.5mm，垂向最大行程为5mm。
4.如权利要求1所述的振动能量收集系统，其特征在于，所述正刚度装置为线性螺旋弹簧，线性螺旋弹簧与中心轴同轴配置；所述线性螺旋弹簧设于下箱体内，与下箱体的内底部压紧，线性螺旋弹簧的上端设于与连接板下表面的凹槽内。
5.如权利要求1所述的振动能量收集系统，其特征在于，所述负刚度装置包括自下而上装配在中心轴上的第一负刚度装置和第二负刚度装置；
所述第一负刚度装置包括环形线圈B和环形永磁体B，环形线圈B内通入电流；所述环形永磁体B位于环形线圈B的内部，环形永磁体B采用轴向充磁，环形永磁体B的上部为S极，环形永磁体B的下部为N极。
6.如权利要求5所述的振动能量收集系统，其特征在于，所述环形永磁体B上端和下端的中心轴上分别设置有固定环。
7.如权利要求6所述的振动能量收集系统，其特征在于，环形线圈B与环形永磁体B的磁化方向相反且轴向高度一致。
8.如权利要求3所述的振动能量收集系统，其特征在于，所述第二负刚度装置包括装配在中心轴上的内环形永磁体C，以及同轴配置在内环形永磁体C外部的外环形永磁体C，内环形永磁体C的上部为S极，内环形永磁体C的下部为N极；外环形永磁体C的上部为S极，外环形永磁体C的下部为N极；内外环形永磁体C的S极和N极采用同向磁化布置且轴向高度一致。
9.如权利要求5所述的振动能量收集系统，其特征在于，所述振动能量收集系统还设有直线轴承导向装置，直线轴承导向装置为装配在中心轴上的第一直线轴承和第二直线轴承，其中第一直线轴承设于上箱体内，且位于第一负刚度装置与所述线性螺旋弹簧；所述第二直线轴承设于所述第二负刚度装置上部的中心轴上，且第二直线轴承位于上箱体内。
10.如权利要求9所述的振动能量收集系统，其特征在于，所述上箱体包括自上而上依次首尾相连的第四壳体、第一壳体、第三壳体和第二壳体，所述电磁分流换能装置安装于第一壳体内；所述第一负刚度装置安装于第二壳体内；所述第二负刚度装置安装于第三壳体内；所述第二直线轴承设于第四壳体内；中心轴的上端穿过第四壳体，与负载相连。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311437496.4A CN117477888A (zh) | 2023-10-30 | 2023-10-30 | 一种基于电磁分流换能的振动能量收集系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311437496.4A CN117477888A (zh) | 2023-10-30 | 2023-10-30 | 一种基于电磁分流换能的振动能量收集系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117477888A true CN117477888A (zh) | 2024-01-30 |
Family
ID=89626958
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311437496.4A Pending CN117477888A (zh) | 2023-10-30 | 2023-10-30 | 一种基于电磁分流换能的振动能量收集系统 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117477888A (zh) |
-
2023
- 2023-10-30 CN CN202311437496.4A patent/CN117477888A/zh active Pending
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