一种弧形轨道永磁铁发电装置

1.所述发明涉及海洋波浪、人体运动等低频振动能的能量采集发电装置技术领域，尤其是针对存在低频摆动的振动能量形式。


背景技术：

2.目前随着5g时代的到来，无线传感器和便携式设备等微机电系统已经广泛应用于工业、农业、军事、航空航天、生物工程和环境监测等诸多领域。由于集成技术和先进工艺不断提高，设备所需的供电电压越来越低，功耗已经降低至mw甚至μw级别，而常规电池供电方式受到使用寿命短、环境污染、维护困难等因素限制，为此需要一种可持续、无需维护、绿色的能量供给方式来代替电池。振动能是环境中最为普遍的一种能量形式，其转化为电能的方式可分为静电式、压电式、磁致伸缩式和电磁式，其中电磁式振动能量采集方式依据于拉法第电磁感应定律，具有结构简单、输出电流大、稳定性好并且可以在恶劣的环境中进行作业等优点。
3.目前电磁振动能量采集装置主要是根据振动源的振动方向进行设计，其种类按照磁铁运动方向可分为水平径向运动、竖直轴向运动和水平轴向运动，但是对于类似海洋波浪能同时具有几种方向复合的振动形式，采集性能不高，适用性不明显。


技术实现要素：

4.本发明所需要解决的问题是，针对类似于波浪振动产生的摆动型振动，现有的依据永磁铁振子进行直线运动而设计的电磁振动能量采集器无法充分采集振动能量，存在转化功率效率低，供电能力不足等缺陷，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性，使用寿命短等不足。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.采用弧形轨道构造一种便于用于吸收复杂振动形式能量的永磁铁发电装置，该装置包括弧形轨道、非导磁侧板、带有线圈定位柱及圆弧轨道内槽的非导磁外壁、永磁铁、磁性液体、线圈架、感应线圈。
7.所述线圈定位柱与非导磁外壁是一个整体，线圈定位柱分布在永磁铁平衡位置时的圆心位置，且沿着永磁铁中心的滚动轨迹在非导磁外壁两侧分布。
8.所述线圈架厚度为0.5～1mm，保证感应线圈中磁通量的高变化率，通过线圈定位柱固定于非导磁外壁外侧。
9.所述感应线圈均匀多匝缠绕在线圈架中，且感应线圈外径大小与永磁铁直径大小相同。
10.所述弧形轨道可以将永磁铁的重力分量充当其往复运动的回复力，永磁铁与线圈的相对运动引起感应线圈内磁通量发生变化，产生感应电压。
11.所述磁性液体被吸附在永磁铁两端的磁极处，可以改善永磁铁的滚动摩擦条件。
12.本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
13.该电磁能量采集装置结构简单，不存在机械弹簧疲劳破坏，使用寿命长；磁性液体为永磁铁提供润滑条件，并且弧形轨道的设计使得该能量采集装置能够充分采集摆动型振动能量，提高能量转化效率；多组感应线圈的串联使感应电压增加，进一步提高输出功率。
附图说明
14.图1为本发明的三维结构示意图。
15.图2为采集装置沿永磁铁平衡位置的剖视图。
16.图3为采集装置沿非导磁外壁内侧的剖视图。
17.图中：非导磁弹性侧板1、圆弧轨道内槽2、非导磁外壁3、永磁铁4、磁性液体5、弧形轨道6、线圈定位柱7、线圈架8、线圈9。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明作进一步说明：
19.如图1至图3所示，本发明为一种弧形轨道永磁铁发电装置，包括：非导磁弹性侧板1、圆弧轨道内槽2、非导磁外壁3、永磁铁4、磁性液体5、弧形轨道6、线圈定位柱7、线圈架8、感应线圈9。弧形轨道6安装在两个非导磁外壁3内侧的圆弧轨道内槽2中，两端封上非导磁弹性侧板1，形成一个周向密闭的空间，将两端面吸附有磁性液体5的永磁铁4置于弧形轨道6中，作为整个装置的振子。线圈定位柱7分别布置在永磁铁5中心的滚动轨迹路径上，均匀多匝的感应线圈9缠绕在线圈架8中，通过线圈定位柱7固定在非导磁外壁3 上，两侧对称位置上的感应线圈8为一组。当外界环境存在摆动型的振动源时，例如海洋波浪振动能和人体跑步时手臂和腿产生的振动能等，此时永磁铁4会因外界的振动源激励在弧形轨道6内发生持续性往复运动引起非导磁外壁3外侧的感应线圈9内磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，感应线圈9产生感应电压，输出电能。
20.所述非导磁外壁3带有线圈定位柱7和圆弧轨道内槽2，其材料可以选择尼龙、树脂等，选择3d打印，加工简单快捷。
21.所述非导磁弹性侧板1是指其内侧附上一种弹性材料，可以选择橡胶，当外界振动源振幅过大时，非导磁弹性侧板1可以有效回弹永磁铁4，避免刚体碰撞，造成能量损失和机械破坏。
22.所述弧形轨道6材料可以选择树脂材料，其凹面一侧尽量光滑，以减少摩擦阻尼造成的能量损失。
23.所述感应线圈9的线径选择为0.15mm，6个线圈均为2000匝，线圈内径为18mm，外径与永磁铁4直径大小相近。
24.所述磁性液体5的基载液可以选择煤油基或机油基。
25.工况下，本装置会受到来自振动源的激励以及弧形轨道6和非导磁外壁2的摩擦阻尼和感应线圈9产生的电磁阻尼。


技术特征：
1.一种弧形轨道永磁铁发电装置，该装置包括非导磁弹性侧板(1)、圆弧轨道内槽(2)、非导磁外壁(3)、永磁铁(4)、磁性液体(5)、弧形轨道(6)、线圈定位柱(7)、线圈架(8)、感应线圈(9)；上述各部分的连接：弧形轨道(6)安装在两个非导磁外壁(3)内侧的圆弧轨道内槽(2)中，两端封上非导磁弹性侧板(1)，将吸附有磁性液体(5)的永磁铁(4)置于弧形轨道(6)中，缠绕有感应线圈(9)的线圈架(8)通过线圈定位柱(7)固定在非导磁外壁(3)外侧；其特征在于：该装置在外界振动源的激励下，尤其是摆动型振动源以及复合运动振动源，永磁铁(4)在弧形轨道(6)内依靠自身重力分立作为回复力进行往复运动，引起该装置两侧感应线圈(9)内磁通量发生变化，从而产生感应电压，并且由于磁性液体(5)的润滑特性，永磁铁(4)在滚动过程中的摩擦会进一步降低，提高能量转化效率。2.根据权利要求1所述的一种弧形轨道永磁铁发电装置，其特征在于弧形轨道(6)为圆弧状，永磁铁(4)通过重力分量提供自身谐振的回复力。3.根据权利要求1所述的一种弧形轨道永磁铁发电装置，其特征在于感应线圈(9)呈圆柱状，其端面外径与永磁体(4)直径大小相等，感应线圈(9)间采用串联方式。4.根据权利要求1所述的一种弧形轨道永磁铁发电装置，其特征在于在装置中加入了可以降低永磁铁(4)滚动摩擦的磁性液体(5)，且磁性液体(5)吸附于永磁铁(4)端面上，提高能量转化效率。

技术总结
本发明公开了一种弧形轨道永磁铁发电装置，包括非导磁弹性侧板、圆弧轨道内槽、非导磁外壁、永磁铁、磁性液体、弧形轨道、线圈定位柱、线圈架、感应线圈。弧形轨道安装在非导磁外壁的圆弧轨道内槽中，感应线圈缠绕在线圈架中固定于非导磁外壁外侧。在外界振动源的激励下，永磁铁在弧形轨道内滚动引起感应线圈内磁通量变化，产生感应电压。本发明结构简单，使用寿命长，能充分采集低频摆动型振动能。能充分采集低频摆动型振动能。能充分采集低频摆动型振动能。


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：2022/8/8