CN108900060A - 磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其包括定子和动子。其中，定子包括：封装管，封装管为上下两端开口的圆柱形；上端盖和下端盖，上端盖设置在封装管的上端口，用以封闭上端口，以及下端盖设置在封装管的下端口，用以封闭下端口；第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧设置在封装管内，并且第一弹簧固定在上端盖上，第二弹簧固定在下端盖上；线圈，线圈缠绕在封装管外侧，并且由导电材料制备。动子包括：磁体，磁体由磁性材料制备，磁体设置在封装管内，并且位于第一弹簧和第二弹簧之间，磁体能够在封装管内上下运动。

Description

磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器

技术领域

本公开涉及一种磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器。

背景技术

高频振动总伴随在工程实践中，例如，车轮在钢轨上高速滚动时，车轮和钢轨会产生高频振动；机械加工时机床和加工工件会产生高频振动；液压系统工作时，液压泵、电动机甚至油液也会产生机械振动和流体振动等高频振动。我们可以对这部分振动能量进行回收利用。振动能量的回收利用实现途径主要有压电式、电磁式和静电式三种装置。其中，基于电磁式能量回收的原理为通过导体在磁场中的振动切割磁感线，进而产生感应电流，将振动的能量转化为电能。然而，目前基于电磁式能量回收的装置结构复杂，成本较高。

磁流体或磁性流体，是一种由0.1–500nm的导磁材料、分散剂和载体融合而成的胶体，因其具有许多特殊的功能，被广泛应用于环保、机械、医疗、化工、电子、印刷等行业。磁流体具有特殊的磁化特性，当外加磁场作用时，磁流体表现出磁性，磁化强度随外加磁场的增加而增加；撤去外磁场后，磁流体中的磁性粒子很快呈现无规则分布，即在无外加磁场时，磁流体本身不显磁性。磁流体在外加磁场下，将流向磁场强度高的地方。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其包括定子和动子。其中，定子包括：封装管，封装管为上下两端开口的圆柱形；上端盖和下端盖，上端盖设置在封装管的上端口，用以封闭上端口，以及下端盖设置在封装管的下端口，用以封闭下端口；第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧设置在封装管内，并且第一弹簧固定在上端盖上，第二弹簧固定在下端盖上；线圈，线圈缠绕在封装管外侧，并且由导电材料制备。动子包括：磁体，磁体由磁性材料制备，磁体设置在封装管内，并且位于第一弹簧和第二弹簧之间，磁体能够在封装管内上下运动，在上下运动的过程中能够与第一弹簧和第二弹簧相接触并压缩第一弹簧和第二弹簧。

根据本公开的至少一个实施方式，封装管的内侧壁和动子之间填充有磁流体，以避免动子与封装管的内侧壁的直接接触，磁流体用于减小动子在上下运动过程中与封装管的内侧壁之间的摩擦。

根据本公开的至少一个实施方式，封装管为碳纤维管。

根据本公开的至少一个实施方式，第一弹簧和第二弹簧为波形弹簧、环形弹簧、宝塔弹簧或碟形弹簧。

根据本公开的至少一个实施方式，动子与第一弹簧和第二弹簧之间有空隙，使得动子的上下运动位移增大。

根据本公开的至少一个实施方式，磁体为永磁体，永磁体由钐钴永磁体材料或钕铁硼永磁体材料制备。

根据本公开的至少一个实施方式，动子还包括铁块，铁块为两块，分别固定连接在磁体的上下两端，使得铁块和磁体能够作为一个整体在封装管内上下运动。

根据本公开的至少一个实施方式，磁体和铁块中心形成有通孔，使得动子上下两端的空间连通；或者动子还包括空心管，磁体和铁块中心形成有通孔，空心管设置在通孔内，与磁体和铁块固定连接，使得动子上下两端的空间连通。

根据本公开的至少一个实施方式，通过改变第一弹簧和第二弹簧的刚度、动子的质量，使得磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器的固有频率与外部振源的频率相等。

根据本公开的至少一个实施方式，线圈中产生的电流为交变电流。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开至少一个实施方式的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器的结构示意图。

图2是根据本公开至少一个实施方式的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器上下运动示意图。

图3是根据本公开至少一个实施方式的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器的动子的磁场示意图。

图4是根据本公开至少一个实施方式的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器的环形磁铁磁场分布图。

图5是根据本公开至少一个实施方式的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器切割磁感线数量最多的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其包括定子和动子两大部分。如图1所示，定子包括：封装管3，封装管3为上下两端开口的圆柱形；上端盖1和下端盖10，上端盖1设置在封装管3的上端口，用以封闭上端口，以及下端盖10设置在封装管3的下端口，用以封闭下端口；第一弹簧2和第二弹簧9，第一弹簧2和第二弹簧9设置在封装管3内，并且第一弹簧2固定在上端盖1上，第二弹簧9固定在下端盖10上；线圈4，线圈4缠绕在封装管3外侧，并且由导电材料制备，用于在运动的磁场中产生感应电流。动子包括：磁体8，磁体8由磁性材料制备，磁体8设置在封装管3内，并且位于第一弹簧2和第二弹簧9之间，磁体8能够在封装管3内上下运动，在上下运动的过程中能够与第一弹簧2和第二弹簧9相接触并压缩第一弹簧2和第二弹簧9。

当将该俘能器固定在高频振动源，例如工作中的液压泵上时，高频振动源的振动传递到该装置，封装管3内的动子被迫沿着封装管3上下振动。如图2所示，当动子运动到一定位置时会压缩第一弹簧2或第二弹簧9。继而又受到弹簧施加的反作用力促使其继续反方向运动。故而，被固定在两个端盖上的弹簧能够实现动子的动能和弹性势能的相互转换，延长振动时间。如果没有弹簧，动子每次获得的动能会由于碰撞端盖而损失掉；而如果设置了弹簧，就可以将动能传递给弹簧，弹簧再传递给动子。动子的上下振动使得其与封装管3之间形成了相对运动，从而产生了一个变化的磁场。由电磁感应定律可知，闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，在导体上就会产生感应电流。动子与封装管3的相对运动而形成了一个变化的磁场，因此固定在封装管3外的线圈4在变化的磁场下产生了感应电流。这就是俘能器将高频振动的能量转化为电能的原理。利用俘能器产生的电流可为需要持续供电的微功率电子产品及微小型远程传感检测元件供电，解决了传感器元器件需要电源的问题，实现了自给自足，便于实现无线传感网络。

根据本公开的另一个实施方式，封装管的内侧壁和动子之间填充有磁流体5，以避免动子与封装管3的内侧壁的直接接触，磁流体5用于减小动子在上下运动过程中与封装管3的内侧壁之间的摩擦。

填充在封装管3和动子间隙的磁流体5会在磁场的作用下，流向并固定在磁场强度高的地方，如图1所示位置。磁流体5与动子贴合并在接触表面有力的相互作用。由于设计的对称性，动子的侧面受到磁流体5的力大小相同，动子和封装管3保持同轴位置。如果动子偏离中心轴线，那么窄侧的磁流体5的作用力会增加，而相对的另一侧的力则减小，进而动子将被推回中心轴线，始终和封装管3保持同轴，这就是磁流体5使动子浮在封装管3中心的原因。

封装管3和动子间隙里的磁流体5作为润滑介质，在磁场作用下，流向并固定在磁场强度高的地方，将封装管3和动子隔离开，使得动子的运行质量得到提高，降低了因摩擦引起的能量消耗，大大提高了系统的能量回收效率。

本公开可以选用碳纤维管作为封装管3。另外，本公开选用高刚度的弹簧作为第一弹簧2和第二弹簧9，例如波形弹簧、环形弹簧、宝塔弹簧或碟形弹簧等。

弹簧的固有频率计算公式如下式：

其中，A为频率，K为弹簧的刚度系数，m为弹簧承受载荷的质量。

由(1)式知，K越大，A越大，故高强度弹簧能实现高频振动。此外，上述所列的弹簧都具有体积小、占用空间少、受力对称，很小的变形即能承受较大的载荷等优点，非常适合本公开设计的俘能器轴向空间较小的情况，可使俘能器整体结构紧凑。

根据本公开的又一个实施方式，动子与第一弹簧2和第二弹簧9之间有空隙，从而形成了间隙振动。这段间隙一定程度上增加了动子的运动位移，进而克服了高刚度弹簧变形小的缺点。运动位移的增加使得振幅增加，从而提高了动子的功率，这种设计大大提高了俘能器的能量回收效率。

根据本公开的又一个实施方式，磁体8为永磁体，永磁体由钐钴永磁体材料或钕铁硼永磁体材料制备。选用永磁体的原因是其在开路状态下也能长期保留较高的剩磁，不易磁化也不易失磁。动子还可以包括两块铁块6，分别固定连接在磁体8的上下两端，使得铁块6和磁体8能够作为一个整体在封装管内上下运动。铁块6的作用在于改善磁场方向，且作为导体与永磁体构成闭合磁路，如图3所示。

永磁体8和磁铁6形成的永磁场始终不变，所以磁流体5也将始终悬浮于指定位置上，润滑状态稳定，从而形成连续的润滑，消除了磨损，提高了俘能器能量回收的效率。

为回收获得尽可能多的能量，减少动子和定子之间的空气阻力损失是很重要的一个方面。为解决这一方面的损失，本公开做了如下设计：磁体8和铁块6中心形成有通孔，使得动子上下两端的空间连通；或者动子还包括空心管7，磁体8和铁块6中心形成有通孔，空心管7设置在通孔内，与磁体8和铁块6固定连接，使得动子上下两端的空间连通。采用这样的设计，可以连通动子上下两侧的空腔，允许两侧空腔内的空气在动子振动时可以顺畅地流动，从而减小了空气阻力。

当动子的固有频率与振动源(例如，液压泵)的振动频率相等时，动子会发生共振，在很小的周期振动中产生很大的能量。此时，动子称为谐振动子。根据公式(1)可知，通过改变第一弹簧2和第二弹簧9的刚度K、动子的质量m，可以使得磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器的固有频率与外部振源的频率相等。

如图4所示为环形永磁体的磁场分布图，由图4可以看出，越远离永磁体，磁感线越稀疏，磁场强度越弱，越靠近永磁体，磁感线越密集，磁场强度越强。当铁块6和线圈4位置一一对应时，谐振动子处于平衡状态，线圈4切割磁感线数量最少。当线圈4和永磁体8相对应时，线圈4切割磁感线数量最多，如图5所示。谐振动子速度最大时，通过线圈4的磁通量变化率最大，在线圈4匝数一定的情况下，产生的感应电动势达到最大；随着谐振动子逐渐靠近平衡位置，穿过闭合电路的磁通量变少，产生的感应电动势减小。同时，谐振动子偏离平衡位置的方向不同，产生感应电动势的方向也不同，产生的感应电流方向也不同，如图3所示，故此俘能器会产生一个交变电流。

综上所述，通过将高频振动能转化为线圈的感应电流，可实现高频振动的能量回收。本公开的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器结构简单，成本低，适用范围广，可灵活吸收高频振动能量，且输出功率大。充分利用了高频振动产生的能量，这份能量可为监测传感元器件提供持续的电力，解决了传感器元器件需要电源的问题，实现了自给自足，便于实现无线传感网络。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，所述磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器包括定子和动子，其中

所述定子包括：

封装管，所述封装管为上下两端开口的圆柱形；

上端盖和下端盖，所述上端盖设置在所述封装管的上端口，用以封闭所述上端口，以及所述下端盖设置在所述封装管的下端口，用以封闭所述下端口；

第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧和所述第二弹簧设置在所述封装管内，并且所述第一弹簧固定在所述上端盖上，所述第二弹簧固定在所述下端盖上；

线圈，所述线圈缠绕在所述封装管外侧，并且由导电材料制备；以及

所述动子包括：

磁体，所述磁体由磁性材料制备，所述磁体设置在所述封装管内，并且位于所述第一弹簧和所述第二弹簧之间，所述磁体能够在所述封装管内上下运动，在上下运动的过程中能够与所述第一弹簧和所述第二弹簧相接触并压缩所述第一弹簧和所述第二弹簧。

2.根据权利要求1所述的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，所述封装管的内侧壁和所述动子之间填充有磁流体，以避免所述动子与所述封装管的内侧壁的直接接触，所述磁流体用于减小所述动子在上下运动过程中与所述封装管的内侧壁之间的摩擦。

3.根据权利要求2所述的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，所述封装管为碳纤维管。

4.根据权利要求2所述的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，所述第一弹簧和所述第二弹簧为波形弹簧、环形弹簧、宝塔弹簧或碟形弹簧。

5.根据权利要求2所述的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，所述动子与所述第一弹簧和所述第二弹簧之间有空隙，使得所述动子的上下运动位移增大。

6.根据权利要求2所述的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，所述磁体为永磁体，所述永磁体由钐钴永磁体材料或钕铁硼永磁体材料制备。

7.根据权利要求6所述的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，所述动子还包括铁块，所述铁块为两块，分别固定连接在所述磁体的上下两端，使得所述铁块和所述磁体能够作为一个整体在所述封装管内上下运动。

8.根据权利要求7所述的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，

所述磁体和所述铁块中心形成有通孔，使得所述动子上下两端的空间连通；或者

所述动子还包括空心管，所述磁体和所述铁块中心形成有通孔，所述空心管设置在所述通孔内，与所述磁体和所述铁块固定连接，使得所述动子上下两端的空间连通。

9.根据权利要求1至8任一项所述的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，通过改变所述第一弹簧和所述第二弹簧的刚度、所述动子的质量，使得所述磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器的固有频率与外部振源的频率相等。

10.根据权利要求1至9任一项所述的磁流体润滑型间隙谐振高频振动电磁俘能器，其特征在于，所述线圈中产生的电流为交变电流。