磁约束振动发电设备及振动发电系统的制作方法

本申请涉及发电设备领域，具体而言，涉及一种磁约束振动发电设备及振动发电系统。

背景技术：

社会生产活动中，人或者机械设备在工作时将会引起自身或者周围环境的振动。为实现清洁生产，可以利用振动换能装置收集环境中的振动能量，并将其转化为电能，实现监测节点自供电，实现长期结构健康状态监测。基于此，如何将环境中的振动能量有效地转化为电能是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

申请内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种磁约束振动发电设备及振动发电系统，以解决或者改善上述问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种磁约束振动发电设备，所述磁约束振动发电设备包括：

发电管道，所述发电管道包括第一端部以及第二端部；

设置在所述第一端部的第一磁体；

设置在所述第二端部的第二磁体；

设置在所述发电管道内部的可动磁体，所述可动磁体分别与所述第一磁体和所述第二磁体存在磁性互斥；以及

环设于所述发电管道外部，用于与外部负载电性连接的线圈；

当所述发电管道在外部振动源的激励下振动时，所述可动磁体相对于所述发电管道运动，使所述线圈的磁场发生变化以产生感应电压并输入到外部负载。

可选地，所述磁约束振动发电设备还包括：

设置在所述发电管道外部的至少一个第三磁体；

每个所述第三磁体、所述第一磁体以及所述第二磁体形成多稳态磁场，在所述发电管道内的多稳态磁场包括多个稳态位置，所述发电管道在外部振动源的激励下振动时，所述可动磁体相对于所述发电管道在各个稳态位置之间运动，其中，所述稳态位置为所述可动磁体在所述发电管道内运动时，所述可动磁体的电磁势能极小值点所在的位置。

可选地，所述磁约束振动发电设备还包括用于安装每个第三磁体的磁铁固定件。

可选地，所述磁约束振动发电设备还包括保护管道，所述发电管道设置在所述保护管道内部，所述保护管道与所述保护管道之间形成安装腔体；

所述线圈设置在所述安装腔体中。

可选地，所述磁约束振动发电设备还包括分别设置在所述线圈两端，用于将所述线圈的两端分别与所述发电管道固定连接的第一线圈固定件以及第二线圈固定件。

可选地，所述磁约束振动发电设备还包括：

用于与外部振动源固定连接的固定支座；

设置在所述第一端部处，用于与所述固定支座连接的固定支座连接轴；

设置在所述第一端部处，用于将所述发电管道与所述固定支座连接轴固定连接的第一发电管道连接套；

设置在所述第一端部处，用于将所述保护管道与所述固定支座连接轴固定连接的第一保护管道连接套；

设置在所述第二端部处的封盖；

设置在所述第二端部处，用于将所述发电管道与所述封盖固定连接的第二发电管道连接套；以及

设置在所述第二端部处，用于将所述保护管道与所述封盖固定连接的第二保护管道连接套。

可选地，所述第一端部、所述第一发电管道连接套以及所述固定支座连接轴形成用于容纳所述第一磁体的第一磁体腔体；

所述第二端部、所述第二发电管道连接套以及所述封盖形成用于容纳所述第二磁体的第二磁体腔体。

可选地，所述磁约束振动发电设备还包括设置在所述可动磁体与所述发电管道之间的至少一个导向珠，其中，所述导向珠的材料为非铁磁材料。

第二方面，本申请实施例还提供一种振动发电系统，所述振动发电系统包括：

第一方面所述的磁约束振动发电设备以及与所述磁约束振动发电设备电性连接的整流调压电路，其中，所述整流调压电路包括桥式整流单元以及调压单元；

所述磁约束振动发电设备用于在外部振动源的激励下产生感应电压，所述整流调压电路用于将所述感应电压转换为直流恒压电压。

可选地，所述振动发电系统还包括与所述整流调压电路电性连接的储能模块，所述储能模块用于储存所述整流调压电路转换后的直流恒压电压，并为外部负载供电。

相比现有技术，本申请提供的有益效果是：

本申请实施例提供的磁约束振动发电设备及振动发电系统，采用非线性磁斥力约束可动磁体，提高了振动发电时的灵敏性，同时，可动磁体在运动时不受机械结构的束缚，无需额外的机械结构，提高了发电设备结构的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的磁约束振动发电设备的一种示意图；

图2为本申请实施例提供的磁约束振动发电设备的一种多稳态示意图；

图3为本申请实施例提供的磁约束振动发电设备的另一种多稳态示意图；

图4为本申请实施例提供的磁约束振动发电设备的另一种多稳态示意图；

图5为本申请实施例提供的磁约束振动发电设备中可动磁体在发电管道内运动时，位移与势能的关系示意图；

图6为本申请实施例提供的磁约束振动发电设备中可动磁体在发电管道内运动时，位移与磁斥力的关系示意图；

图7为本申请实施例提供的磁约束振动发电设备的一种结构示意图；

图8为本申请实施例提供的振动发电系统的一种结构示意图。

图标：10-振动发电系统；100-磁约束振动发电设备；110-发电管道；111-第一发电管道连接套；113-第二发电管道连接套；115-固定支座连接轴；117-固定支座；131-第一磁体；133-第二磁体；135-第三磁体；1351-磁铁固定件；151-可动磁体；1511-导向珠；153-线圈；1531-第一线圈固定件；1533-第二线圈固定件；170-保护管道；171-第一保护管道连接套；173-第二保护管道连接套；175-封盖；200-整流调压电路；210-桥式整流单元；230-调压单元；300-储能模块；400-外部负载。

具体实施方式

本申请发明人发现目前利用振动能量发电的技术大体可以分为三类，静电式、压电式和电磁式。

静电式发电设备利用驻极体可保持电荷的能力，并利用振动位移改变两极板间电容，从而形成极板间电荷的定向移动，将动能能量转化为电能，目前主要应用于微机电领域。但是，现有振动发电技术中静电式振动发电设备由于受驻极体材料的性能限制，主要用于微纳结构中，对使用环境要求较高，输出功率较小；且静电驻极体材料价格昂贵，难以应用于大规模工业生产。

压电式振动发电设备主要利用压电材料的在振动过程中受到外力变形时内部将出现极化现象，从而在两个表面产生电势差，电荷将在电势差的驱动下产生定向移动，完成动能向电能的转化。虽然关于使用压电材料进行振动发电的研究成果具有较多的报道，但在实际应用时压电材料的韧性较低且内阻较大，在振动发电过程材料易损坏，同时材料内阻较大，造成虽然输出电动势较大，但输出电流极小，输出功率小，难以带动负载电路，无法大规模应用于生产实践。

电磁式振动发电设备基于电磁感应原理利用振动过程中磁体与线圈的相对运动，使得线圈切割磁感线，在线圈内部产生电动势。目前常见的电磁式振动发电设备主要为机械式与谐振式。机械式发电方式采用齿条和齿轮组将结构的线性振动转为旋转运动，带动旋转电磁发电机发电，而机械式的振动发电设备一般需要在较大的振动位移条件下才能够正常工作，在微振动情况时普遍不适用。现有的谐振式振动发电设备一般需要弹簧等弹性元件来约束振子，而这种结构一般只在系统共振频率点附近才能获得较大的电能输出，在其它激励频率时发电量则明显减少。

本申请发明人发现上述现有的振动发电技术由于各自的固有缺点不适用于中低频带、宽频带振动发电领域，尤其是无法适用于重载铁路货车、海浪发电等应用场景。基于中低频带振动发电领域的特点以及现有发电技术，本申请发明人发现可以基于电磁式振动发电设备的发电原理，利用磁体约束振子，实现磁约束振动发电，具体地，本申请发明人发现可以采用非线性磁斥力约束可动磁体(振子)，使可动磁体在运动时不受机械结构的束缚，提高了振动发电时的灵敏性，同时，可动磁体在运动时不受机械结构的束缚，无需额外的机械结构，振动发电设备结构简单，提高了发电设备结构的灵活性。

以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是申请人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本申请实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是申请人在本申请过程中对本申请做出的贡献。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的关键可以相互组合。

请参阅图1，为本申请提供的磁约束振动发电设备100的一种结构示意图，如图1所示，磁约束振动发电设备100可以包括发电管道110、第一磁体131、第二磁体133、可动磁体151、线圈153。

其中，发电管道110包括第一端部以及第二端部，第一磁体131设置在第一端部，第二磁体133设置在第二端部，线圈153环设于发电管道110外部。

需要说明的是，线圈153环设于发电管道110外部中的外部是相对于发电管道110的内壁而言。例如，线圈153可以直接设置在发电管道110的外部，发电管道110内部还可以设有容置腔，线圈153设置在容置腔内部，在使用中线圈153一般设置直接设置在发电管道110的外部。

此外，本申请并不对发电管道110的形状进行限制。例如，可以采用两端与外界连通的中空直管作为发电管道110、也可以采用两端不与外界连通的中空柱体作为发电管道110。

可动磁体151分别与第一磁体131和第二磁体133磁性互斥，例如，如图1所示，当第一磁体131朝向可动磁体151的一端为n极时，可动磁体151朝向第一磁体131的一端可以为n；当第二磁体133朝向可动磁体151的一端可以为s极时，可动磁体151朝向第二磁体133的一端可以为s极。

可选地，为避免磁体对线圈153的影响，线圈153可以选用铜线圈。

在工作时，由于可动磁体151分别与第一磁体131和第二磁体133磁性互斥，在发电管道110不振动的情况下，可动磁体151静止于发电管道110的中部稳态位置；当发电管道110在外部振动源的激励下振动时，可动磁体151在惯性的作用下相对于发电管道110运动，使线圈153的磁场发生变化以产生感应电压并输入到外部负载400，将振动能量转换为电能。

其中，中部稳态位置处的可动磁体151受第一磁体131以及第二磁体133的斥力相同，总体不受外部磁体斥力，保持受力平衡。

可选地，为提高发电效率，在技术人员缠绕线圈153或设计线圈153的缠绕规律时，可以根据可动磁体151到达各个位置的概率设计各个位置的线圈153的缠绕密度。例如，在可动磁体151出现概率高的位置(例如，稳态位置)提高线圈153的缠绕密度，并在可动磁体151出现概率低的位置(例如，边沿位置)降低线圈153的缠绕密度。

可以理解的是，可动磁体151的稳态位置可能由于实际工作场景而产生变化，例如，在第一磁体131与第二磁体133的磁力不同时，可动磁体151处于稳态位置时可能更靠近磁力较弱的磁体。又例如，当发电管道110垂直放置时，可动磁体151受重力影响，稳态位置可能更靠近下方的磁体。

需要说明的是，第一磁体131、第二磁体133、第一端部以及第二端部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或以特定的方位构造，因此不能理解为对本申请的限制。

基于上述设计，本申请提供的磁约束振动发电设备100采用非线性磁斥力约束可动磁体151，可动磁体151在运动时不受机械结构的约束，提高了振动发电时的灵敏性，同时，磁约束结构简单，提高了发电设备结构的灵活性，方便规模生产与使用。

可选地，磁约束振动发电设备100还可以包括设置在发电管道110外部的至少一个第三磁体135。

在工作时，每个第三磁体135、第一磁体131以及第二磁体133形成多稳态磁场，在发电管道110内的多稳态磁场包括多个稳态位置，发电管道110在外部振动源的激励下振动时，可动磁体151相对于发电管道110在各个稳态位置之间运动。其中，所述稳态位置为可动磁体151在发电管道110内运动时，可动磁体151的电磁势能极小值点所在的位置。

可选地，为方便构造多稳态磁场，第三磁体135可以分为至少一个第三磁体组，每个第三磁体组形成至少一个第三磁体层，并环设于发电管道110外部。作为一种实施方式，每个第三磁体层可以由多个第三磁体135构成，同层的任意两个第三磁体间距相同。作为另一种实施方式，每个第三磁体层可以由一个环形磁体直接构成。

下面结合图2～图6，对本申请提供的磁约束振动发电设备100的多稳态磁场进行进一步说明。

请参阅图2，图2为包括一个第三磁体层的磁约束振动发电设备100的结构示意图，其中，发电管道110内实线位置与虚线位置均为可动磁体151的稳态位置。如图2中图(a)所示，当第三磁体层的极性与可动磁体151的极性相同时，磁约束振动发电设备100包括两个稳态位置。如图2中图(b)所示，当第三磁体层的极性与可动磁体151的极性相反时，磁约束振动发电设备100包括三个稳态位置。

请参阅图3，图3为包括两个第三磁体层的磁约束振动发电设备100的结构示意图。如图3中图(a)所示，磁约束振动发电设备100包括四个稳态位置。如图3中图(b)所示，磁约束振动发电设备100包括四个稳态位置。如图3中图(c)所示，磁约束振动发电设备100包括五个稳态位置。

请参阅图4，图4为包括三个第三磁体层的磁约束振动发电设备100的结构示意图。如图4中图(a)所示，磁约束振动发电设备100包括六个稳态位置。如图4中图(b)所示，磁约束振动发电设备100包括六个稳态位置。如图4中图(c)所示，磁约束振动发电设备100包括六个稳态位置。如图4中图(d)所示，磁约束振动发电设备100包括六个稳态位置。如图4中图(e)所示，磁约束振动发电设备100包括七个稳态位置。

请参阅图5，图5为本申请提供的可动磁体151在发电管道110内运动时，位移与势能的关系示意图，其中，图(a)～图(d)分为单稳态、双稳态、三稳态、四稳态的磁约束振动发电设备100中动磁体151位移与势能的关系示意图，图中势能极小值点所述的位移位置为本申请的稳态位置。

需要说明的是，各个稳态位置的势能可以不相同，只需满足势能极小即可。

请参阅图6，图6为本申请提供的可动磁体151在发电管道110内运动时，位移(mm)与磁斥力(n)的关系示意图。如图6所示，可动磁体151总磁斥力为0的点可以为稳态位置，可以看出，图6中0磁斥力的位置均具有较大的斜率，当处于稳态位置的可动磁体151存在动量时，如果动量方向与磁斥力的导数方向相同，可以在磁斥力的作用下，直接从该稳态位置迁移到下一稳态位置，使可动磁体151的轴向相对位移大幅度增加，增加线圈153切割磁感线的速度，以最大限度地将振动动能转化为电能。同时，可在较宽的激励频带内实现振动发电，提高了本申请提供的磁约束振动发电设备100的泛用性。

需要说明的是，图1～图6中所示的稳态位置仅为示意说明，在工作时可以由于其他势能(例如，重力势能)的影响，稳态位置可以根据实际工作场景进行测量。

请参阅图7，图7为本申请提供的磁约束振动发电设备100的一种结构示意图。

磁约束振动发电设备100还包括用于安装每个第三磁体135的磁铁固定件1351。如图7所示，磁铁固定件1351可以以圆环的形式固定在发电管道110的外部，每个圆环上设置有第三磁体135。

通过磁铁固定件1351可以使各个第三磁体135均匀地环绕在发电管道110的外部，为可动磁体151提供稳定均匀的多稳态磁场。

可选地，如图7所示，为将线圈153与外部环境隔离，提高磁约束振动发电设备100的稳定性，磁约束振动发电设备100还可以包括保护管道170。发电管道110设置在保护管道170内部，保护管道170与保护管道170之间形成安装腔体，线圈153设置在安装腔体中。

可选地，为固定线圈153，避免线圈153随磁约束振动发电设备100的振动而脱落，本申请提供的磁约束振动发电设备100还可以包括分别设置在线圈153两端，用于将线圈153的两端分别与发电管道110固定连接的第一线圈固定件1531以及第二线圈固定件1533。

可选地，第一线圈固定件1531以及第二线圈固定件1533可以由绝缘材料组成，并通过螺栓固定在发电管道110上。作为另一种实施方式，第一线圈固定件1531以及第二线圈固定件1533还可以由热缩性绝缘材料组成，并在受热后将线圈153固定在发电管道110上。

可选地，为避免磁约束振动发电设备100因振动而部分零件离体或破损，本申请提供的磁约束振动发电设备100通过固定件、发电管道110以及保护管道170形成双层薄壁圆环结构，从而提高整体结构的刚度。

具体地，磁约束振动发电设备100还可以包括：第一发电管道连接套111、第二发电管道连接套113、固定支座连接轴115、固定支座117、第一保护管道连接套171、第二保护管道连接套173以及封盖175；

固定支座连接轴115的轴部与固定支座117配合，固定支架117与外部振动源固定连接，在外部振动源振动时，振动动能通过固定支架117以及固定支座连接轴115传导到发电管道110。

固定支座连接轴115、第一发电管道连接套111以及第一保护管道连接套171设置在第一端部处，第一发电管道连接套111将发电管道110与所述固定支座连接轴115固定连接，第二发电管道连接套113将发电管道110与封盖175固定连接。

封盖175、第二发电管道连接套113以及第二保护管道连接套173设置在第二端部处，第二发电管道连接套113将发电管道110与封盖175固定连接，第二保护管道连接套173将保护管道170与封盖175固定连接。

如图7所示，第一发电管道连接套111、第二发电管道连接113、第一保护管道连接套171、第二保护管道连接套173的截面可以为l型。

第一发电管道连接套111的l型截面的一侧通过螺丝与固定支座连接轴115固定，另一侧通过螺丝与发电管道110固定。

第二发电管道连接套113的l型截面的一侧通过螺丝与封盖135固定，另一侧通过螺丝与发电管道110固定。

第一保护管道连接套171的l型截面的一侧通过螺丝与固定支座连接轴115固定，另一侧通过螺丝与保护管道170固定。

第二保护管道连接套173的l型截面的一侧通过螺丝与封盖175固定，另一侧通过螺丝与保护管道170固定。

可选地，为方便更换第一磁体131以及第二磁体135，第一端部、第一发电管道连接套111以及固定支座连接轴115可以形成用于容纳第一磁体131的第一磁体腔体。第二端部、第二发电管道连接套113以及封盖175可以形成用于容纳第二磁体133的第二磁体腔体，在第一磁体131以及第二磁体133磁力减少时，可以先拆卸第一发电管道连接套111以及封盖175，然后更换第一磁体131以及第二磁体133，以实现对第一磁体131以及第二磁体133的更换。

可选地，为减少可动磁体151在发电管道110内部运动时的阻力，磁约束振动发电设备100还包括设置在可动磁体151与发电管道110之间的至少一个导向珠1511。在运动时，可动磁体151可以通过导向珠1511与发电管道110接触，减少可动磁体151直接与发电管道110接触而产生的摩擦。

为避免导向珠1511无法滚动，影响可动磁体151的运动，导向珠1511的材料可以为非铁磁材料，如，陶瓷，铜等。

可选地，为防止磁约束振动发电设备100漏电，发电管道110可以由绝缘材料组成或覆盖有绝缘材料涂层。

请参阅图8，本申请还提供一种振动发电系统10，振动发电系统10包括前述磁约束振动发电设备100以及与磁约束振动发电设备100电性连接的整流调压电路200。

其中，整流调压电路200包括桥式整流单元210以及调压单元230。

可选地，桥式整流单元210可以包括全桥整流单元或半桥整流单元，调压单元230包括至少一种dc-dc电压转换器，例如，dc-dc电荷泵、稳压二极管等。

在工作时，磁约束振动发电设备100用于在外部振动源的激励下产生感应电压，整流调压电路200用于将所述感应电压转换为直流恒压电压。

可选地，振动发电系统10还包括与整流调压电路200电性连接的储能模块300，储能模块300用于储存所述整流调压电路200转换后的直流恒压电压，并为外部负载400供电。

可选地，储能模块300可以包括可充电电池以及超级电容两者中的至少一种。

需要说明的是，本申请提供的振动发电系统10可以直接为外部负载400供电，也可以经储能模块300后为外部负载400供电。

本申请提供的磁约束振动发电设备100常常用于中低频带振动发电领域为终端供电，尤其是实现重载铁路货车、海浪发电等应用场景，外部负载400一般可以为常见低功耗器件，如传感器、无线信号传输节点等。

需要说明的是，在本文中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本关键的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。