采用磁性液體和永磁鐵組合結(jié)構(gòu)的直線振動(dòng)能量采集器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及采用磁性液體和永磁鐵組合結(jié)構(gòu)的直線振動(dòng)能量采集器，該裝置包括非導(dǎo)磁圓管、磁性液體、柱狀永磁鐵、非導(dǎo)磁圓環(huán)、端蓋、感應(yīng)線圈、片狀永磁鐵、非導(dǎo)磁柱。兩端吸附有磁性液體的柱狀永磁鐵位于非導(dǎo)磁圓管內(nèi)部，作為慣性質(zhì)量塊響應(yīng)外界直線振動(dòng)，在非導(dǎo)磁圓管內(nèi)沿軸向運(yùn)動(dòng)，并受到非導(dǎo)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(yùn)動(dòng)提供回復(fù)力，使柱狀永磁鐵的運(yùn)動(dòng)平衡位置始終位于非導(dǎo)磁圓管的中心位置。在外界線性振動(dòng)作用下，圓管內(nèi)柱狀永磁鐵在中心位置響應(yīng)振動(dòng)而往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起纏繞于圓管外壁的感應(yīng)線圈內(nèi)磁通量的變化，從而使感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能的采集。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】采用磁性液體和永磁鐵組合結(jié)構(gòu)的直線振動(dòng)能量采集器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及能量采集領(lǐng)域，具體的說(shuō)，本發(fā)明涉及采用磁性液體和永磁鐵組合結(jié) 構(gòu)的直線振動(dòng)能量采集器。

【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械振動(dòng)能是環(huán)境中普遍存在的一種能量形式，該類能量采集器主要有靜電式、 壓電式和電磁式三種，相比之下，電磁式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)電量大、無(wú)需外電源等優(yōu)點(diǎn)。直線 電磁式振動(dòng)能量采集器可對(duì)人體運(yùn)動(dòng)、活塞運(yùn)動(dòng)、車輛抖動(dòng)、海洋浮標(biāo)浮動(dòng)等形式的能量進(jìn) 行采集。該類采集器的拾振系統(tǒng)主要由彈簧和永磁質(zhì)量塊機(jī)械連接而成，這使得其表現(xiàn)出 抗疲勞性差、噪聲大和結(jié)構(gòu)固化等不足；另一種拾振系統(tǒng)利用永磁鐵間同極斥力而設(shè)計(jì)的 磁性彈簧，該結(jié)構(gòu)為了增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需要增加導(dǎo)桿或套筒等浮動(dòng)永磁鐵的導(dǎo)向裝置， 這樣會(huì)增加永磁鐵與導(dǎo)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于液態(tài) 載液中形成的穩(wěn)定的膠態(tài)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(lái)。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(zhuǎn)變?yōu)橐汗涕g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(duì)外界振動(dòng)所引起的慣性力敏感度較高,基于此特性磁性液體已應(yīng) 用于傳感器的設(shè)計(jì)，如中國(guó)發(fā)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 端吸附有磁性液體并懸浮于殼體內(nèi)，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(zhì)量塊沿軸向運(yùn)動(dòng)，其軸向位移引起殼體外兩線圈的電感發(fā)生變 化，引起兩線圈的電壓差，輸出加速度電壓信號(hào)，該結(jié)構(gòu)中慣性塊的回復(fù)力由殼體內(nèi)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(shí)，還將殼體內(nèi)圓柱形磁鐵兩端的氣壓 腔完全隔開(kāi)，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(zhì)量塊沿軸向運(yùn)動(dòng)， 引起殼體內(nèi)圓柱形磁鐵兩端的氣壓腔壓力不等，產(chǎn)生回復(fù)力。該類傳感器受到其回復(fù)力的 限制，僅適用于較低頻的加速度信號(hào)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：
[0005] 現(xiàn)有直線電磁式振動(dòng)能量采集器拾振系統(tǒng)多采用彈簧和永磁質(zhì)量塊機(jī)械連接而 成，這使得其表現(xiàn)出抗疲勞性差、噪聲大和結(jié)構(gòu)固化等不足；另一種利用磁鐵同極斥力而設(shè) 計(jì)的磁性彈簧拾振系統(tǒng)，存在永磁鐵與導(dǎo)向裝置間的摩擦，相對(duì)拾振性能較低。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 采用磁性液體和永磁鐵組合結(jié)構(gòu)的直線振動(dòng)能量采集器，該裝置包括非導(dǎo)磁圓 管、磁性液體、柱狀永磁鐵、非導(dǎo)磁圓環(huán)、端蓋、感應(yīng)線圈、片狀永磁鐵、非導(dǎo)磁柱。非導(dǎo)磁圓 管外壁固定有一非導(dǎo)磁圓環(huán)，非導(dǎo)磁圓環(huán)通過(guò)螺紋與非導(dǎo)磁柱連接，非導(dǎo)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(dǎo)磁圓管外壁纏繞有感應(yīng)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(dǎo)磁圓管內(nèi)，將端蓋蓋在非 導(dǎo)磁圓管開(kāi)口端。
[0010] 所述非導(dǎo)磁柱一端通過(guò)螺紋與非導(dǎo)磁圓環(huán)連接，使得片狀永磁鐵與柱狀永磁體之 間的距離可調(diào)。
[0011] 根據(jù)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(lái)，這樣在永磁鐵 和殼體內(nèi)壁面間形成磁性液體介質(zhì)，改善二者間的摩擦形式，即由固體間摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐汗?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(duì)慣性力響 應(yīng)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(lái)，并作為慣性質(zhì)量塊在非導(dǎo)磁 殼體內(nèi)沿軸向運(yùn)動(dòng)。利用永磁間吸引力所提供的回復(fù)力，使兩端面包覆有磁性液體的柱狀 永磁鐵相對(duì)非導(dǎo)磁圓管沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此改變感應(yīng)線圈內(nèi)磁通量的變化，而感應(yīng)出電 能。
[0013] 本發(fā)明和已有技術(shù)相比所具有的有益效果：
[0014] 該能量采集器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、優(yōu)良的抗疲勞性、無(wú)噪等優(yōu)點(diǎn)。另外，該能量采集器 內(nèi)部吸附磁性液體的柱狀永磁鐵對(duì)慣性力非常敏感，對(duì)外界振動(dòng)響應(yīng)的靈敏度高，能夠高 效地采集振動(dòng)能。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的剖視圖。
[0016] 圖中：非導(dǎo)磁圓管1、磁性液體2、柱狀永磁鐵3、非導(dǎo)磁圓環(huán)4、端蓋5、感應(yīng)線圈6、 片狀永磁鐵7、非導(dǎo)磁柱8。
[0017] 圖2為該采集器對(duì)應(yīng)的拾振系統(tǒng)模型圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0019] 采用磁性液體和永磁鐵組合結(jié)構(gòu)的直線振動(dòng)能量采集器，該裝置包括：非導(dǎo)磁圓 管1、磁性液體2、柱狀永磁鐵3、非導(dǎo)磁圓環(huán)4、端蓋5、感應(yīng)線圈6、片狀永磁鐵7、非導(dǎo)磁柱 8。將非導(dǎo)磁圓環(huán)4套在非導(dǎo)磁圓管1外壁中部并固定，非導(dǎo)磁圓環(huán)4通過(guò)螺紋與非導(dǎo)磁柱 8 -端連接，非導(dǎo)磁柱8另一端固定有一片狀永磁鐵7,在非導(dǎo)磁圓管1外壁纏繞有感應(yīng)線 圈6。將柱狀永磁鐵3放置在燒杯中，并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(dǎo)磁圓管1內(nèi)，用端蓋5將非導(dǎo) 磁圓管1開(kāi)口端封住。
[0020] 所述非導(dǎo)磁圓環(huán)4與固定有片狀永磁鐵7的非導(dǎo)磁柱8通過(guò)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(diào)。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] 該能量采集器的工作原理：
[0022] 在外界振動(dòng)作用下，吸附有磁性液體2的柱狀永磁鐵3慣性質(zhì)量塊沿軸向移動(dòng)，利 用永磁鐵間磁極吸引力所提供的回復(fù)力，使得慣性質(zhì)量塊可隨外界振動(dòng)在中心位置往復(fù)運(yùn) 動(dòng)，這樣引起非導(dǎo)磁圓管1外壁感應(yīng)線圈6內(nèi)磁通量的變化，從而在感應(yīng)線圈6兩端產(chǎn)生電 壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能的采集。
[0023] 圖2為該減振器對(duì)應(yīng)的拾振系統(tǒng)模型圖，由質(zhì)量塊m、彈簧、阻尼組成，在外界振動(dòng) 位移y(t)作用下，質(zhì)量塊響應(yīng)振動(dòng)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：
[0024] 所f (r) + c) i( ? ) + ?) = ? )
[0025] 其中，ζ (t)為質(zhì)量塊相對(duì)支架的位移，ct、k分別為阻尼系數(shù)和等效磁簧的彈性系 數(shù)。阻尼系數(shù)Ct = Cl+ce，其中C1為磁性液體2與非導(dǎo)磁圓管1之間接觸面的粘性阻尼系 數(shù)，C e為由感應(yīng)線圈引起的電磁阻尼系數(shù)。根據(jù)能量守恒定律，可知從振動(dòng)源傳遞給電磁阻 尼系統(tǒng)的瞬時(shí)功率為P = 該功率即為獲得的電功率，除去感應(yīng)線圈的內(nèi)耗功率， 即為采集到的電功率。
[0026] 所述非導(dǎo)磁圓管1、非導(dǎo)磁圓環(huán)4、端蓋5、非導(dǎo)磁柱8均為非導(dǎo)磁材料，如鋁合金、 尼龍、奧氏體不銹鋼等。
[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(jī)油基磁性液 體。
[0028] 該振動(dòng)能量采集器所采集的振動(dòng)電壓信號(hào)含有振動(dòng)（位移、速度、加速）傳感信 息，因此該采集器也可用作振動(dòng)傳感器。另外該能量采集器所采用的拾振系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的阻尼 形式有粘性阻尼和電磁阻尼，因此該能量采集器也可應(yīng)用于減振。
【權(quán)利要求】
1. 采用磁性液體和永磁鐵組合結(jié)構(gòu)的直線振動(dòng)能量采集器，該裝置包括非導(dǎo)磁圓管 (1)、磁性液體（2)、柱狀永磁鐵（3)、非導(dǎo)磁圓環(huán)（4)、端蓋（5)、感應(yīng)線圈￠)、片狀永磁鐵 (7)、非導(dǎo)磁柱（8); 上述各部分之間的連接：將非導(dǎo)磁圓環(huán)（4)套在非導(dǎo)磁圓管（1)外側(cè)中部并固定；非 導(dǎo)磁柱（8) -端固定有片狀永磁鐵（7)，另一端通過(guò)螺紋與非導(dǎo)磁圓環(huán)（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(dǎo)磁圓管（1)內(nèi)，將端蓋（5)蓋在非導(dǎo)磁圓管 (1)的開(kāi)口端；在非導(dǎo)磁圓管（1)外壁纏繞感應(yīng)線圈（6)。 其特征在于：在外界直線振動(dòng)作用下，利用永磁間吸引力所提供的回復(fù)力，使兩端面包 覆有磁性液體（2)的柱狀永磁鐵（3)相對(duì)非導(dǎo)磁圓管（1)沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而引起感應(yīng) 線圈（6)內(nèi)磁通量的變化，感應(yīng)出電壓信號(hào)，產(chǎn)生電能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用磁性液體和永磁鐵組合結(jié)構(gòu)的直線振動(dòng)能量采集器，其 特征在于所述柱狀永磁鐵（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(jù)權(quán)利要求1所述的采用磁性液體和永磁鐵組合結(jié)構(gòu)的直線振動(dòng)能量采集器，其 特征在于所述非導(dǎo)磁柱（8) -端通過(guò)螺紋與非導(dǎo)磁圓環(huán)（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(diào)。
【文檔編號(hào)】H02K35/02GK104393735SQ201410680282
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】王四棋, 李德才 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)