一种永磁体和超磁致伸缩棒联合采能的振动能量回收装置

摘要

本发明涉及一种永磁体和超磁致伸缩棒联合采能的振动能量回收装置，包括管形外壳、上盖、下盖、柱形永磁体、拉簧、超磁致伸缩棒、设有外螺纹的伸缩棒护套、设有外螺纹的预紧螺盖和不使用线圈骨架的线圈；本发明的永磁体和超磁致伸缩棒可同时采集振动能量，永磁体在运动过程中的撞击力可产生更大应变，有利于产生更多位移，有效地增大了整个装置的能量密度，使装置输出更大电能，且能适应更多频率的振源；本发明采用弹簧‑质量块结构形式，无需安装在固定的两个零部件之间，只需固定在振动界面即可采集振源振动能量。

说明书

技术领域

本发明属于清洁绿色能源利用技术领域，涉及一种永磁体和超磁致伸缩棒联合采能的振动能量回收装置。

背景技术

振动是自然环境和人类生活中都普遍存在的现象，其中蕴含的振动能量几乎是一种无处不在的清洁能源。振动能较风能和太阳能无地域采集限制，较热能具有可观的能量转化效率，若采用适当的装置利用这些能源，对于人类缓解传统化石能源日益匮乏的压力具有重大意义。同时，振动能量会带来噪声污染和能源浪费，加速设备损耗，而利用振动能量回收装置在采集能量的同时还能为振动提供阻力，既提高了能源利用率，也减少了振动的不良影响。振动能量回收即指利用特定的振动能量回收系统将振动能源转化为可用能量的技术。而且依据能量转化方式的不同，振动能量回收可大致分为静电式、永磁式、压电式和磁致伸缩式四种，有时采用两者结合的组合形式。

电磁式（又称永磁式）振动能量回收装置在机电领域已经有广泛应用。该类型能量回收装置基于法拉第电磁感应定律，当外部振动引起采集线圈和永磁体之间相对移动时，导体内部磁通量变化而产生感应电动势。电磁式振动能量回收技术成熟，低频振动回收效果要优于压电式装置，且不同体积的电磁式结构可满足不同的功率驱动需求。然而总体来看，该类型能量回收装置的能量密度较低，使用效果并不理想。

磁致伸缩材料是一种智能磁性材料，在外界磁场作用下，该材料会发生形变，实现机械输出。磁致伸缩振动能量回收技术基于材料的逆磁致伸缩效应，即材料承受外力发生变形时，内部磁化强度发生变化，采用电导体如线圈检测该磁特性变化即可输出电动势。对比压电陶瓷材料及传统磁性材料Ni、Co，磁致伸缩材料具有室温下磁致伸缩应变大、能量密度大、响应速度快、负载能力强、输出力大、磁机耦合系数大、居里点温度高等性能优势，将超磁致伸缩材料用于能量回收，可实现振动能量回收系统的大功率输出和长时间稳定工作。

偏置磁场、预紧力等因素对材料的输出具有一定影响，由于对线圈和偏置磁场的需求，装置体积较大而整体能量密度较低，设计的合理的磁路以提高装置能量密度对提升装置实用性至关重要，单纯的电磁式能量回收装置也具有此问题。此外，棒式装置工作时需恰好夹在有相对位移的两个部件之间，必须发生相对形变才能回收能量，部分环境难以满足此安装条件。如何调整装置结构，充分利用偏置磁体和超磁致伸缩材料进行回收能量，且能适应任意振动环境十分重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种永磁体和超磁致伸缩棒联合采能的振动能量回收装置，它能克服当前电磁式及超磁致伸缩式能量回收装置的能量密度低、不能回收多种频率振源振动能量的缺陷，并能利用永磁体和超磁致伸缩棒联合采能，将高能量密度的振动能量回收，同时能适应任意频率振源。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种永磁体和超磁致伸缩棒联合采能的振动能量回收装置，包括管形外壳、上盖、下盖、柱形永磁体、拉簧、超磁致伸缩棒、设有外螺纹的伸缩棒护套、设有外螺纹的预紧螺盖和不使用线圈骨架的线圈；

在管形外壳的上下两端分别设有外螺纹，在上盖和下盖上分别设有内螺纹，上盖和下盖分别与管形外壳螺纹连接；在上盖和下盖上设有对称的线圈上卡槽和线圈下卡槽；线圈由上盖和下盖夹紧定位；

所述柱形永磁体通过拉簧吊挂在上盖底面的中心，且柱形永磁体位于线圈内；

在所述下盖的中心开有螺纹孔；所述伸缩棒护套与下盖螺纹连接；所述伸缩棒护套的下端部设有内螺纹，所述超磁致伸缩棒位于伸缩棒护套内，且由预紧螺盖定位；所述伸缩棒护套位于线圈内，所述永磁体处于静平衡位置时，永磁体与伸缩棒护套之间的间隙为3~10mm；

在上盖和下盖上分别设有上安装孔和下安装孔；

所述上盖、下盖、管形外壳和预紧螺盖的材质为高导磁材料；所述伸缩棒护套的材质为非磁性材料。

在管形外壳的周壁上均布有散热孔。

所述散热孔为4个长方形的通孔。

所述拉簧刚度不大于5×10⁶N/m；所述拉簧刚度与永磁体质量的比值为10³~10⁷>

施加在超磁致伸缩棒上的预紧应力为5~13Mpa。

本发明的有益效果为：本发明的永磁体和超磁致伸缩棒可同时采集振动能量，永磁体在运动过程中发生撞击，撞击力比传统稳定力可使超磁致伸缩棒产生更大应变，撞击后引起永磁体反弹，有利于产生更多位移，这有效地增大了整个装置的能量密度，可使装置输出更大电能，且能适应更多频率的振源；本发明采用弹簧-质量块结构形式，无需安装在固定的两个零部件之间，只需固定在振动界面即可采集振源振动能量；本发明能利用永磁体和超磁致伸缩棒联合采能，将高能量密度的振动能量回收，同时能适应任意频率振源。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中上端盖的仰视图；

图3为本发明中保护螺套的仰视图；

图4为本发明中下端盖的俯视图；

图5为本发明中预紧螺栓的仰视图。

在图1-5中，1—上盖；1-1—上安装孔；1-2—线圈上卡槽；2—拉簧；3—柱形永磁体；1—；5—管形外壳；5-1—散热孔；6—伸缩棒护套；6-1—伸缩棒护套改锥豁口；7—线圈；8—下盖；8-1—下安装孔；8-2—线圈下卡槽；8-3—螺纹孔；9—预紧螺盖；9-1—预紧螺盖改锥槽。

具体实施方式

由图1-5所示的实施例可知，它包括管形外壳5、上盖1、下盖8、柱形永磁体3、拉簧2、超磁致伸缩棒4、设有外螺纹的伸缩棒护套6、设有外螺纹的预紧螺盖9和不使用线圈骨架的线圈7；在伸缩棒护套6下方设有伸缩棒护套改锥豁口6-1，预紧螺盖9开设有预紧螺盖改锥槽9-1，均用于调整螺纹深度；

在管形外壳5的上下两端分别设有外螺纹，在上盖1和下盖8上分别设有内螺纹，上盖1和下盖8分别与管形外壳5螺纹连接；在上盖1和下盖8上设有对称的线圈上卡槽1-2和线圈下卡槽8-2；线圈7由上盖1和下盖8夹紧定位；

所述柱形永磁体3通过拉簧2吊挂在上盖1底面的中心，且柱形永磁体3位于线圈7内；

在所述下盖8的中心开有螺纹孔8-3；所述伸缩棒护套6与下盖8螺纹连接；所述伸缩棒护套6的下端部设有内螺纹，所述超磁致伸缩棒4位于伸缩棒护套6内，且由预紧螺盖9定位；所述伸缩棒护套6位于线圈7内，所述永磁体3处于静平衡位置时，永磁体3与伸缩棒护套6之间的间隙为3~10mm；

在上盖1和下盖8上设有上安装孔1-1和下安装孔8-1；

所述上盖1、下盖8、管形外壳5和预紧螺盖9的材质为高导磁材料；所述伸缩棒护套6的材质为非磁性材料。

在管形外壳5的周壁上均布有散热孔5-1。

所述散热孔5-1为4个长方形的通孔。

所述拉簧2刚度不大于5×10⁶N/m；所述拉簧2刚度与永磁体3质量的比值为10³~10⁷N/m•kg。

施加在超磁致伸缩棒4上的预紧应力为5~13Mpa。

本发明的在上盖1和下盖8上设有对称的线圈上卡槽1-2和线圈下卡槽8-2，用于固定线圈7的位置；管形外壳5的周壁上均布有4个长方形的通孔即散热孔5-1，还可以减轻整个装置质量，提升整个装置的能量转换密度，且利于线圈7散热，同时用于引出线圈7的线端；上盖1和柱形永磁体3之间通过拉簧2连接，拉簧2两端通过焊接和粘结分别固定在上盖1和柱形永磁体3上；下盖8的中心开有螺纹孔8-3，与伸缩棒护套6之间形成螺纹配合，通过调整该螺纹可调整永磁体3和超磁致伸缩棒4之间的轴向距离，可使二者之间的撞击效果达到最大；预紧螺盖9与伸缩棒护套6之间采用螺纹连接，调整该螺纹可调整超磁致伸缩棒4上的预紧力，使超磁致伸缩材料达到理想的输出效果；上盖1和下盖8上各开有4个上安装孔1-1和下安装孔8-1，使用时，既可以将上盖1固定在振源表面，也可将下盖8固定在振源表面。采用这种质量-弹簧系统，即使不固定在两个零部件之间，超磁致伸缩棒4也能接受撞击输出电能，提升了整个装置的安装适用性。振源振动时，永磁体3不断撞击伸缩棒护套6进而撞击超磁致伸缩棒4，因此线圈7可采集永磁体3移动和超磁致伸缩棒4变形两种形式产生的电能，且撞击会增大位移和变形，有利于回收更多振动能量，无论振源频率多大，撞击均会引发较大电能输出，因而装置可用于不同频率的振源。振动过程中，永磁体3有上行和下行位移，超磁致伸缩棒4有伸长和压缩变形，因而在线圈上产生的动生和感生电动势均为交流电。

本装置的工作原理是：振源发生振动时，上盖1、管形外壳5和下盖8随振源一体振动，预紧螺盖9、伸缩棒护套6和超磁致伸缩棒4也随振源振动，柱形永磁体3与线圈7之间发生相对平移，线圈切割永磁体磁力线输出动生电动势；同时，柱形永磁体3不断撞击伸缩棒护套6为超磁致伸缩棒4施加脉冲作用力，超磁致伸缩棒4发生变形导致内部磁感应强度变化，线圈7检测此变化并输出感生电动势。撞击同时加剧柱形永磁体3的上下平移，有利于提升能量回收效果。

柱形永磁体3为超磁致伸缩棒4提供偏置磁场，使超磁致伸缩棒4工作在高能量密度回收的位置，同时超磁致伸缩棒4输出的电能与振动能之间的线性关系更强。

由于超磁致伸缩材料较脆，伸缩棒护套6用于避免超磁致伸缩棒4和永磁体3的直接撞击，但同时应为大刚度的硬质材料，防止永磁体3位移和超磁致伸缩棒4上撞击力的过度衰减。

为提升回收电能利用率，能量回收装置除拉簧2部位外，其它位置应构成半闭合磁路，因而外部应采用高导磁材料；同时伸缩棒护套6不能采用高导磁材料，否则超磁致伸缩棒4的磁感应强度变化会被屏蔽而无法被线圈检测。

拉簧2的刚度与永磁体3的质量比值越小，共振频率越低，装置回收低频振动能效果越好，比值越大，共振频率越高，装置回收高频振动能效果越好，通过调整该比值可适应不同的振源环境，但拉簧2刚度不宜过大，否则永磁体3无法移动。由于对超磁致伸缩棒4的撞击也能回收振动能量，且撞击同时加剧永磁体3的移动，有利于提升能量回收效果，因而即使固定了刚度质量比值，低频和高频振源均能输出较大电能。

装置处于静平衡位置时，永磁体3处于静平衡位置时与伸缩棒护套6之间应留有适当间隙，间隙过大或过小均无法形成有力撞击，能量回收效率降低。

线圈7可采用一体缠绕的线圈，也可由多个短线圈串联形成，且所用线圈7不使用线圈骨架以提升振动能量采集效率。

合适的预紧力可增大超磁致伸缩棒4的磁机转化效率，通过调整预紧螺盖9与伸缩棒护套6之间的螺纹可调整该预紧力。

由于永磁体3为上下往复位移，超磁致伸缩棒4为伸长和缩短变形，整个装置输出电信号为交流电。

上盖1和管形外壳5之间、下盖8和管形外壳5之间分别通过螺纹连接，伸缩棒护套6和下盖8之间为螺纹连接，通过调整该处螺纹深度，可调整永磁体3和伸缩棒护套6之间的间隙，为保证碰撞强度且不影响永磁体3的位移，永磁体3处于静平衡位置时，此间隙应为3~10mm。

为提高能量回收效率，所用线圈7为无骨架长线圈，可以采用逐层人工绕制，也可由短的已成型线圈串联形成，线径较细时可输出较高电压，线径较粗时可输出快响应电流。上盖1和下盖8分别开有直径相等的线圈上卡槽1-2和线圈下卡槽8-2，用于固定线圈7的位置，为保证卡紧线圈，卡槽深度应不小于1cm。

为形成有效的半闭合磁路，应减小能量回收装置中其它部件的磁阻力，上盖1、管形外壳5、下盖8和预紧螺盖9均采用高导磁材料以减小磁路阻力，如硅钢或低碳钢。

伸缩棒护套6用于防止永磁体3和超磁致伸缩棒4的直接碰撞，对材料进行保护，采用不导磁的硬质材料制成，如硬质塑料聚氯乙烯或硬质铝合金，一方面防止磁场屏蔽，超磁致伸缩棒4的磁感应强度变化无法被检测，另一方面减小对永磁体3的振动衰减，使振动能得到高效利用。

拉簧2通过焊接方式固定在上盖1上，然后永磁体3通过粘结方式固定在拉簧2下方，不同刚度的拉簧2可获取不同的刚度质量比，进而得到不同的装置固有频率，可适应不同的振动环境。同时拉簧2的刚度不大于5×106N/m，刚度超过此值时，永磁体3位移幅值过小，装置输出电能较小。

调整预紧螺盖9和伸缩棒护套6之间的螺纹深度可更改施加上超磁致伸缩棒4上的预紧力，合理的预紧应力可提升超磁致伸缩材料的磁机转换效率，施加在超磁致伸缩棒4上的合理预紧应力取值范围为5~13MPa。

本发明用于高能量密度、多频率的新型能量回收装置；本发明的永磁体和超磁致伸缩棒可同时采集振动能量，永磁体在运动过程中发生撞击，撞击力比传统稳定力可使超磁致伸缩棒产生更大应变，撞击后引起永磁体反弹，有利于产生更多位移，这三点有效地增大了整个装置的能量密度，可使装置输出更大电能，且能适应更多频率的振源。装置采用弹簧-质量块结构形式，无需安装在固定的两个零部件之间，只需固定在振动界面即可采集振源振动能量。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施例的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。