一種電磁式振動發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種電磁式振動發(fā)電機，該振動發(fā)電機核心部件為磁軛、振動軸、軸轂，由振動軸與左右磁軛形成閉合磁路。它可以用于低頻大位移條件下的振動發(fā)電。磁軛部分采用DW465-50型硅鋼片疊壓而成形成閉合磁路，使漏磁顯著減少，磁軛內(nèi)部磁感應強度最大值為1.33T，磁場利用率為90.48％。軸轂結(jié)構(gòu)的作用是防止振動發(fā)電機在振動的過程中軸承發(fā)生轉(zhuǎn)動、引起磁路不對稱。振動發(fā)電機運用直線軸承對永磁體與磁軛進行限位，降低了磁力作用對發(fā)電機振動所產(chǎn)生的影響。本發(fā)明可用于頻率5-10Hz、位移10-20mm范圍的振動，具有磁場利用率高，裝配簡單，牢固可靠的特點。
【專利說明】一種電磁式振動發(fā)電機【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及將振動的機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，特別涉及永磁振動發(fā)電裝置，核心部分為永磁振動軸、軛鐵、和軸轂。該振動發(fā)電機能形成閉合磁路，使漏磁通顯著減少，在低頻下具有較高的輸出功率。
技術背景
[0002]電磁式振動發(fā)電機是利用電磁感應定律將環(huán)境振動能量轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，其具有發(fā)電功率大、易于維護等優(yōu)點。
[0003]根據(jù)振動部件的不同，可以把電磁式振動發(fā)電機分為動鐵(磁鐵振動)、動圈(線圈振動)和鐵圈同振(磁鐵線圈共同振動)三種類型。動鐵型即為線圈不動，磁鐵相對線圈振動，線圈中磁通量發(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應電動勢。動圈型即為磁鐵不動，線圈相對磁鐵振動，線圈中磁通量發(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應電動勢；為了進一步提高低頻振動下的電能輸出，出現(xiàn)了鐵圈同振型的振動能量采集器。鐵圈同振型即為在外界輸入振動下，磁鐵和線圈都產(chǎn)生振動，但是兩者之間有相對運動，在線圈中產(chǎn)生感應電動勢。
[0004]盡管已經(jīng)研制成功多種電磁式振動能量采集器樣機，但樣機的輸出電壓多數(shù)偏小，如英國南安普頓大學報道的樣機輸出電壓有效值為0.5V(Sensors and ActuatorsAllO (2004) 171)，特別是在低頻大位移振動條件下的研究較少，限制了電磁式振動發(fā)電機的發(fā)展與應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有振動發(fā)電機存在的問題，考慮在低頻大位移條件下的振動，設計了一種新型電磁式振動發(fā)電機。該振動發(fā)電機核心部件為磁軛、振動軸、軸轂。它可以用于低頻大位移條件下的振動發(fā)電。磁軛部分采用DW465-50型硅鋼片疊壓而成形成閉合磁路，使漏磁顯著減少。振動軸結(jié)構(gòu)永磁部分的材料是釹鐵硼(Nd2Fel4B)，型號為N45。軸轂結(jié)構(gòu)的作用是防止振動發(fā)電機在振動的過程中軸承發(fā)生轉(zhuǎn)動、引起磁路不對稱。振動發(fā)電機運用直線軸承對永磁體與磁軛進行限位，降低了磁力作用對發(fā)電機振動所產(chǎn)生的影響。發(fā)電機磁軛部分纏有線圈，為提高輸出功率，線圈的聯(lián)接方式采用串聯(lián)聯(lián)接。理論與實驗表明振動發(fā)電機在頻率為10Hz，振幅為IOmm時，輸出電壓峰值為6V。
[0006]本發(fā)明的技術方案為:
[0007]一種電磁式振動發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)包括:主體結(jié)構(gòu)為軸對稱式立方體結(jié)構(gòu)，發(fā)電機底盤上部安裝空心圓柱型轂，轂內(nèi)底部空心部分放置彈簧；轂頂部安裝相同內(nèi)徑的下法蘭軸承，下法蘭軸承通過支撐螺栓與底盤連接固定，振動軸的下部穿過下法蘭軸承在轂內(nèi)與彈黃接觸。
[0008]振動軸為中部凹陷的對稱柱狀結(jié)構(gòu)，中部凹陷的部分自上而下均勻設置有三個通孔，每個通孔內(nèi)嵌有一塊圓柱形永磁體，三塊圓柱形永磁體依次異相排列；振動軸下端穿過下部夾具與下法蘭軸承，振動軸上端穿過上部夾具與上法蘭軸承，并高出上法蘭軸承。[0009]下法蘭軸承上端安裝有下部夾具，夾具前后端面分別開有通孔，磁軛螺釘穿過通孔將夾具與兩個E型磁軛固定；兩個E型磁軛分別安裝在振動軸中部凹陷部分的左右側(cè)，E型磁軛的三個長方形端面中心，分別與振動軸中三塊永磁體圓面中心對齊，且每個E型磁軛的長方形端面部分與振動軸中三塊永磁體圓面之間分別留有等距氣隙；每個磁軛端面與端面之間部分纏有線圈，四個線圈部分首尾串聯(lián)聯(lián)接；每個E型磁軛上部同樣通過磁軛螺釘被上部夾具夾緊固定，上部夾具的頂端通過固定螺釘與上法蘭軸承相連；上法蘭軸承與下法蘭軸承的結(jié)構(gòu)相同，位置相對于E型磁軛對稱；上、下夾具結(jié)構(gòu)相同，位置相對于E型磁軛對稱。
[0010]所述的轂內(nèi)壁開有方槽，振動軸下部開有方形鍵槽，將平鍵固定于方形鍵槽中，另將平鍵突出振動軸部分置于轂內(nèi)壁的方槽中。
[0011]本發(fā)明的有益效果為:在頻率5-10HZ、位移10-20mm條件下的振動激勵下，振動發(fā)電機可輸出較大的電壓，實際應用中可根據(jù)施加振動應力的方向確定發(fā)電機的擺放位置。發(fā)電機注重磁路結(jié)構(gòu)，永磁振動軸I為核心部件，由振動軸I與E型左、右磁軛4、5形成閉合磁路，運用低噪聲A1324型霍爾傳感器測出永磁體表面的磁感應強度為1.47T，E型左、右磁軛中磁感應強度為1.33T，磁場利用率為90.48%，可見磁路中漏磁通顯著減少，提高了磁場的利用率，裝配簡單，牢固可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為電磁式振動發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2為發(fā)電機振動軸的結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖3為發(fā)電機轂結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖4為電磁式振動發(fā)電機實物照片。
[0016]圖5為振動頻率為IOHz,振幅為IOmm時振動發(fā)電機的輸出電動勢波形圖。
[0017]其中，1-振動軸；2_上法蘭軸承；3_上部夾具；4-E型左磁軛；5_E型右磁軛；6-下部夾具；7_下法蘭軸承8-支撐螺栓；9_轂；10-底盤；11-13圓柱形釹鐵硼永磁體；14_方形鍵槽；15_彈簧；16_平鍵；17_固定螺釘；18_磁軛螺釘；19_線圈；20_方槽。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和技術方案詳細說明本發(fā)明的具體實施，但它們不是對本發(fā)明作任何限制。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明設計的電磁式振動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)為:主體結(jié)構(gòu)為軸對稱式立方體結(jié)構(gòu)，發(fā)電機底盤10上部安裝空心圓柱型轂9，轂9內(nèi)壁開有方槽20(如圖3所示)，轂9內(nèi)底部空心部分放置彈簧15 ;轂9頂部安裝相同內(nèi)徑的下法蘭軸承7，下法蘭軸承7通過支撐螺栓8與底盤10連接固定，振動軸I的下部穿過下法蘭軸承7在轂9內(nèi)與彈簧15接觸。
[0020]本發(fā)明所述的振動軸I的結(jié)構(gòu)如圖2所示，振動軸I為中部凹陷的對稱柱狀結(jié)構(gòu)，中部凹陷的部分自上而下均勻設置有三個通孔，每個通孔內(nèi)嵌有一塊圓柱形永磁體，三塊圓柱形永磁體11-13依次異相排列,振動軸I下部開有方形鍵槽14,將平鍵16固定于方形鍵槽14中與振動軸形成一個整體。旋轉(zhuǎn)振動軸，使其平鍵16突出振動軸部分與轂9內(nèi)壁的方槽20對齊，振動軸沿著方槽20滑入轂9中。
[0021]下法蘭軸承7上端安裝有下部夾具6，用固定螺釘17將下部夾具6與下法蘭軸承7固定，下部夾具6前后端面分別開有通孔，采用磁軛螺釘18利用通孔將下部夾具6與E型左、右磁軛4、5固定。E型左、右磁軛4、5分別安裝在振動軸I中部凹陷部分的左右側(cè)，各E型磁軛的三個長方形端面中心，分別與振動軸I中三塊永磁體11、12、13各個圓面中心對齊，且E型磁軛4、5的長方形端面部分與振動軸中三塊永磁體圓面之間分別留有等距氣隙。每個磁軛端面與端面之間部分纏有線圈19，四個線圈部分首尾串聯(lián)聯(lián)接。每個E型磁軛上部同樣通過磁軛螺釘被上部夾具3夾緊固定，上部夾具3通過固定螺釘17與上法蘭軸承2相連。上法蘭軸承2與下法蘭軸承7的結(jié)構(gòu)完全相同，位置相對于E型磁軛對稱；上部夾具
3、下部夾具6結(jié)構(gòu)完全相同，位置相對于E型磁軛對稱。
[0022]振動軸部分:選用圓柱形奧氏體不銹鋼(非導磁材料)作為振動軸1，避免影響磁路。振動軸全長330mm,兩端直徑為25mm,兩端長度均為85mm,中部凹陷，凹陷部分為扁平結(jié)構(gòu)，凹陷部分長160mm,厚10mm。中部凹陷的部分自上而下均勻加工三塊直徑為20mm的通孔，三個通孔中，中間通孔心部位于振動軸長度方向的二分之一處，上、下通孔心部分別距中心通孔心部30mm。通孔內(nèi)各放置一塊外徑為20mm、厚度為IOmm的圓柱形永磁體,三塊圓柱形永磁體的N、S極依次異相排列，此三塊永磁體圓面中心分別和E型磁軛的三個端面中心相對。振動軸末端開有方形鍵槽14，將平鍵16固定于方形鍵槽14中，目的是防止發(fā)電機在振動過程中，振動軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
[0023]圖1為電磁式振動發(fā)電機的裝配圖。試驗時，外力作用在發(fā)電機振動軸I上，發(fā)電機振動軸末端與彈黃接觸，壓縮彈黃。為防止振動軸I在振動過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在振動軸末端開有3.5X4X8mm方形鍵槽14，槽內(nèi)置入4X4X8mm平鍵，平鍵置入尺寸為2mm與振動軸實現(xiàn)緊聯(lián)接。轂為26mmX34mmX IOOmm的空心圓柱體，轂內(nèi)壁開有4.5X1.5X100mm方槽，與平鍵實現(xiàn)松聯(lián)接，這種軸轂配合結(jié)構(gòu)使得發(fā)電機在振動過程中不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。磁軛4、5為E型結(jié)構(gòu)，分為上端面、中端面與下端面，三個端面尺寸都是10 X 20mm,三個端面彼此間距20mm。在此過程中嵌鑲在發(fā)電機振動軸上的三塊永磁體11-13與靜止不動的E型磁軛
4、5產(chǎn)生相對運動，導致磁軛內(nèi)部磁感應強度B發(fā)生變化，E型磁軛上纏有線圈，根據(jù)法拉第電磁感應定律，線圈上會產(chǎn)生感應電動勢，用示波器采集的電壓波形如圖5所示。振動軸I下端穿過下部夾具6與下法蘭軸承7，末端平鍵16對準方槽20，振動軸沿著方槽滑入轂9中與轂內(nèi)彈簧15相接，振動軸中部凹陷處三塊永磁體端面圓心分別和左右E型磁軛上、中、下三個端面中心相對,振動軸上端高出上法蘭軸承2，預應力可加載到振動軸上端面處。
[0024]圖2為發(fā)電機振動軸裝配圖。振動軸為25mm中部凹陷的圓柱體不銹鋼，凹陷部分安裝三塊外徑為20mm厚IOmm的圓柱形釹鐵硼永磁體11_13 (Nd2Fel4B，型號為N45)，三塊永磁體中心距為30mm,末端開有3.5X4X8mm方形鍵槽14。
[0025]考慮到永磁與磁軛之間有較強吸引力，因此運用分布在兩端的圓法蘭直線軸承2、7對振動軸進行限位，將永磁與磁軛之間的引力轉(zhuǎn)化為振動軸與軸承之間的滾動摩擦力，大幅度削減磁力作用對發(fā)電機振動的影響。
[0026]磁軛部分:E型左右磁軛4、5部分各米用40片0.5mm厚娃鋼片疊壓而成,根據(jù)永磁材料的磁性能與娃鋼片的B-H曲線來確定磁軛前端面的尺寸。磁軛長70mm,寬20mm,端面寬10mm，端面與端面距離20mm。硅鋼片上、下部分開有通孔，螺釘18依次穿過夾具通孔、磁軛通孔，將上部夾具3、下部夾具6與左右磁軛4、5固定。上部夾具3、下部夾具6結(jié)構(gòu)完全一致，夾具的前后端面在相同位置處，分別加工兩個直徑為3mm的通孔，通孔圓心距26mm。夾具上端面加工直徑為5mm圓心距為51mm的兩個通孔。E型左磁軛4上部線圈逆時針繞制，下部磁軛線圈順時針繞制，將上部線圈末端與下部線圈首端焊接；右磁軛5上部線圈順時針繞制，下部線圈逆時針繞制，將上部線圈末端與下部線圈首端焊接；再將左磁軛4下部線圈末端與右磁軛5上部線圈始端串聯(lián)連接，當發(fā)電機運行時四個線圈相當于四個電源串聯(lián)在一起，使總輸出電動勢增強。
[0027]支架部分:發(fā)電機支架主要由底盤10、彈簧15 (內(nèi)置)、支撐螺栓8、轂9組成。底盤10直徑120mm、厚8mm ;支撐螺栓8長150mm ;轂內(nèi)徑26mm、外徑34mm、高90mm。底盤下表面開有直徑為9mm的兩個下潛孔，孔距與軸承法蘭孔距保持一致直徑為51mm，裝配完成后底盤與地面可平穩(wěn)接觸。利用支撐螺栓8固定底盤10與下法蘭軸承7。轂9內(nèi)開有方槽20，將安裝有平鍵16的振動軸一端滑入轂中，實現(xiàn)軸轂配合，防止發(fā)電機在振動過程中偏轉(zhuǎn)。轂9中放置高度為80_的彈簧15，為振動軸I提供回復力。
[0028]動態(tài)過程:當發(fā)電機振動軸I受到一定變化的外界力F的作用時，將力F傳遞給彈簧15，此過程中振動軸與E型左、右磁軛4、5產(chǎn)生相對運動，彈簧發(fā)生形變，當外力消失時，由于彈簧15的作用振動軸回復到平衡位置。在此過程中，隨著振動軸的振動，由圓柱形永磁體11-13及左右磁軛4、5組成的磁路部分內(nèi)磁感應強度B時刻發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應定律，當磁感應強度B變化時，線圈中產(chǎn)生感應電動勢。
[0029]圖5為振動頻率為10Hz、振幅為IOmm條件下振動發(fā)電機的輸出電動勢波形圖。圖中橫坐標T代表時間，單位為秒，縱坐標U代表輸出電壓，單位為伏特。由圖5可知振動發(fā)電機的輸出電壓峰值為6V,表明研制的振動發(fā)電機在低頻下具有很大的輸出電壓。
[0030]本發(fā)明未盡事宜為公知技術。
【權(quán)利要求】
1.一種電磁式振動發(fā)電機，該發(fā)電機結(jié)構(gòu)包括:主體結(jié)構(gòu)為軸對稱式立方體結(jié)構(gòu)，發(fā)電機底盤上部安裝空心圓柱型轂，轂內(nèi)底部空心部分放置彈簧；轂頂部安裝相同內(nèi)徑的下法蘭軸承，下法蘭軸承通過支撐螺栓與底盤連接固定，振動軸的下部穿過下法蘭軸承在轂內(nèi)與彈簧接觸； 振動軸為中部凹陷的對稱柱狀結(jié)構(gòu)，中部凹陷的部分自上而下均勻設置有三個通孔，每個通孔內(nèi)嵌有一塊圓柱形永磁體，三塊圓柱形永磁體依次異相排列；振動軸下端穿過下部夾具與下法蘭軸承，振動軸上端穿過上部夾具與上法蘭軸承，并高出上法蘭軸承； 下法蘭軸承上端安裝有下部夾具，夾具前后端面分別開有通孔，磁軛螺釘穿過通孔將夾具與兩個E型磁軛固定；兩個E型磁軛分別安裝在振動軸中部凹陷部分的左右側(cè)，E型磁軛的三個長方形端面中心，分別與振動軸中三塊永磁體圓面中心對齊，且每個E型磁軛的長方形端面部分與振動軸中三塊永磁體圓面之間分別留有等距氣隙；每個磁軛端面與端面之間部分纏有線圈，四個線圈部分首尾串聯(lián)聯(lián)接；每個E型磁軛上部同樣通過磁軛螺釘被上部夾具夾緊固定，上部夾具的頂端通過固定螺釘與上法蘭軸承相連；上法蘭軸承與下法蘭軸承的結(jié)構(gòu)相同，位置相對于E型磁軛對稱；上部夾具、下部夾具結(jié)構(gòu)完全相同，位置相對于E型磁軛對稱。
2.如權(quán)利要求1所述的電磁式振動發(fā)電機，其特征為所述的轂內(nèi)壁開有方槽，振動軸下部開有方形鍵槽，將平鍵固定于方形鍵槽中，另將平鍵突出振動軸部分置于轂內(nèi)壁的方槽中。
【文檔編號】H02K35/02GK103607092SQ201310444325
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】王博文, 李志鵬, 王志華, 孫英, 翁玲 申請人:河北工業(yè)大學