採用磁性液體和永磁鐵組合結構的直線振動能量採集器的製造方法
2023-05-30 11:15:46
採用磁性液體和永磁鐵組合結構的直線振動能量採集器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及採用磁性液體和永磁鐵組合結構的直線振動能量採集器，該裝置包括非導磁圓管、磁性液體、柱狀永磁鐵、非導磁圓環、端蓋、感應線圈、片狀永磁鐵、非導磁柱。兩端吸附有磁性液體的柱狀永磁鐵位於非導磁圓管內部，作為慣性質量塊響應外界直線振動，在非導磁圓管內沿軸向運動，並受到非導磁圓管外部與之剛性連接的片狀永磁鐵的吸引力。該永磁材料間吸引力為柱狀永磁鐵的運動提供回復力，使柱狀永磁鐵的運動平衡位置始終位於非導磁圓管的中心位置。在外界線性振動作用下，圓管內柱狀永磁鐵在中心位置響應振動而往復運動，引起纏繞於圓管外壁的感應線圈內磁通量的變化，從而使感應線圈內產生感應電動勢，實現振動能的採集。本發明具有結構簡單、實用性強、應用範圍廣等優點。
【專利說明】採用磁性液體和永磁鐵組合結構的直線振動能量採集器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及能量採集領域，具體的說，本發明涉及採用磁性液體和永磁鐵組合結 構的直線振動能量採集器。
【背景技術】
[0002] 機械振動能是環境中普遍存在的一種能量形式，該類能量採集器主要有靜電式、 壓電式和電磁式三種，相比之下，電磁式具有結構簡單、發電量大、無需外電源等優點。直線 電磁式振動能量採集器可對人體運動、活塞運動、車輛抖動、海洋浮標浮動等形式的能量進 行採集。該類採集器的拾振系統主要由彈簧和永磁質量塊機械連接而成，這使得其表現出 抗疲勞性差、噪聲大和結構固化等不足；另一種拾振系統利用永磁鐵間同極斥力而設計的 磁性彈簧，該結構為了增加其結構穩定性，需要增加導杆或套筒等浮動永磁鐵的導向裝置， 這樣會增加永磁鐵與導向裝置間的摩擦，而降低其拾振性能。
[0003] 磁性液體是一種由包覆有表面活性劑的納米鐵磁性或亞鐵磁性顆粒分散於液態 載液中形成的穩定的膠態懸浮液，磁性液體二階浮力原理是指磁性液體可以將沉浸在其中 的比重比其自身大的永久磁鐵懸浮起來。這樣可以改變久磁鐵和與其接觸面間的摩擦形 式，即由固體間摩擦轉變為液固間摩擦，且僅有少量磁性液體與其支撐面接觸，這樣使得吸 附有磁性液體的永磁鐵對外界振動所引起的慣性力敏感度較高,基於此特性磁性液體已應 用於傳感器的設計，如中國發明專利：CN103149384A和CN103675351A。CN103149384A為一 加速度傳感器，包括左端蓋、殼體、第一線圈、第二線圈、圓柱形磁鐵、右端蓋，圓柱形磁鐵兩 端吸附有磁性液體並懸浮於殼體內，殼體外壁纏繞有線圈，在外界加速度作用下，吸附有磁 性液體的圓柱形磁鐵慣性質量塊沿軸向運動，其軸向位移引起殼體外兩線圈的電感發生變 化，引起兩線圈的電壓差，輸出加速度電壓信號，該結構中慣性塊的回覆力由殼體內壁的錐 角引起；磁性液體加速度傳感器專利CN103675351A中的慣性塊同為兩端吸附有磁性液體 的圓柱形磁鐵，該磁性液體在懸浮圓柱形磁鐵的同時，還將殼體內圓柱形磁鐵兩端的氣壓 腔完全隔開，在外界加速度作用下，吸附有磁性液體的圓柱形磁鐵慣性質量塊沿軸向運動， 引起殼體內圓柱形磁鐵兩端的氣壓腔壓力不等，產生回復力。該類傳感器受到其回復力的 限制，僅適用於較低頻的加速度信號。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是：
[0005] 現有直線電磁式振動能量採集器拾振系統多採用彈簧和永磁質量塊機械連接而 成，這使得其表現出抗疲勞性差、噪聲大和結構固化等不足；另一種利用磁鐵同極斥力而設 計的磁性彈簧拾振系統，存在永磁鐵與導向裝置間的摩擦，相對拾振性能較低。
[0006] 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
[0007] 採用磁性液體和永磁鐵組合結構的直線振動能量採集器，該裝置包括非導磁圓 管、磁性液體、柱狀永磁鐵、非導磁圓環、端蓋、感應線圈、片狀永磁鐵、非導磁柱。非導磁圓 管外壁固定有一非導磁圓環，非導磁圓環通過螺紋與非導磁柱連接，非導磁柱另一端固定 有片狀永磁鐵，所述柱狀永磁鐵的軸線和片狀永磁鐵的軸線平行，且同名磁極反向而置。
[0008] 所述非導磁圓管外壁纏繞有感應線圈。
[0009] 所述柱狀永磁鐵兩端面吸附有磁性液體，將其裝入非導磁圓管內，將端蓋蓋在非 導磁圓管開口端。
[0010] 所述非導磁柱一端通過螺紋與非導磁圓環連接，使得片狀永磁鐵與柱狀永磁體之 間的距離可調。
[0011] 根據磁性液體的二階浮力原理，磁性液體可以將永磁鐵懸浮起來，這樣在永磁鐵 和殼體內壁面間形成磁性液體介質，改善二者間的摩擦形式，即由固體間摩擦轉變為液固 間摩擦，且僅有少量磁性液體與其支撐面接觸，使得吸附有磁性液體的永磁鐵對慣性力響 應的敏感度較高。
[0012] 吸附有磁性液體的圓柱形磁鐵被磁性液體懸浮起來，並作為慣性質量塊在非導磁 殼體內沿軸向運動。利用永磁間吸引力所提供的回覆力，使兩端麵包覆有磁性液體的柱狀 永磁鐵相對非導磁圓管沿軸嚮往復運動，以此改變感應線圈內磁通量的變化，而感應出電 能。
[0013] 本發明和已有技術相比所具有的有益效果：
[0014] 該能量採集器具有結構簡單、優良的抗疲勞性、無噪等優點。另外，該能量採集器 內部吸附磁性液體的柱狀永磁鐵對慣性力非常敏感，對外界振動響應的靈敏度高，能夠高 效地採集振動能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明的剖視圖。
[0016] 圖中：非導磁圓管1、磁性液體2、柱狀永磁鐵3、非導磁圓環4、端蓋5、感應線圈6、 片狀永磁鐵7、非導磁柱8。
[0017] 圖2為該採集器對應的拾振系統模型圖。
【具體實施方式】
[0018] 以下結合附圖對本發明作進一步說明：
[0019] 採用磁性液體和永磁鐵組合結構的直線振動能量採集器，該裝置包括：非導磁圓 管1、磁性液體2、柱狀永磁鐵3、非導磁圓環4、端蓋5、感應線圈6、片狀永磁鐵7、非導磁柱 8。將非導磁圓環4套在非導磁圓管1外壁中部並固定，非導磁圓環4通過螺紋與非導磁柱 8 -端連接，非導磁柱8另一端固定有一片狀永磁鐵7,在非導磁圓管1外壁纏繞有感應線 圈6。將柱狀永磁鐵3放置在燒杯中，並給燒杯中注入適量磁性液體2,使得柱狀永磁鐵3 充分懸浮，再將該吸附有磁性液體2的柱狀永磁鐵3裝入非導磁圓管1內，用端蓋5將非導 磁圓管1開口端封住。
[0020] 所述非導磁圓環4與固定有片狀永磁鐵7的非導磁柱8通過螺紋連接，這樣片狀 永磁鐵7和柱狀永磁鐵3間的吸引力可調。柱狀永磁鐵3和片狀永磁鐵7軸線平行，且同 名磁極反向而置。
[0021] 該能量採集器的工作原理：
[0022] 在外界振動作用下，吸附有磁性液體2的柱狀永磁鐵3慣性質量塊沿軸向移動，利 用永磁鐵間磁極吸引力所提供的回覆力，使得慣性質量塊可隨外界振動在中心位置往復運 動，這樣引起非導磁圓管1外壁感應線圈6內磁通量的變化，從而在感應線圈6兩端產生電 壓信號，實現振動能的採集。
[0023] 圖2為該減振器對應的拾振系統模型圖，由質量塊m、彈簧、阻尼組成，在外界振動 位移y(t)作用下，質量塊響應振動對應的運動微分方程為：
[0024] 所f (r) + c) i( ? ) + ?) = ? )
[0025] 其中，ζ (t)為質量塊相對支架的位移，ct、k分別為阻尼係數和等效磁簧的彈性系 數。阻尼係數Ct = Cl+ce，其中C1為磁性液體2與非導磁圓管1之間接觸面的粘性阻尼系 數，C e為由感應線圈引起的電磁阻尼係數。根據能量守恆定律，可知從振動源傳遞給電磁阻 尼系統的瞬時功率為P = 該功率即為獲得的電功率，除去感應線圈的內耗功率， 即為採集到的電功率。
[0026] 所述非導磁圓管1、非導磁圓環4、端蓋5、非導磁柱8均為非導磁材料，如鋁合金、 尼龍、奧氏體不鏽鋼等。
[0027] 所述磁性液體2有多種可選，如酯基磁性液體、煤油基磁性液體、機油基磁性液 體。
[0028] 該振動能量採集器所採集的振動電壓信號含有振動（位移、速度、加速）傳感信 息，因此該採集器也可用作振動傳感器。另外該能量採集器所採用的拾振系統對應的阻尼 形式有粘性阻尼和電磁阻尼，因此該能量採集器也可應用於減振。
【權利要求】
1. 採用磁性液體和永磁鐵組合結構的直線振動能量採集器，該裝置包括非導磁圓管 (1)、磁性液體（2)、柱狀永磁鐵（3)、非導磁圓環（4)、端蓋（5)、感應線圈￠)、片狀永磁鐵 (7)、非導磁柱（8); 上述各部分之間的連接：將非導磁圓環（4)套在非導磁圓管（1)外側中部並固定；非 導磁柱（8) -端固定有片狀永磁鐵（7)，另一端通過螺紋與非導磁圓環（4)連接；將端面吸 附有磁性液體（2)的柱狀永磁鐵（3)裝入非導磁圓管（1)內，將端蓋（5)蓋在非導磁圓管 (1)的開口端；在非導磁圓管（1)外壁纏繞感應線圈（6)。 其特徵在於：在外界直線振動作用下，利用永磁間吸引力所提供的回覆力，使兩端麵包 覆有磁性液體（2)的柱狀永磁鐵（3)相對非導磁圓管（1)沿軸嚮往復運動，從而引起感應 線圈（6)內磁通量的變化，感應出電壓信號，產生電能。
2. 根據權利要求1所述的採用磁性液體和永磁鐵組合結構的直線振動能量採集器，其 特徵在於所述柱狀永磁鐵（3)的軸線和片狀永磁鐵（7)的軸線平行，且同名磁極反向而置。
3. 根據權利要求1所述的採用磁性液體和永磁鐵組合結構的直線振動能量採集器，其 特徵在於所述非導磁柱（8) -端通過螺紋與非導磁圓環（4)連接，使得片狀永磁鐵（7)與 柱狀永磁體（3)之間的距離可調。
【文檔編號】H02K35/02GK104393735SQ201410680282
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】王四棋, 李德才 申請人:北京交通大學