CN110034653A - 用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器及采集方法 - Google Patents

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CN110034653A CN201910398485.7A CN201910398485A CN110034653A CN 110034653 A CN110034653 A CN 110034653A CN 201910398485 A CN201910398485 A CN 201910398485A CN 110034653 A CN110034653 A CN 110034653A
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冯汉炯
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器及采集方法，属于振动能量采集领域。目前应用于轨道交通方向的振动能量采集的装置存在的能量转化效率低的问题。一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器及采集方法，能量采集器在竖直方向外界振动的驱动下上下振动，上热解石墨板(4)上的上铜线圈(5)、下热解石墨板(8)上的下铜线圈(7)与悬浮永磁体(6)由于振动不同步而发生切割磁力线运动，从而在线圈内产生感应电动势。本发明具有结构简单，能量收集率高的优点，还可以根据适用环境进行自身调节，以更有效的进行振动能量采集。

Description

用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器及采集方法
技术领域
本发明涉及一种轨道交通振动能量采集，具体涉及一种用于轨道交通的微型振动能量采集器及采集方法。
背景技术
利用能量采集技术将环境中未使用的光能、热能、机械能和风能转换成电能，为各种低功耗电子产品持续供电，是为能源研究的一个重要方向。作为一种可自我维持微电源，微型振动能量采集器可以把***周围的机械能转换成电能，再加上其体积小、易于嵌入***内部，理论上可以无限期使用等优点。
现有的电磁式振动能量采集器处于研究阶段，在使用过程中需要消耗一部分外界振动能量，从而降低了振动能量的采集效率。需要一种更加高效的能量采集转换装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前应用于轨道交通方向的振动能量采集的装置存在的能量转化效率低的问题，而提出一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器及采集方法。
一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，所述的振动能量采集器包括固定外壳、铁磁性螺母、提升永磁体、上热解石墨板、上铜线圈、悬浮永磁体、下铜线圈、下热解石墨板、量尺和读数针；量尺设置在固定外壳的外侧壁上，读数针的一端在量尺上滑动，读数针的另一端固定安装在铁磁性螺母上，铁磁性螺母设置在固定外壳内部顶面，固定外壳内部且再铁磁性螺母的下方由上到下依次设置提升永磁体、上热解石墨板、悬浮永磁体、下热解石墨板，提升永磁体吸附的设置在铁磁性螺母的下表面上，上热解石墨板的下表面上安装上铜线圈，下热解石墨板的上表面设置下铜线圈，下热解石墨板固定安装在固定外壳的内底面；通过调整铁磁性螺母的位置带动提升永磁体与悬浮永磁体之间距离的调整。
一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集方法，根据提升永磁体和悬浮永磁体均为圆柱体或圆环结构，则两个磁体的磁感线在空间中呈对称分布，从而保证了悬浮永磁体稳定的悬浮在提升永磁体的正下方，并为悬浮永磁体偏离平衡位置提供一定的偏心回复力；在竖直方向，利用提升永磁体与悬浮永磁体之间的吸引力来抵消悬浮永磁体的重力，利用上热解石墨板和下热解石墨板的抗磁性来保证悬浮永磁体悬浮的稳定性，并与提升永磁体一起为悬浮永磁体提供竖直方向的平衡回复力；在理想的垂直放置状态下，能量采集器在竖直方向外界振动的驱动下上下振动，上热解石墨板上的上铜线圈、下热解石墨板上的下铜线圈与悬浮永磁体由于振动不同步而发生切割磁力线运动，从而在线圈内产生感应电动势；且通过调整读数针在量尺上滑动，来改变提升永磁体与悬浮永磁体之间的距离，进而调整提升永磁体与悬浮永磁体之间的力；其中，
提升永磁体与悬浮永磁体之间磁力F的理论计算式为
式中，μ0＝4π10-7，表示真空磁导率；μr表示相对磁导率；B表示悬浮永磁体处的磁感应强度；s表示悬浮永磁体的表面积；
能量采集器的最大输出功率Pmax为：
式中，R表示线圈内阻；Umax表示最大感应电压。
本发明的有益效果为：
本发明是利用钕铁硼(NdFeB)作为悬浮永磁体，是目前为止磁力最强的永久磁铁，由于具有较高的磁能积和矫顽力，所在永磁悬浮领域中被广泛采用。抗磁体由于具有抗磁性而在磁场中受到排斥力，可以与永磁体结合得到稳定的悬浮。热解石墨是常温下抗磁性能最强的材料，常被用于抗磁悬浮装置的研究。从而本发明涉及的微型抗磁悬浮振动能量采集器自上而下包括包括提升永磁体、上热解石墨板、悬浮永磁体、下热解石墨板，在上热解石墨板下侧面和下热解石墨板的上侧面电镀有铜线圈。竖直方向上，能量采集器在外界振动的驱动下上下振动，热解石墨板上面的铜线圈与悬浮永磁体由于振动不同步而发生切割磁力线运动，从而在线圈内产生感应电动势。本发明具有结构紧凑，能量收集转化率高、输出功率大的优点。
且能够通过量尺和读数针设置，将量尺和铁磁性螺母连接为一体，从而实现对整个能量采集器的适用情况进行调整，以保证其能够长时间工作于最大能量采集的状态。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，如图1所示，所述的振动能量采集器包括固定外壳1、铁磁性螺母2、提升永磁体3、上热解石墨板4、上铜线圈5、悬浮永磁体6、下铜线圈7、下热解石墨板8、量尺9和读数针10；量尺9设置在固定外壳1的外侧壁上，读数针10的一端在量尺9上滑动，读数针10的另一端固定安装在铁磁性螺母2上，铁磁性螺母2设置在固定外壳1内部顶面，固定外壳1内部且再铁磁性螺母2的下方由上到下依次设置提升永磁体3、上热解石墨板4、悬浮永磁体6、下热解石墨板8，提升永磁体3吸附的设置在铁磁性螺母2的下表面上，上热解石墨板4的下表面上安装上铜线圈5，下热解石墨板8的上表面设置下铜线圈7，下热解石墨板8固定安装在固定外壳1的内底面；通过调整铁磁性螺母2的位置带动提升永磁体3与悬浮永磁体6之间距离的调整。
具体实施方式二：
与具体实施方式一不同的是，本实施方式的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，所述的固定外壳1为筒形。
具体实施方式三：
与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，所述的铁磁性螺母2为圆柱形薄片。
具体实施方式四：
与具体实施方式三不同的是，本实施方式的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，所述的提升永磁体3为圆柱体。
具体实施方式五：
与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，所述的上热解石墨板4和下热解石墨板8为圆柱形薄片。
具体实施方式六：
与具体实施方式五不同的是，本实施方式的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，所述的悬浮永磁体6为圆柱体或圆环结构。
具体实施方式七：
本实施方式的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集方法，根据提升永磁体3和悬浮永磁体6均为圆柱体或圆环结构，则两个磁体的磁感线在空间中呈对称分布，从而保证了悬浮永磁体6稳定的悬浮在提升永磁体3的正下方，并为悬浮永磁体6偏离平衡位置提供一定的偏心回复力；在竖直方向，利用提升永磁体3与悬浮永磁体6之间的吸引力来抵消悬浮永磁体6的重力，利用上热解石墨板4和下热解石墨板8的抗磁性来保证悬浮永磁体6悬浮的稳定性，并与提升永磁体3一起为悬浮永磁体6提供竖直方向的平衡回复力；在理想的垂直放置状态下，能量采集器在竖直方向外界振动的驱动下上下振动，上热解石墨板4上的上铜线圈5、下热解石墨板8上的下铜线圈7与悬浮永磁体6由于振动不同步而发生切割磁力线运动，从而在线圈内产生感应电动势；且通过调整读数针10在量尺9上滑动，来改变提升永磁体3与悬浮永磁体6之间的距离，进而调整提升永磁体3与悬浮永磁体6之间的力；其中，
提升永磁体3与悬浮永磁体6之间磁力F的理论计算式为
式中，μ0＝4π10-7，表示真空磁导率；μr表示相对磁导率；B表示悬浮永磁体处的磁感应强度；s表示悬浮永磁体的表面积；
能量采集器的最大输出功率Pmax为：
式中，R表示线圈内阻；Umax表示最大感应电压。
具体实施方式八：
与具体实施方式七不同的是，本实施方式的用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集方法，将所述的上铜线圈5和下铜线圈7设置在能够最大限度的切割悬浮永磁体上下运动时的磁感线，提升电能产量。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，其特征在于：所述的振动能量采集器包括固定外壳(1)、铁磁性螺母(2)、提升永磁体(3)、上热解石墨板(4)、上铜线圈(5)、悬浮永磁体(6)、下铜线圈(7)、下热解石墨板(8)、量尺(9)和读数针(10)；量尺(9)设置在固定外壳(1)的外侧壁上，读数针(10)的一端在量尺(9)上滑动，读数针(10)的另一端固定安装在铁磁性螺母(2)上，铁磁性螺母(2)设置在固定外壳(1)内部顶面，固定外壳(1)内部且再铁磁性螺母(2)的下方由上到下依次设置提升永磁体(3)、上热解石墨板(4)、悬浮永磁体(6)、下热解石墨板(8)，提升永磁体(3)吸附的设置在铁磁性螺母(2)的下表面上，上热解石墨板(4)的下表面上安装上铜线圈(5)，下热解石墨板(8)的上表面设置下铜线圈(7)，下热解石墨板(8)固定安装在固定外壳(1)的内底面；通过调整铁磁性螺母(2)的位置带动提升永磁体(3)与悬浮永磁体(6)之间距离的调整。
2.根据权利要求1所述的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，其特征在于：所述的固定外壳(1)为筒形。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，其特征在于：所述的铁磁性螺母(2)为圆柱形薄片。
4.根据权利要求3所述的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，其特征在于：所述的提升永磁体(3)为圆柱体。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，其特征在于：所述的上热解石墨板(4)和下热解石墨板(8)为圆柱形薄片。
6.根据权利要求5所述的一种用于轨道交通的微型抗磁悬浮振动能量采集器，其特征在于：所述的悬浮永磁体(6)为圆柱体或圆环结构。
7.一种利用上述任意权利要求的装置进行振动能量采集的方法，其特征在于：根据提升永磁体(3)和悬浮永磁体(6)均为圆柱体或圆环结构，则两个磁体的磁感线在空间中呈对称分布，从而保证了悬浮永磁体(6)稳定的悬浮在提升永磁体(3)的正下方，并为悬浮永磁体(6)偏离平衡位置提供一定的偏心回复力；在竖直方向，利用提升永磁体(3)与悬浮永磁体(6)之间的吸引力来抵消悬浮永磁体(6)的重力，利用上热解石墨板(4)和下热解石墨板(8)的抗磁性来保证悬浮永磁体(6)悬浮的稳定性，并与提升永磁体(3)一起为悬浮永磁体(6)提供竖直方向的平衡回复力；在理想的垂直放置状态下，能量采集器在竖直方向外界振动的驱动下上下振动，上热解石墨板(4)上的上铜线圈(5)、下热解石墨板(8)上的下铜线圈(7)与悬浮永磁体(6)由于振动不同步而发生切割磁力线运动，从而在线圈内产生感应电动势；且通过调整读数针(10)在量尺(9)上滑动，来改变提升永磁体(3)与悬浮永磁体(6)之间的距离，进而调整提升永磁体(3)与悬浮永磁体(6)之间的力；其中，
提升永磁体(3)与悬浮永磁体(6)之间磁力F的理论计算式为式中，μ0＝4π10-7，表示真空磁导率；μr表示相对磁导率；B表示悬浮永磁体处的磁感应强度；s表示悬浮永磁体的表面积；
能量采集器的最大输出功率Pmax为：
式中，R表示线圈内阻；Umax表示最大感应电压。
8.一种利用上述任意权利要求的装置进行振动能量采集的方法，其特征在于：将所述的上铜线圈(5)和下铜线圈(7)设置在能够最大限度的切割悬浮永磁体上下运动时的磁感线，提升电能产量。
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