CN207053358U - 一种基于软磁体的按压式发电装置 - Google Patents

Abstract

一种基于软磁体的按压式发电装置，属于机械领域。本实用新型利用软磁体可被反复磁化的特点；当发电装置不受外力时，软磁体与永磁体的下磁极在同一水平高度，假设此时永磁体的下磁极为N极，则永磁体将软磁体靠近永磁体的一端磁化为S极，远离永磁体的一端磁化为N极；当有外力施加在按压板上使得永磁体移动到其上磁极与软磁体在同一水平高度时，此时软磁体靠近永磁体的部分被磁化为N极，远离永磁体的部分被磁化为S极；当施加在按压板上的外力撤去时，永磁体被弹簧复位而向上运动，整个发电装置恢复初始状态。在永磁体移动过程中，软磁体内部的磁通量发生变化，导电线圈产生感应电流。本实用新型成本低，发电效果好，易于推广。

Description

一种基于软磁体的按压式发电装置

技术领域

本实用新型属于机械领域，尤其涉及一种机械发电装置。

背景技术

现有的按压式发电装置主要由压电材料构成，在压力的作用下，压电材料产生形变，进而产生电压，对电能进行收集。利用压电材料设计的发电装置，主要存在的问题有：压电材料成本高，发电量小，所能承受的压力有限，在压力超出限定的情况下，很容易造成发电装置的损坏。

实用新型内容

针对上述不足之处，本实用新型提出一种基于软磁体的按压式发电装置，利用软磁体可以被反复磁化的特点，对施加在其上的外力产生的能量进行收集，起到节能减排、收集能量的作用。

本实用新型的技术方案为：

一种基于软磁体的按压式发电装置，

包括底座4，所述底座4为由底板、侧板和顶板3围起来的腔体；

所述底座4内从下至上依次设置有弹簧8、永磁体7和按压块2；

所述永磁体7上下极性相反；

所述按压块2为两段式柱形器件，其上端横截面积小于下端横截面积；

所述顶板3的中间开有窗口，所述窗口面积大于所述按压块2的上端横截面积小于所述按压块2的下端横截面积，使得所述按压块2的上端能够伸出所述顶板3上的窗口；

所述按压块2的上端还固定有按压板1；

所述底座4的侧板上对称开有至少一组通孔，所述通孔内固定有软磁体6，所述软磁体6的轴线与所述永磁体7的轴线相互垂直，所述软磁体6周围设置有导电线圈5；

当所述按压板1不受外力时，所述软磁体6与所述永磁体7的下磁极处于同一水平高度；当所述按压板1受外力作用时，所述按压板1通过按压块2带动所述永磁体7向下移动，直到所述软磁体6与所述永磁体7的上磁极处于同一水平高度；当撤去外力后，所述弹簧8带动所述永磁体7复位。

具体的，所述按压板1与所述顶板3的距离为所述永磁体7上磁极的高度。

具体的，所述底座4的侧板上设置有固定杆9，所述固定杆9在所述软磁体6两侧，用于固定导电线圈5。

具体的，所述弹簧8为无磁性弹簧。

具体的，所述永磁体7为N52方形强磁，其尺寸为46mm×46mm×25mm。

具体的，所述固定杆9的材料为低碳钢材料或者塑料。

具体的，所述软磁体6的材料为硅钢片。

具体的，所述导电线圈5采用线性为0.6mm的铜丝。

本实用新型的工作原理为：

当发电装置不受外力时，软磁体6与永磁体7下半部分的磁极在同一水平高度，假设此时永磁体下半部分磁极为N极，则永磁体7将软磁体6靠近永磁体7的一端磁化为S极，由磁体性质可知软磁体6远离永磁体7的一端被磁化为N极。

当有外力施加在按压板1上，使得永磁体7移动到其上半部分的磁极与软磁体6在同一水平高度时，此时软磁体6靠近永磁体7的部分被磁化为N极，远离永磁体7的部分被磁化为S极。

当施加在按压板1上的外力撤去时，永磁体7被弹簧8复位而向上运动，整个发电装置恢复初始状态，此时软磁体6靠近永磁体7的部分被磁化为S极，远离永磁体7的部分被磁化为N极。

在施加外力和复位的过程中，软磁体6内部的磁通量发生变化，导电线圈5产生感应电流。

本实用新型的有益效果为：本实用新型提供的发电装置成本较低，利于推广；且发电效果理想，能量回收率高，在单位面积内的发电功率约为压电陶瓷式发电装置的4.3倍，而成本仅为压电陶瓷式发电装置的5.5％左右。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种基于软磁体的按压式发电装置的结构示意图。

图2为本实用新型提供的一种基于软磁体的按压式发电装置的整体图。

图3为底座的结构示意图。

图4为顶板的结构示意图。

图5为支杆的结构示意图。

图6为按压块的结构示意图。

图7为踏板的结构示意图。

图8为发电装置稳态时内部图。

图9为发电装置受压时内部图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本实用新型。

如图1所示为本实用新型提供的一种基于软磁体的按压式发电装置的结构示意图，包括底座4，所述底座4为由底板、侧板和顶板3围起来的腔体；所述底座4内从下至上依次设置有弹簧8、永磁体7和按压块2；所述永磁体7上下极性相反；所述按压块2为两段式柱形器件，其上端横截面积小于下端横截面积；所述顶板3的中间开有窗口，所述窗口面积大于所述按压块2的上端横截面积小于所述按压块2的下端横截面积，使得所述按压块2的上端能够伸出所述顶板3上的窗口；所述按压块2的上端还固定有按压板1；所述底座4的侧板上对称开有至少一组通孔，所述通孔内固定有软磁体6，所述软磁体6的轴线与所述永磁体7的轴线相互垂直，所述软磁体6周围设置有导电线圈5。本实用新型中的弹簧8为无磁性弹簧。

永磁铁磁性的强弱会对装置的发电效果起到至关重要的作用，为了得到良好的发电效果，本实施例中的永磁体7采用N52方形强磁，其尺寸为46mm×46mm×25mm。充磁方向为面积最大的正方形方向，使永磁体在厚度方向上分为N、S两极。在给按压板1施力与弹簧8复位的作用下，永磁体7的两极在底座1内上下移动，反复磁化软磁体6。

如图4所示为本实施例中顶板3的结构图，顶板3与底座4的侧板用螺栓紧固，按压块2上端伸出顶板3。底座4侧板上共设置八个固定杆9，每个侧面为两个固定杆9与底座4的侧板用螺栓紧固。导电线圈框架套在固定杆9上，框架内部固定安放软磁体6，本实施例中的软磁体6为铁芯。如图7所示为本实施例中按压板1的结构图，按压板1安放在按压块2伸出的部分之上，与按压块2用螺栓紧固。

如图3所示为本实施例中底座4的结构示意图。底座的主要作用是承载弹簧8与限制永磁体7的位移方向，同时与按压块2和按压板1作用限制受力时与静态时的永磁体7的位置，使永磁体7在受到外力作用时刚好产生一个极性的位移。底座四周每个面具有一个方形的通孔和两个带螺孔的凹槽。其中设置通孔的目的为了保证永磁体7对铁芯的磁化效果，使导电线圈内的磁感应强度达到最理想的状态；设置凹槽的目的是为了便于将固定杆9固定在底座侧面，使导电线圈框架尽可能的稳定。考虑到磁铁磁性的影响、加工成本已经使用的便捷性，底座制造材料选为塑料。该材料能够满足底座在使用过程中的力学性能、强度要求，同时不会对强磁的磁化效果产生影响，保障了发电单元的发电效果。

如图5所示为固定杆的结构图，固定杆的主要作用是支撑导电线圈框架。考虑到固定杆在导电线圈内部，对导电线圈内部的磁感应强度变化会产生一定的影响。为了尽可能降低固定杆的存在对导电线圈内部磁感应强度的影响，在保证固定杆性能要求和减少加工成本的条件下，采用低碳钢材料或者塑料进行固定杆加工。

软磁体6即本实施例中的铁芯的设计主要基于保证导电线圈内部的磁感应强度使磁感应的变化达到最大，进而保证感应电流的大小。因此铁芯采用硅钢片制作，可以有效的减少铁芯内部的涡流，使踩踏压力产生的感应电流值达到最大。

导电线圈所绕铜丝的线径、长度、以及导电线圈的匝数都会对感应电流的大小产生影响，由于导电线圈所绕铜丝的体积有限，综合考虑铜丝长度、线径、匝数以及铜损的产生并结合多次实验数据，本实施例中采用线性为0.6mm的铜丝作为绕线。

复位弹簧的设计综合考虑磁铁的重量以及发电装置所受外力，为了使永磁体7在底座4内部有良好的稳定性，装配后的发电装置中复位弹簧有3mm的预压缩量。

如图6所示为按压块2的结构示意图，按压块2与永磁体7上表面接触，在考虑摩擦力的因素下接触面积尽可能大以保证按压效果。按压块2上端伸出顶板部分与按压板1相连接，当按压板1受到外力的作用时，推动按压块2向下作用，直至按压板1与顶板3接触，按压板2与所述顶板3的距离等于所述永磁体7上磁极的高度。

本实用新型提供的发电装置可设置于公交车阶梯踏板内，当乘客的踩踏压力作用在阶梯上时，阶梯表面在竖直方向上向下移动微小距离，当乘客的踩踏压力撤去时，装置在内部复位弹簧的作用下推动阶梯表面进行复位。一块公交车发电阶梯下面设置若干发电装置，发电装置利用乘客踩踏过程阶梯表面产生的机械运动经行发电，其中发电装置的个数视公交车阶梯形状及面积而定。

发电装置的设计主要依靠软磁体磁性的易变形。当没有踩踏压力作用在阶梯表面时，由于复位弹簧的作用，按压部分限位面紧贴在顶板上，永磁体紧贴在按压部分下表面，铁芯的高度设定与永磁体单个极性尺寸高度相同，此时永磁体下半部分的磁极(假定为N极)将底座四周靠近底座的铁芯端磁化为S极，由磁体性质可知铁芯远离底座的一端被磁化为N极，如图8所示。当踩踏压力作用在阶梯表面时，阶梯沿竖直方向向下产生一段微小距离，发电单元踏板被按压，连动按压块向下压永磁体，永磁体有向下的位移，使永磁体上半部分的磁极(S极)与底座四周铁芯的截面行对应，铁芯靠近永磁体的部分被磁化为N极，远离永磁体的部分被磁化为S极，如图9所示，踩踏时踏板与顶板的接触起到限位的作用。在此过程中，铁芯内部的磁通量发生变化，导电线圈产生感应电流。当踩踏压力撤去时，永磁体被复位弹簧作用向上运动，整个装置恢复初始状态，阶梯表面复位。

当公交车在站点暂停时，乘客上车与下车对地板产***压力，在此过程中发电单元反复受压与复位，导电线圈中不断的产生感应电流。阶梯下面的多个发电单元产生的感应电流通过电路整流滤波结构储存在蓄电装置中。

该装置采用的主要材料有塑料、钢，结构简单，利于大规模生产，初步估计单个装置的成本在110元作用，成本较低，利于推广。另一方面该装置的发电效果客观，优化后的踩踏发电单元最大输出功率可达0.2W，相比于现有的压电陶瓷式发电地板，在单位面积内该装置的发电功率约为压电陶瓷式发电地板的4.3倍，而成本仅为压电陶瓷式发电地板的5.5％左右，故该装置成本低廉，发电效果理想，更具推广价值。根据互联网数据，以成都市为例，成都市公交线路约900条，每条线路公交车4-5辆，客流量约520W，平均每日每车客流量约为1284人，踩踏次数约为5135次。根据实际情况分析，每个公交车内部阶梯最少可以设置32个发电单元，平均每辆公交车日收集电量可达0.045kw·h，整个成都市日收集电量可达2.34×10⁵kw·h，发电效果十分客观，有效的节约了能量。

该装置小巧便捷，成本低廉，发电效果好，能量回收率高，在公交车上有良好的应用效果。同时该装置有很好的推广性，可应于地铁站门口，人流密度较大的广场，游客较多的风景区等，通过人行走时的踩踏力可以收集很多能量。

该装置采用电磁发电技术，利用人在公交车的上车与下车时的踩踏力带动装置内的永磁体运动，并通过复位装置对软磁体进行反复的磁化，将产生的电能收集起来，可用于公交车的照明。

本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于软磁体的按压式发电装置，其特征在于，

包括底座(4)，所述底座(4)为由底板、侧板和顶板(3)围起来的腔体；

所述底座(4)内从下至上依次设置有弹簧(8)、永磁体(7)和按压块(2)；

所述永磁体(7)上下极性相反；

所述按压块(2)为两段式柱形器件，其上端横截面积小于下端横截面积；

所述顶板(3)的中间开有窗口，所述窗口面积大于所述按压块(2)的上端横截面积小于所述按压块(2)的下端横截面积，使得所述按压块(2)的上端能够伸出所述顶板(3)上的窗口；

所述按压块(2)的上端还固定有按压板(1)；

所述底座(4)的侧板上对称开有至少一组通孔，所述通孔内固定有软磁体(6)，所述软磁体(6)的轴线与所述永磁体(7)的轴线相互垂直，所述软磁体(6)周围设置有导电线圈(5)；

当所述按压板(1)不受外力时，所述软磁体(6)与所述永磁体(7)的下磁极处于同一水平高度；当所述按压板(1)受外力作用时，所述按压板(1)通过按压块(2)带动所述永磁体(7)向下移动，直到所述软磁体(6)与所述永磁体(7)的上磁极处于同一水平高度；当撤去外力后，所述弹簧(8)带动所述永磁体(7)复位。

2.根据权利要求1所述的基于软磁体的按压式发电装置，其特征在于，所述按压板(1)与所述顶板(3)的距离为所述永磁体(7)上磁极的高度。

3.根据权利要求1所述的基于软磁体的按压式发电装置，其特征在于，所述底座(4)的侧板上设置有固定杆(9)，所述固定杆(9)在所述软磁体(6)两侧，用于固定导电线圈(5)。

4.根据权利要求1所述的基于软磁体的按压式发电装置，其特征在于，所述弹簧(8)为无磁性弹簧。

5.根据权利要求1所述的基于软磁体的按压式发电装置，其特征在于，所述永磁体(7)为N52方形强磁，其尺寸为46mm×46mm×25mm。

6.根据权利要求3所述的基于软磁体的按压式发电装置，其特征在于，所述固定杆(9)的材料为低碳钢材料或者塑料。

7.根据权利要求1所述的基于软磁体的按压式发电装置，其特征在于，所述软磁体(6)的材料为硅钢片。

8.根据权利要求1所述的基于软磁体的按压式发电装置，其特征在于，所述导电线圈(5)采用线性为0.6mm的铜丝。