二維擺動磁懸浮能量收集裝置的製作方法

2023-06-02 18:59:51

本發明涉及能量收集裝置，尤其是涉及一種二維擺動磁懸浮能量收集裝置。

背景技術：

自然環境中振動無處不在，如人行走時產生上下振動、汽車顛簸、樹枝隨風搖擺、海浪波動等，其振動能量通常被忽略，或者被減震器等設備吸收。

如果把上述振動產生的能量收集起來，替代電池為一些低功耗設備如微型傳感器網絡節點或物聯網節點供電，既減少電池造成的環境汙染又突破了電池壽命對上述節點造成的使用壽命限制。

通過觀察，自然環境中多數振動有以下特點可供設計振動能量收集裝置時參考：

1.振動頻率低。自然環境中的振動最大的特點為低頻，其典型振動頻率一般在2Hz以下。例如步行頻率約為1Hz，慢跑約為2Hz，海面波浪振動周期為0.4秒到數十秒。而目前研究的多數振動能量收集裝置的工作頻率多數在幾十Hz到幾百Hz，僅個別可低至2Hz左右。

2.波幅相對大。步行在豎直方向能產生幾釐米的振動，海面波高從十幾釐米到十幾米。其波幅相對一般的高頻振動能量收集裝置來說過大，遠超過其運動部件的運動極限，波浪產生的振動能量多數無法收集。

3.振動參數存在時變和隨機性。樹枝在多變的風向、風速下，其振幅、周期均發生變動；車輛的顛覆則受路面狀況和車速的影響；海浪的振動參數隨海況變化很大，以波高為例，在2級海況時波高平均值大約為1.1英尺到1.6英尺；4級海況為5.9英尺到6.6英尺；6級海況為8.9英尺到11.6英尺。而目前多數振動能量收集裝置僅能工作在諧振頻率附近。

4.多維振動。柔軟樹枝順風擺動通常為2維振動；近岸浪由岸底對波浪的阻礙，使得波浪向岸邊倒卷形成，為2維振動；風浪是波浪形成區域的海浪，表現為3維振動。設計多維波浪振動能量收集裝置的目的在於同時捕獲多個方向的振動能量。

技術實現要素：

為了克服已有振動能量收集裝置存在能量損耗、能量收集效率較低的不足，本發明提供一種減少了能量消耗、能量收集效率較高的二維擺動磁懸浮能量收集裝置。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：

一種二維擺動磁懸浮能量收集裝置，包括上部結構和下部結構，所述下部結構包括底座、下永磁體、感應線圈和下磁軛，所述底座的中部設有中心孔，所述底座上設有底座階梯盲孔，所述底座階梯盲孔設置有2N+2個，N為正整數，2N+2個底座階梯盲孔等圓弧且相互間隔的布置在中心孔外一周上，每個底座階梯盲孔內均安裝有下永磁體，所述下永磁體與底座階梯盲孔的底部之間設有彈性墊片，所述感應線圈套裝在下永磁體上，所述下磁軛位於所述下永磁體的上方並固定在底座上，所述下磁軛為扇形，所述下磁軛的底面上設有下磁軛階梯盲孔，所述下永磁體的上部和感應線圈插入到所述下磁軛階梯盲孔內，所述下永磁體頂部平面與所述下磁軛階梯盲孔最深處的平面貼合，所述下磁軛也設置有2N+2個，N為正整數，2N+2個下磁軛的上表面組成一個下凹的圓錐面；

所述上部結構包括上磁軛、上永磁體和擺錘，所述上磁軛懸浮在所述下磁軛的上方，所述上磁軛的中部設有上磁軛盲孔，所述上永磁體安裝在所述上磁軛盲孔內，所述上永磁體底部平面與所述上磁軛盲孔最深處的平面貼合，所述上磁軛的下表面為一個下凸的圓錐面，所述上磁軛的圓錐面與2N+2個下磁軛組成的圓錐面大小相同並相互匹配，所述擺錘通過細柱固定在上永磁體的正上方；所述下永磁體的上端磁極與上永磁體的下端磁極的磁性相同；

所述底座、彈性墊片、細柱、擺錘均為非磁性材料製成。

進一步，所述上磁軛、下磁軛均為軟磁材料製成；所述上永磁體、下永磁體均採用高矯頑力永磁材料製成。

再進一步，所述底座階梯盲孔與所述底座的中心孔之間通過引線槽連通。

再進一步，所述底座階梯盲孔設置有四個，所述下永磁體設置有四個，所述感應線圈設置有四個，所述彈性墊片設置有四片，所述下磁軛設置有四個，一個感應線圈對應一個下永磁體，一個下永磁體對應一個下底座階梯盲孔，一個底座階梯盲孔對應一片彈性墊片，一個下磁軛對應一個下永磁體，四個下磁軛的上表面組成一個下凹的圓錐面。

再進一步，所述下磁軛粘接在所述底座上。

更進一步，相對兩個下永磁體的感應線圈的異名端串聯。

本發明的有益效果主要表現在：一方面利用非固定連接的磁懸浮結構獲得兩個方向上的轉動自由度，實現擺動能量的捕獲；另一方面，利用磁懸浮方式消除了摩擦、減少了能量損耗；另外，通過將相對的兩個感應線圈異名端串聯，提高能量收集效率。

附圖說明

圖1是二維擺動磁懸浮能量收集裝置的結構示意圖，其中未顯示其中一個下磁軛。

圖2是底座在一個方向的立體圖。

圖3是底座在另一個方向的立體圖。

圖4是下磁軛在一個方向的立體圖。

圖5是下磁軛在另一個方向的立體圖。

圖6是上磁軛和擺錘的示意圖。

圖7是下彈性墊片的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

參照圖1～圖7，一種二維擺動磁懸浮能量收集裝置，包括上部結構和下部結構，所述下部結構包括底座1、下永磁體3、感應線圈2和下磁軛4，所述底座1的中部設有中心孔，所述底座1上設有底座階梯盲孔，所述底座階梯盲孔設置有2N+2個，N為正整數，2N+2個底座階梯盲孔等圓弧且相互間隔的布置在中心孔外一周上，每個底座階梯盲孔內均安裝有下永磁體，所述下永磁體3與底座階梯盲孔的底部之間設有彈性墊片8，所述感應線圈2套裝在下永磁體3上，所述下磁軛4位於所述下永磁體3的上方並固定在底座1上，所述下磁軛4為扇形，所述下磁軛4的底面上設有下磁軛階梯盲孔，所述下永磁體3的上部和感應線圈2插入到所述下磁軛階梯盲孔內，所述下永磁體3頂部平面與所述下磁軛4階梯盲孔最深處的平面貼合，所述下磁軛4也設置有2N+2個，N為正整數，2N+2個下磁軛的上表面組成一個下凹的圓錐面；

所述上部結構包括上磁軛5、上永磁體6和擺錘7，所述上磁軛5懸浮在所述下磁軛4的上方，所述上磁軛5的中部設有上磁軛盲孔，所述上永磁體6安裝在所述上磁軛盲孔內，所述上永磁體6底部平面與所述上磁軛5盲孔最深處的平面貼合，所述上磁軛5的下表面為一個下凸的圓錐面，所述上磁軛5的圓錐面與2N+2個下磁軛組成的圓錐面大小相同並相互匹配，所述擺錘7通過細柱固定在上永磁體6的正上方；所述下永磁體4的上端磁極與上永磁體6的下端磁極的磁性相同；

所述底座1、彈性墊片8、細柱、擺錘7均為非磁性材料製成。

進一步，所述上磁軛5、下磁軛4均為軟磁材料製成；所述上永磁體6、下永磁體3均採用高矯頑力永磁材料製成。

再進一步，所述底座階梯盲孔與所述底座1的中心孔之間通過引線槽連通。

再進一步，所述底座階梯盲孔設置有四個，所述下永磁體3設置有四個，所述感應線圈2設置有四個，所述彈性墊片8設置有四片，所述下磁軛4設置有四個，一個感應線圈對應一個下永磁體，一個下永磁體對應一個下底座階梯盲孔，一個底座階梯盲孔對應一片彈性墊片，一個下磁軛對應一個下永磁體，四個下磁軛的上表面組成一個下凹的圓錐面。

再進一步，所述下磁軛4粘接在所述底座1上。

更進一步，相對兩個下永磁體的感應線圈的異名端串聯。

如圖1、圖2和圖6所示，所述彈性墊片8共四片，分別置於底座1上四個底座階梯盲孔的底部；所述下永磁體3共有相同的四個，分別置於底座1上四個底座階梯盲孔之內以及彈性墊片8之上，四個下永磁體3均有N極和S極，四個下永磁體3的N極均朝上或者朝下；感應線圈2有相同的四個，感應線圈2位於底座1上四個底座階梯盲孔的階梯位置上，感應線圈2的進線和出線可沿底座階梯盲孔側面的引線槽自底座的中心孔引出；所述四個下永磁體3和四個感應線圈2之上分別安置四個下磁軛4，同時下磁軛4也置於底座1之上，通過粘接等方式實現連接；由於彈性墊片8具有彈性，同時實現下永磁體3的下部與所述底座階梯盲孔內的彈性墊片8的貼合，下永磁體3的上部與所述下磁軛階梯盲孔的底部貼合；在其安裝位置上，四個下磁軛4的上表面位於同一圓錐面上；上磁軛5的下表面也呈一圓錐面，與所述四個下磁軛4的上表面組成的圓錐面有相同形狀和尺寸；所述上永磁體6有N極和S極，如果所述下永磁體3的N極在上則所述上永磁體6的N極在下；如果所述下永磁體3的S極在上則所述上永磁體6的S極在下；擺錘7為密度較大的非磁性材料製成，擺錘7作用在於提高裝置上部的重心，增強擺動效果，便於能量收集。

本發明的設計原理為：本發明靜止時，處於其平衡位置，上磁軛5與下磁軛4由於各自所連接的上永磁體6和下永磁體3的作用，形成斥力，該斥力平衡了裝置上部的上磁軛5、上永磁體6和擺錘7的重力，並且上磁軛5與四個下磁軛4的間隔相等。在外界振動、擾動作用下，裝置的上部結構與裝置的下部結構的相對位置發生變化，發生轉動或者移動，由於上磁軛5與下磁軛4較接近，此相對運動以轉動為主，形成與上磁軛5的圓錐面軸線垂直的兩個方向上的擺動。在擺動作用下，使得上磁軛5與四個下磁軛4之間的間隔變化，間隔增大處，斥力下降；間隔減小處，斥力上升，形成與其偏移平衡位置相反的力矩，使其運動減速，進而使其發生相反方向的轉動，形成擺動。由於高矯頑力永磁體間相互接近時的斥力往往可達其重量的百倍以上，故所述裝置的上部結構具有很強的在平衡位置附近擺動振蕩的傾向，不會輕易傾倒。為擺動時感應線圈2磁通的變化，考慮下面四種情形：

1)上磁軛5居於各下磁軛4之中，也就是處於平衡位置。上磁軛5與各下磁軛4之間的氣隙寬度均相等時。各下磁軛4上的磁感應強度相等，各感應線圈2磁通相等，各下磁軛4對上磁軛5的斥力相等。

2)擺動使得上磁軛5圓錐面與各下磁軛4組成圓錐面的相距最近處位於某個下磁軛4中間位置。相較平衡位置，安裝於該下磁軛4中的感應線圈2的磁通下降；安裝於該磁軛相對位置的下磁軛4中的感應線圈2磁通上升；另兩個下磁軛4中的感應線圈2上的磁通由於其退磁曲線的非線性可能上升也可能下降，但變化幅度遠小於前兩下磁軛4的變化幅度。

3)擺動使得上磁軛5圓錐面與各下磁軛4組成圓錐面的相距最近處位於某兩個下磁軛4間隙的中間位置。相較平衡位置，安裝於該兩下磁軛4中的感應線圈2的磁通下降；安裝於另兩下磁軛4中的感應線圈2磁通上升。

4)擺動使得上磁軛5圓錐面與各下磁軛4組成圓錐面的相距最近處位於某個下磁軛4中間到包含該下磁軛4的某兩個下磁軛4間隙中間之間的位置，這種情形為情形2)和3)的中間情形。相較平衡位置，該兩下磁軛4中，安裝於前者的線圈2的磁通下降，安裝與後者的感應線圈2的磁通根據其退磁曲線可能下降也可能上升，如果上升其變化幅度應很小，並說明此時接近與情形2)。與上述兩下磁軛4中前者相對的下磁軛4，安裝其中的感應線圈2磁通上升；與上述兩下磁軛4中後者相對的下磁軛4，安裝其中的感應線圈2磁通根據其退磁曲線可能下降也可能上升，如果下降其變化幅度應很小，並說明此時接近與情形2)。

根據上述分析，設計兩種感應線圈2間連接的方案：

1)由於在擺動過程中各感應線圈2磁通均有變化，可將各感應線圈2感應電動勢獨立整流以後在疊加，這樣獲得的電壓有較大的整流損耗。

2)綜合以上四種情形下各感應線圈2磁通的分析，如果兩相對感應線圈2上的磁通變化較另外兩感應線圈2明顯顯著，則此兩相對線圈2上產生相反電動勢；而另外兩線圈2的電動勢雖然由於退磁曲線的非線性可能不是相反的，但產生的電動勢絕對值遠小於前兩感應線圈2的電動勢絕對值。於是，將相對兩個磁軛上的感應線圈2異名端串聯，得到的兩個串聯後的電動勢，分別進行整流後疊加，相對前一種方案可減少整流造成的電壓損耗，有利於提高能量收集效率。

本發明一是結構簡單，各個零件製造比較方便；二是設計比較合理，安裝比較方便，三是實現二維擺動能量收集；四是通過消除摩擦和合理連接感應線圈2提高能量收集效率。