一种阵列式永磁铁能量采集装置

1.所述发明涉及振动能量采集领域，主要针对于摆动型振动源，例如波浪振动、人体运动腰间振动等。


背景技术：

2.海洋蕴含了无穷无尽的能量，目前通过海洋获得电能主要依靠建立大型发电站，将潮汐能等转化为电能。除潮汐能外，由于海洋上波浪的振动每时每刻都在发生，借助振动能量转化装置同样可以输出电能。当下对海洋的探索不断加深，所用各类传感器等小型机电设备所需功耗越来越低，传统化学电池供电方式在污染、寿命等方面的缺陷，严重限制了对海洋资源的开发与利用。那么依靠海洋环境能量获得电能，实现自供电的方式十分必要，因此本发明针对海洋波浪振动设计了一种阵列式永磁铁能量采集装置。依据电磁感应原理，改变线圈中的磁通量而产生电能，电磁式振动能量采集装置原理简单，能量转化效率高，能够很好地适应海洋波浪振动环境。
3.海浪振动情况十分复杂，是各种方向进行叠加的复合振动，因此目前大部分电磁式振动能量采集装置对波浪复合振动没有针对性，能量转化效率不高。


技术实现要素：

4.本发明所需要解决的问题是，针对波浪多方向叠加的复合振动出现的摆动能量，永磁铁振子进行水平或者竖直运动进行拾振的电磁振动能量采集器无法充分转化振动能量，存在输出电能低、能量损失大等缺陷。并且依靠弹簧等零件提供回复力的电磁采能装置其存在疲劳破坏，无法满足长寿命要求。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.利用阵列式永磁铁和v形滚动轨道设计了一种能够适应在摆动环境中高效采能的能量采集装置，该装置包括非导磁滚动盘、阵列永磁铁、v形滚动轨道、感应线圈、线圈架、非导磁侧壁，其中非导磁侧壁内侧开有轨道槽，外侧有均匀分布的线圈定位孔。
7.所述非导磁滚动盘两面开设有永磁铁阵列位置，对称位置的两个永磁铁磁极相反，互相吸引固定于盲孔内，同一面的相邻永磁铁磁极相反，形成磁通量的交替变化。
8.所述磁性液体作为一种润滑剂使用，可以被吸附于两侧永磁铁端面磁极处，且选择间隔分布在同一面的永磁铁端面上。
9.所述带有轨道槽及线圈定位孔的非导磁侧壁，其轨道槽用于放置弧形轨道并通过胶粘进行连接，其线圈定位孔相隔一定角度均匀分布在外侧，且分布位置在非导磁滚动盘的轨迹中心位置。
10.所述线圈架内缠绕均匀多匝线圈，线圈架与线圈定位柱通过螺钉进行固定，紧贴在非导磁侧壁外。
11.所述非导磁弹性端板内侧采用弹性材料，用于有效回弹振子，减少碰撞能量损失。
12.所述v形滚动轨道作为阵列式永磁铁振子往复运动区域，振子在波浪振动激励和
振子自身重力共同作用下，引起感应线圈内磁通量发生变化，产生感应电压进行存储和供电。
13.本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
14.该电磁式振动能量采集装置针对波浪等复合振动源产生的摆动型振动，使得能量采集效率提高，阵列永磁铁使感应线圈中的磁通量变化率增加，并且每个线圈中的电压进行叠加更加利于电能的存储和利用。
附图说明
15.图1为本发明的三维模型分解示意图。
16.图2为采集装置以左侧非导磁侧壁为剖面的纵向剖视图。
17.图3为采集装置以非导磁滚动盘中心平面为剖面的横向剖视图。
18.图中：非导磁弹性端板1、v形滚动轨道2、非导磁侧壁3、线圈定位孔4、线圈架5、感应线圈6、螺钉7、永磁铁8、非导磁滚动盘9、磁性液体10、轨道槽11。
具体实施方式
19.以下结合附图对本发明作进一步说明：
20.如图1至图3所示，本发明为一种阵列式永磁铁能量采集装置，包括：非导磁弹性端板1、v形滚动轨道2、非导磁侧壁3、线圈定位孔4、线圈架5、感应线圈6、螺钉7、永磁铁8、非导磁滚动盘9、磁性液体10、轨道槽11。永磁铁8阵列内置于带有定位盲孔的非导磁滚动盘9中作为整个装置的振子，依靠外界复合振动激励和自身重力，振子在两非导磁侧壁3内的v形滚动轨道2中进行往复运动。感应线圈6绕在线圈架5中通过螺钉7紧贴在非导磁外壁3外侧，振子的往复运动引起感应线圈6内磁通量的周期性变化，根据感应线圈 6产生感应电压的相位将其串联，使得最终的输出电压较单个感应线圈6的输出电压更大并且更均匀，减少了低电平电压的占比。
21.所述永磁铁8材料选择为稀土永磁材料钕铁硼，型号可选择n35、 n50，位置相对的两个永磁铁8磁极方向相反，通过磁吸引力固定在非导磁滚动盘9上的定位孔中，且非导磁滚动盘9同一侧的8块永磁铁8磁极交替相反，产生交变的磁场，使得感应线圈6可以获得较大的磁通量变化率。
22.所述磁性液体10选择煤油基，且间隔分布在同一侧的4个永磁铁8端面磁极处，作为振子的润滑剂，以减少摩擦损耗。
23.所述线圈定位孔4均匀分布在非导磁侧壁3外侧，且分布位置在非导磁滚动盘3的中心运动轨迹线上，两侧共6个线圈定位孔4。
24.所述非导磁侧壁3，可以选择尼龙、光敏树脂等材料进行3d打印，减少了其加工复杂性，。
25.所述感应线圈6均匀缠绕在线圈架5中，匝数为2500匝，线圈架5直径可根据阵列永磁铁8的位置和间距进行改变，另外可根据供电负载的电阻大小选择不同的线径的感应线圈6以得到不同的内阻，使供电功率最大化。
26.所述螺钉7用来将线圈架5紧贴在非导磁侧壁3外侧，其材料也为非导磁材料。


技术特征：
1.一种阵列式永磁铁能量采集装置，该装置包括非导磁弹性端板(1)、v形滚动轨道(2)、非导磁侧壁(3)、线圈定位孔(4)、线圈架(5)、感应线圈(6)、螺钉(7)、永磁铁(8)、非导磁滚动盘(9)、磁性液体(10)、轨道槽(11)；上述各部分的连接为，相邻永磁铁(8)外部端面磁极相反，并阵列于非导磁滚动盘(9)中，再置于v形滚动轨道(2)中，其中磁性液体(10)被吸附在永磁铁(8)的外端面磁极处，且间隔吸附，v形滚动轨道(2)安装在两侧非导磁侧壁(3)的轨道槽(11)内，两端非导磁弹性端板(1)通过螺栓与非导磁侧壁(3)固定，缠绕有感应线圈(6)的线圈架(5)利用线圈定位孔(4)及螺钉(7)固定在非导磁侧壁(3)外侧；其特征在于：该装置在波浪等摆动型振动激励下，阵列有永磁铁(8)的非导磁滚动盘(9)在v型滚动轨道(2)中进行往复运动，其中自身重力的分力充当振子的回复力，两侧感应线圈(6)与振子发生相对运动，磁通量不断改变，产生感应电压。2.根据权利要求1所述的一种阵列式永磁铁能量采集装置，其特征在于永磁铁(8)阵列在非导磁滚动盘(9)上周向分布，且相邻永磁铁(8)外端面磁极相反，形成周向交变磁场。3.根据权利要求1所述的一种阵列式永磁铁能量采集装置，其特征在于滚动轨道(2)截面呈v形，且底端为圆弧过度面，v形滚动轨道(2)的斜度ψ范围为5
°
～45
°
。4.根据权利要求1所述的一种阵列式永磁铁能量采集装置，其特征在于感应线圈(6)均匀分布在非导磁侧壁(3)外侧，且感应线圈(6)之间相互串联。5.根据权利要求1所述的一种阵列式永磁铁能量采集装置，间隔永磁铁(8)外端面吸附有磁性液体(10)，改善润滑条件。

技术总结
本发明公开了一种阵列式永磁铁能量采集装置，包括非导磁弹性端板、非导磁滚动盘、V形滚动轨道、带有轨道槽及线圈定位孔的非导磁侧壁、感应线圈、线圈架、磁性液体、永磁铁。其中V形滚动轨道安装在轨道槽内，永磁铁阵列于非导磁滚动盘中作为振子，缠绕有感应线圈的线圈架固定于非导磁侧壁外侧。振子因外界激励在V形滚动轨道内滚动引起感应线圈内磁通量发生变化，产生感应电压。本发明针对摆动型振动，能够大幅提高能量转化效率。大幅提高能量转化效率。大幅提高能量转化效率。


技术研发人员：王四棋 陈龙 朱海 袁芳 李德才
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2022.05.25
技术公布日：2022/8/5