CN112583226A - 永磁体的振动发电装置和电缆检测*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种永磁体的振动发电装置和电缆检测***，该永磁体的振动发电装置包括壳体、动子模组、定子绕组和静态永磁体。壳体开设有容纳腔，动子模组设置于容纳腔，该动子模组包括动子永磁体和铁磁柱体，动子永磁体和铁磁柱体依次交错连接；地址绕组设置于壳体，且绕设于动子模组；静态永磁体设置于容纳腔，且与动子永磁体间隔设置。本申请提供的永磁体的振动发电装置通过将动子永磁体和铁磁柱体依次交错连接，使得动子绕组中产生的感应电动势更加稳定，从而使用本申请提供的永磁体的振动发电装置将振动能转换为电能的效率较高。

Description

永磁体的振动发电装置和电缆检测***

技术领域

本申请涉及能量转换的技术领域，特别是涉及一种永磁体的振动发电装置和电缆检测***。

背景技术

能源作为现代社会运转的基石，在人类社会发展重起着至关重要的作用。随着世界能源的日益匮乏，节约能源与能源的回收利用越来越受到各国的重视，如太阳能、风能、海洋能和振动能等可再生能源已逐渐成为社会关注的焦点。振动无处不在，取之不尽、用之不竭。例如：对于配网电力电缆线路，电缆由于承受的大负荷，在工频磁场及电场作用下可以产生低频振动。

在传统技术中，通过将永磁振动电机安装在电缆表面，可以将电缆的振动能转换为电能，从而能够为电缆检测设备供电。然而，该永磁振动电机将振动能转换为电能的效率较低。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种永磁体的振动发电装置和电缆检测***。

一方面，本申请一个实施例提供一种永磁体的振动发电装置，包括：

壳体，开设有容纳腔；

动子模组，设置于所述容纳腔，所述动子模组包括：动子永磁体和铁磁柱体，所述动子永磁体和所述铁磁柱体依次交错连接；

定子绕组，设置于所述壳体，且绕设于所述动子模组；

静态永磁体，设置于所述容纳腔，且与所述动子永磁体间隔设置。

在其中一个实施例中，所述动子永磁体的数量为4个，所述铁磁柱体的数量为3个。

在其中一个实施例中，所述铁磁柱体为空心圆柱。

在其中一个实施例中，所述动子永磁体的长度为9mm，所述动子永磁体的半径为3mm，所述铁磁柱体的长度为9mm，所述铁磁柱体的内径为2mm，外径为3mm。

在其中一个实施例中，还包括：

固定板，设置于所述壳体远离所述静态永磁体的一端。

在其中一个实施例中，所述定子绕组包括：

定子线圈槽，设置于所述壳体；

定子线圈，设置于所述定子线圈槽，且绕设于所述动子模组。

在其中一个实施例中，所述定子绕组的数量为两个。

在其中一个实施例中，所述定子线圈的匝数为1000匝。

在其中一个实施例中，所述动子永磁体的材料为钕铁硼。

另一方面，本申请一个实施例还提供一种电缆检测***，包括如上述实施例提供的永磁体的振动发电装置。

本申请实施例提供一种永磁体的振动发电装置和电缆检测***，该永磁体的振动发电装置包括壳体、动子模组、定子绕组和静态永磁体。壳体开设有容纳腔，动子模组设置于容纳腔，该动子模组包括动子永磁体和铁磁柱体，动子永磁体和铁磁柱体依次交错连接；定子绕组设置于壳体，且绕设于动子模组；静态永磁体设置于容纳腔，且与动子永磁体间隔设置。本申请提供的永磁体的振动发电装置通过将动子永磁体和铁磁柱体依次交错连接，使得动子模组在切割磁力线时，定子绕组中产生的感应电动势更加稳定，从而可以提高振动能转换为电能的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域不同技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例提供的永磁体的振动发电装置的结构示意图；

图2为本申请一个实施例提供的斥力与间距之间的关系示意图；

图3为本申请一个实施例提供的动子模组不同结构下的感应电动势的变化示意图；

图4为本申请一个实施例提供的动子模组不同结构下的感应电动势的变化示意图；

图5为本申请一个实施例提供的不同铁磁柱体长度下感应电动势的变化示意图；

图6为本申请一个实施例提供的永磁体的振动发电装置的结构示意图；

图7为本申请一个实施例提供的两个定子绕组时感应电动势的变化示意图；

图8为本申请一个实施例提供的永磁体的振动发电装置的等效电路的结构示意图。

附图标记说明：

10、永磁体的振动发电装置；100、壳体；101、容纳腔；200、动子模组；210、动子永磁体；220、铁磁柱体；300、定子绕组；310、定子线圈槽；320、定子线圈；400、静态永磁体；500、固定板。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

下面以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本申请提供的永磁体的振动发电装置可以将日常生活中无处不在的振动能转换为电能。例如，可以将电缆供电时电缆表面振动能转换为电能，使用该电能可以为电缆检测设备供电。其中，电缆检测设备可以是温度检测器件、漏电检测器件和绝缘性检测器件等。

请参见图1，本申请一个实施例提供一种永磁体的振动发电装置10包括壳体100、动子模组200、定子绕组300和静态永磁体400。其中，

壳体100开设有容纳腔101。壳体100可以是长方体结构，也可以式圆柱体结构或者其他不规则的立体结构。容纳腔101的大小可以根据设置于容纳腔101内的组件的大小进行设置。本实施例对壳体100的形状、大小和材料等不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

动子模组200设置于容纳腔101内，可以在容纳腔101内沿着某一方向做直线往复运动。具体的，动子模组200可以沿水平方向做直线往复运行，也可以沿竖直方向做直线往复运行。动子模组200包括动子永磁体210和铁磁柱体220。动子永磁体210是指可以运动的永磁体，动子永磁体210的材料可以是稀土永磁材料，也可以是金属永磁材料或者铁氧体永磁材料等。铁磁柱体220采用的是铁磁材料。铁磁材料是指很小的磁场作用下就被磁化到饱和的物质，铁磁柱体220可以是圆形钢柱等。动子永磁体210和铁磁柱体220依次交错连接，也就是说，一个动子永磁体一个铁磁柱体，再一个动子永磁体和一个铁磁柱体依次的连接。具体的，假设有3个动子永磁体，2个铁磁柱体，则动子永磁体210和铁磁柱体220的排列方式为：动子永磁体-铁磁柱体-动子永磁体-铁磁柱体-动子永磁体。本实施例对动子永磁体210和铁磁柱体220的数量和材料等不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

定子绕组300设置于壳体100，既，定子绕组300套设在壳体100外部。定子绕组300可以固定连接在壳体100外部，也可以活动连接在壳体100外部。定子绕组300绕设于动子模组200，定子绕组300可以形成磁力线，动子模组200在做直线往复运动时，可以切割磁力线。在一个具体的实施例中，壳体100外部设置有螺纹，定子绕组300设置有与壳体100外部相对应的螺纹，定子绕组300与壳体100螺纹连接，这样便于根据动子模组200平衡时的位置以及动子模组200做往复运动时的运动轨迹调整定子绕组300的设置位置，从而提供了永磁体的振动发电装置10的实用性。本实施例对定子绕组300的结构、设置位置以及定子绕组300与壳体100的连接方式等不作任何限制，只要能够实现其功能即可。

静态永磁体400设置于容纳腔101，并且静态永磁体400与动子永磁体210间隔设置。对于静态永磁体400的材料的描述可以参考上述对动子永磁体210的具体描述，在此不再赘述。在一个具体的实施例中，永磁体的振动发电装置10沿竖直方向设置，静态永磁体400设置在动子模组200的下方，静态永磁体400的N极与动子永磁体210的N极相对设置，则静态永磁体400和动子永磁体210之间会产生斥力。这样静态永磁体400和动子模组200可以构成一种新型的悬浮弹簧，该悬浮弹簧具有工作摩擦小、噪声低且使用寿命长。并且能够避免传统机械弹簧疲劳变形、噪声大、断裂且平衡慢等缺点，从而能够提高永磁体的振动发电装置10的实用性和可靠性。静态永磁体400与动子模组200之间形成的斥力和静态永磁体400与动子模组200之间的间距之间的关系如图2所示的曲线，该曲线经多项式拟合可获取斥力随间距量化的规律，具体公式为：F＝0.99281-0.08941×b+0.002b²，其中，F表示静态永磁体400与动子模组200之间的斥力，b为静态永磁体400与动子模组200之间的间距。由图2以及上述公式可以看出，静态永磁体400与动子模组200之间的斥力与静态永磁体400与动子模组200之间的间距近似成反比关系，随着间距的增大，斥力逐渐增大。

本实施例提供的永磁体的振动发电装置10的工作原理如下：

动子模组200在无振动的情况下，根据动子模组200的重力以及静态永磁体400与动子模组200之间的斥力，设置动子模组200与静态永磁体400之间的间距，使得动子模组200可以处于平衡状态。当振动时，处于平衡状态的动子模组200受到振动而做上下往复运行，动子模组200会与定子绕组300的相对位置发生变化，即可以切割定子绕组300形成的磁力线，从而引起定子绕组300交连磁链的改变，进而使得定子绕组300产生感应电动势，实现了振动能向电能的转换。具体的感应电动势的计算公式如下：

其中，E为感应电动势，Ψ为磁链，B为磁感应强度，N为定子绕组的匝数，A为定子线圈的横截面积，n为横截面单位法向量，dS为动子模组相对运动的长度，v为动子模组相对于静态永磁体的相对运动速度。磁感应强度的径向分量为B_r，B_r＝sinθ；磁感应强度的轴向方向为B_z，B_z＝cosθ；在定子绕组为圆形时，磁感应强度的径向分量可以忽略。则感应电动势可以表示为

在定子绕组的数量为多个时，总的感应电动势为单个定子绕组的感应电动势的M倍，M为定子绕组的个数，总的感应电动势可以表示为

本实施例提供的永磁体的振动发电装置10包括壳体100、动子模组200、定子绕组300和静态永磁体400。壳体100开设有容纳腔101，动子模组200设置于容纳腔101，该动子模组200包括动子永磁体210和铁磁柱体220，动子永磁体210和铁磁柱体220依次交错连接；定子绕组300设置于壳体100，且绕设于动子模组200；静态永磁体400设置于容纳腔101，且与动子永磁体210间隔设置。本实施例提供的永磁体振动发电装置10通过动子永磁体210和铁磁柱体220依次交错连接，使得动子模组200在切割磁力线时，定子绕组300中产生的感应电动势更加稳定，从而可以提高振动能转换为电能的效率。

在一个实施例中，动子永磁体210的数量为4个，所述铁磁柱体220的数量为3个。动子永磁体210和铁磁柱体220的数量会影响定子绕组300产生的感应电动势。

在一个实施例中，铁磁柱体220为空心圆柱。空心圆柱的铁磁柱体220的重量轻且不会影响定子绕组300产生的感应电动势。同时，铁磁柱体220的重量较轻，则动子模组200的重量也会较轻，从而在保持动子模组200处于平衡时，需要的斥力就会较小，进而使得动子模组200与静态永磁体400之间的间距可以设置的较小。这样不仅可以减轻永磁体的振动发电装置10的重量，还可以减小永磁体的振动发电装置10的体积，同时还不会影响永磁体的振动发电装置10的转换效率，能够提高永磁体的振动发电装置10的实用性。

具体的，请参见图3和图4。图3中a曲线表示动子模组200只包括1个动子永磁体时，定子绕组300产生的感应电动势随时间变化的曲线；b曲线表示动子模组200包括2个动子永磁体，且2个动子永磁体依次连接时，定子绕组300产生的感应电动势随时间变化的曲线；c曲线表示动子模组200包括3个动子永磁体，且3个动子永磁体依次连接时，定子绕组300产生的感应电动势随时间变化的曲线；d曲线表示动子模组包括4个动子永磁体，且四个动子永磁体依次连接时，定子绕组300产生的感应电动势随时间变化的曲线；e曲线表示动子模组包括4个动子永磁体和3个实心铁磁柱体，且4个动子永磁体和3个实心铁磁柱体依次交错连接时，定子绕组300产生的感应电动势随时间变化的曲线；f曲线表示动子模组包括4个动子永磁体和3和空心铁磁柱体，且4个动子永磁体和3个空心铁磁柱体依次交错连接时，定子绕组300产生的感应电动势随时间变化的曲线。需要说明的是上述定子绕组300产生的感应电动势均是空载下的感应电动势。从图3和图4中可以看出，动子模组200不同的排列对定子绕组300产生的感应电动势产生了较大的影响。图3中各曲线的波形发生了明显的畸变，会对后续滤波带来一定的难度，则动子模组200在这样的排列方式下振动能转换为电能的效率较低；图4中各曲线具有较高的一致性，则动子模组200在这样的排列方式下振动能转换为电能的效率较高。比较e曲线和f曲线表示的动子模组200的排列方式，f曲线表示的动子模组200由于铁磁柱体采用的时空心的，所以动子模组200的重量较轻，并且f曲线的波形具有一致性，没有发生畸变。综上可以得出，动子模组200包括4个动子永磁体210，3个空心铁磁柱体220，且动子永磁体210与铁磁柱体220依次交错连接的结构下，永磁体的振动发电装置10将振动能转换为电能的转换效率较高。

在一个实施例中，动子永磁体210的长度为9mm，动子永磁体210的半径为3mm，铁磁柱体220的长度为9mm，铁磁柱体220的内径为2mm，外径为3mm。

在一个具体的实施例中，在动子永磁体210的数量为4个，空心的铁磁柱体220的数量为3个，且动子永磁体210和空心的铁磁柱体220依次交错连接时，对不同长度的铁磁柱体220下，定子绕组300产生的感应电动势进行了对比，如图5所示。由图5可以看出，在铁磁柱体220的长度为9mm时，定子绕组300产生的感应电动势高度一致，且可以达到的感应电动势最大，从而使得振动能转换为电能的效率提高。

请参见图6，在一个实施例中，永磁体的振动发电装置10还包括固定板500。固定板500设置于壳体100远离静态永磁体400的一端。固定板500可以将远离静态永磁体400的一端，可以封闭容纳腔101，从而能够避免动子模组200在上下往复运动时，超出容纳腔101，进而可以提高永磁体的振动发电装置10的实用性和可靠性。在一个具体的实施例中，永磁体的振动发电装置10沿竖直方向放置，静态永磁体400设置在永磁体的振动发电装置10的底部，固定板500设置在永磁体的振动发电装置10的顶部，动子模组200在固定板500和静态永磁体400之间。

请继续参见图6，在一个实施例中，定子绕组300包括定子线圈槽310和定子线圈320。定子线圈槽310设置于壳体100。定子线圈320设置于定子线圈槽310且绕设于动子模组200。定子线圈槽310的形状和大小可以根据壳体100的形状和大小进行设置。在一个具体的实施例中，定子线圈槽310为圆柱体形状，定子线圈槽310的两端与壳体100螺纹连接，定子线圈320缠绕在定子线圈槽310上。定子线圈320使用的为漆包铜线，该漆包铜线的导电率为5×107S/m，密度8.9g/cm3，定子线圈320的直径根据壳体100半径进行设置，定子线圈320的半径为0.15mm。

在一个实施例中，定子绕组300的数量为两个，即在壳体100外设置依次排列的两个定子线圈槽310，每个定子线圈槽310中均设置有定子线圈320。

在一个实施例中，定子线圈320的匝数为1000匝。当定子绕组300的数量有两个时，两个定子线圈320的匝数均为1000匝。

具体的，两个定子绕组300串联后的产生的感应电动势随时间变化曲线如图7所示。由图7可以看出，在两个定子绕组300串联后得到的感应电动势最大可达到1.8V。因此，两个定子绕组300设置的永磁体的振动发电装置10将振动能转换为电能的效率较高。

在一个实施例中，动子永磁体210的材料为钕铁硼。钕铁硼的磁性能较优，且性价比高，具有良好的机械特性。静态永磁体400的材料也可以是钕铁硼。在一个具体的实施例中，动子永磁体210的相对磁导率为1.1，磁化强度9.78×105A/m，剩磁为1.2T，矫顽力为8.9×105A/m，密度为7.5g/cm3，容纳腔101内气隙相对磁导率为1。

本申请一个实施例中提供一种电缆检测***包括如上述实施例提供的永磁体的振动发电装置。电缆检测***还可以包括温度检测器件和漏电检测器件等，温度检测器件用于检测电缆温度；漏电检测器件用于检测电缆是否存在漏电现象。永磁体的振动发电装置可以将电缆本体产生的振动能转换为电能，为温度检测器件和漏电检测器件等提供电能。这样能够充分利用振动能，减少电能的浪费。电缆检测***包括永磁体的振动发电装置，因此电缆检测***具有永磁体的振动发电装置的所有结构和有益效果。

在一个具体的实施例中，永磁体的振动发电装置10可以等效为如图8所示的电路图。图8中，R为等效负载的电阻，C为等效负载的电容，V1为总输出电压，电压频率为11.2Hz，V2为单个定子绕组端的电压，I为负载电流，r1为第一个定子绕组的等效电阻，r2为第二个定子绕组的等效电阻，L1为第一个定子绕组的等效电感，L2为第二个定子绕组的等效电感。定子绕组300的内部阻抗可以表示为：Z_G＝R_G+jX_G，其中，R_G＝r₁+r₂，X_G＝jωL₁+jωL₂。负载的阻抗可以表示为：

定子线圈320的电阻为r₁＝r₂＝ρL_r/s_r，其中，ρ为定子线圈320的电阻率，为ρ＝1.75×10-8Ω·m；L_r为定子线圈的长度，L_r＝15m，S_r为定子线圈漆包线的截面积，S_r＝7.069×10-8m2。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种永磁体的振动发电装置，其特征在于，包括：

壳体，开设有容纳腔；

动子模组，设置于所述容纳腔，所述动子模组包括：动子永磁体和铁磁柱体，所述动子永磁体和所述铁磁柱体依次交错连接；

定子绕组，设置于所述壳体，且绕设于所述动子模组；

静态永磁体，设置于所述容纳腔，且与所述动子永磁体间隔设置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动子永磁体的数量为4个，所述铁磁柱体的数量为3个。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铁磁柱体为空心圆柱。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述动子永磁体的长度为9mm，所述动子永磁体的半径为3mm，所述铁磁柱体的长度为9mm，所述铁磁柱体的内径为2mm，外径为3mm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

固定板，设置于所述壳体远离所述静态永磁体的一端。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定子绕组包括：

定子线圈槽，设置于所述壳体；

定子线圈，设置于所述定子线圈槽，且绕设于所述动子模组。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述定子绕组的数量为两个。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述定子线圈的匝数为1000匝。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动子永磁体的材料为钕铁硼。

10.一种电缆检测***，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的永磁体的振动发电装置。

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