一种含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置及方法

1.本发明属于振动能量收集技术领域，具体涉及一种含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置及方法。


背景技术：

2.悬挂系统是车辆重要的组成部分，它能够承载车身的重量以及缓冲路面的不平度冲击，对车辆的行驶性能和乘坐的舒适度有着关键的影响。传统的机械隔振系统采用“质量-弹簧-阻尼器”的结构，但是这种结构存在性能提升的瓶颈，并且质量块元件的单端点问题难以解决。为了解决这些问题，惯容被提出来并广泛应用于隔振领域。
3.基于惯容的技术是一种机械隔振技术，它通过使用惯性元件来减少振动和噪声。该技术最初由英国牛津大学的smith教授提出，其灵感来源于汽车工程和航空航天工程领域的惯性元件的使用。惯容是一种具有两个独立端点的元件，类似于弹簧和阻尼器，具有两个端点上施加的力与其端点之间的相对加速度成正比例的性质。这种比例关系被称为“惯容量”。 这种关系能够帮助减少振动和噪声，并提高机械系统的效率和性能。惯容被广泛应用于“惯容-弹簧-阻尼器”组成的新型机械隔振网络，如车辆悬挂隔振和建筑物隔振等领域。随着时间的推移，基于惯性元件的技术逐渐被应用于其他领域，如建筑物隔振、工业生产线隔振和船舶隔振等。这种技术相对于传统的机械隔振系统具有更高的效率和更广泛的适用范围。
4.目前市场上有滚珠丝杠式惯容、齿轮齿条惯容和液压式惯容。齿轮齿条惯容通过将齿条的直线水平运动转化为飞轮的转动来存储振动能量，从而实现减振效果。然而，现有的大部分惯容装置没有有效地利用惯容中存储的能量，难以将飞轮的能量转换为电能等用于振动能量收集。因此，进一步研究如何利用惯容装置存储的能量十分重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置及方法，为了提高馈能悬架的能量回收效率，同时满足车辆在不同路面的平顺性要求，解决被动式惯容悬架减震效果差，无法在线调节等问题。本发明根据机电相似理论，通过改变电学阻抗实现对机械结构阻抗的调节。为此，本发明提供的电磁式惯容振动能量收集装置有“馈能”和“半主动控制”两种工作模式。“馈能”工作模式下能够通过电磁式惯容对系统振动产生的能量进行回收利用，向其他部件供能。“半主动控制”工作模式下通过所设定的控制策略，通过电网络与机械网络类比原理，通过对电网络进行控制从而控制电磁式惯容，可在线的调节惯容量，控制悬架系统的振动，以达到在不同路面的平顺行要求和能量回收效率都较好的要求。
6.为达到上述目的，本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置，包括滚珠丝杠，所述滚珠丝杠的一端连接上吊耳，所述滚珠丝杠上设置有丝杠螺母，所述丝杠螺母通过法兰连接外壳
的一端，所述外壳的另一端设置有下吊耳，所述滚珠丝杠通过联轴器连接一个位于所述外壳中的空心轴，所述空心轴上固定连接可导电的转子辐条，所述空心轴上通过轴承连接定子磁极，所述定子磁极两两组成一对，位于所述转子辐条的两侧，所述转子辐条通过导线连接导电滑环，所述导电滑环安装在所述空心轴的自由端并能够相对于所述空心轴转动。
7.进一步地，所述转子辐条设置有两组，相应地所述定子磁极设置有两对，两组所述的转子辐条之间通过连接条连接成一体的“鼠笼”形状。
8.进一步地，所述空心轴中含有两个完全一致的固定盘，两组所述转子辐条分别与两个固定盘通过过孔相连，所述转子辐条与固定盘之间通过螺母固定。
9.进一步地，所述外壳上设置有通孔用于导电滑环通过导线与外部电路连接。
10.用上述含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置进行能量收集的方法，该方法为：将上述的含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置通过上吊耳和下吊耳安装在悬架与车轮之间，当悬架与车轮之间振动产生相对的直线运动时，通过滚珠丝杠与丝杠螺母转化为滚珠丝杠的转动，滚珠丝杠转动从而带动转子辐条在定子磁极构成的磁场中运动，转子辐条切割磁感线产生的端电压通过导电滑环与外部能量回收电路相连，将系统振动产生的能量进行回收，此时含有馈能模式的电磁式惯容装置处于“馈能”工作模式。
11.用上述含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置进行车辆悬架振动控制的方法，该方法为：将上述的含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置通过上吊耳和下吊耳安装在悬架与车轮之间，当悬架与车轮之间振动产生相对的直线运动振动幅度超过预设值时，通过导电滑环向导线输送电量，驱动转子辐条在定子磁极磁场中运动，以产生一个与运动方向相同或相反的力矩，同时促进、阻碍或改变滚珠丝杠的转动，从而改变悬架和车轮之间的相对运动，此时含有馈能模式的电磁式惯容装置处于“半主动控制”工作模式。
12.与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明可以在两种工作模式之间切换，“馈能”工作模式下能够通过电磁式惯容对系统振动产生的能量进行回收利用，向其他部件供能。“半主动控制”工作模式下通过所设定的控制策略，通过电网络与机械网络类比原理，通过对电网络进行控制从而控制电磁式惯容，进一步控制悬架系统的振动。由于运用了两组圆盘形磁极，并且和若干辐条组成类似“鼠笼”的形状，因此“馈能”工作模式下的能量回收效率更高，“半主动控制”工作模式下的控制效果也更明显。另外导电滑环的运用，不仅可以将产生的电量输出到能量回收电路中储存起来，还巧妙解决了转子辐条内导线旋转时互相缠绕的问题。
附图说明
13.图1为本发明所述含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置的外部结构示意图；图2为本发明所述含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置的内部结构示意图；图3为本发明的空心轴与转子辐条的连接关系示意图。
实施方式
14.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
15.如图1-3所示，本发明的含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置，包括上吊耳1、滚珠丝杠4、丝杠螺母5、外壳3、空心轴7、轴承8、定子磁极9、转子辐条10、过孔13、固定盘12、导电滑环11、下吊耳2、螺母14、通孔15；所述上吊耳1与滚珠丝杠4的上端连接，下吊耳2与外壳3的下端连接，丝杠螺母5安装在滚珠丝杠4上，将丝杠螺母5通过法兰与外壳3连接，滚珠丝杠4的一端位于外壳外部，连接所述上吊耳1，另一端位于外壳3里面，通过联轴器6与空心轴7相连，空心轴7与轴承8的内圈固定连接并能够一同转动，定子磁极9则连接至轴承8的外圈，保持固定不动。滚珠丝杠4通过悬架和车轮之间的相互运动而转动，通过滚珠丝杠4转动带动空心轴7转动，空心轴7与定子磁极和转子辐条10构成的系统相连，从而带动转子辐条10转动，定子磁极9则通过轴承8固定不动。
16.所述空心轴7中装有上下两个完全一致的固定盘12，所述转子辐条10与固定盘12之间通过螺母14固定或者焊接，所述上方固定盘12通过导线与导电滑环11的轴心相接，下方固定盘12通过导线与导电滑环11的外沿相接。所述外壳3上设置有通孔15用于导电滑环11通过导线与外部电路连接。
17.所述定子磁极两两组成一对，定子磁极用轴承8连接在空心轴7上，使得空心轴7随滚珠丝杠4转动时定子磁极保持静止不动。当所述上吊耳1与下吊耳2之间产生相对压缩或拉伸运动时，带动滚珠丝杠4上下运动，从而使得空心轴7带动转子辐条10在定子磁场中旋转，所述转子辐条10在两对定子磁极构成的同向等大磁场中切割磁感线，无论滚珠丝杠4正转或反转，转子辐条10内的导线均能产生电量，并通过导电滑环11与外部能量回收电路相连，将系统振动产生的能量进行回收，此时含有馈能模式的电磁式惯容装置处于“馈能”工作模式。
18.所述导电滑环11与辐条通过导线相连，当辐条进行连续旋转时，滑环能够提高系统性能，简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤。进一步的，当路面颠簸，车辆振动剧烈的时候，可通过导电滑环11向导线输送电量，驱动转子辐条10在定子磁极磁场中运动，以产生一个与运动方向相同或相反的力矩，同时促进、阻碍或改变滚珠丝杠4的转动，从而改变悬架和车轮之间的相对运动，此时含有馈能模式的电磁式惯容装置处于“半主动控制”工作模式。
19.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置，其特征在于，该能量收集装置包括滚珠丝杠（4），所述滚珠丝杠（4）的一端连接上吊耳（1），所述滚珠丝杠（4）上设置有丝杠螺母（5），所述丝杠螺母（5）通过法兰连接外壳（3）的一端，所述外壳（3）的另一端设置有下吊耳（2），所述滚珠丝杠（4）通过联轴器（6）连接一个位于所述外壳（3）中的空心轴（7），所述空心轴（7）上固定连接可导电的转子辐条（10），所述空心轴（7）上通过轴承（8）连接定子磁极（9），所述定子磁极（9）两两组成一对，位于所述转子辐条（10）的两侧，所述转子辐条（10）通过导线连接导电滑环（11），所述导电滑环（11）安装在所述空心轴（7）的自由端并能够相对于所述空心轴（7）转动。2.根据权利要求1所述的含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置，其特征在于，所述转子辐条（10）设置有两组，相应地所述定子磁极（9）设置有两对，两组所述的转子辐条（10）之间通过连接条连接成一体的“鼠笼”形状。3.根据权利要求1所述的含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置，其特征在于，所述空心轴（7）中含有两个完全一致的固定盘（12），两组所述转子辐条（10）分别与两个固定盘（12）通过过孔（13）相连，所述转子辐条（10）与固定盘（12）之间通过螺母（14）固定。4.根据权利要求1所述的含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置，其特征在于，所述外壳（3）上设置有通孔（15）用于导电滑环（11）通过导线与外部电路连接。5.一种用权利要求1-4之一所述含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置进行能量收集的方法，其特征在于，该方法为：将上述的含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置通过上吊耳（1）和下吊耳（2）安装在悬架与车轮之间，当悬架与车轮之间振动产生相对的直线运动时，通过滚珠丝杠（4）与丝杠螺母（5）转化为滚珠丝杠（4）的转动，滚珠丝杠（4）转动从而带动转子辐条（10）在定子磁极（9）构成的磁场中运动，转子辐条（10）切割磁感线产生的端电压通过导电滑环（11）与外部能量回收电路相连，将系统振动产生的能量进行回收，此时含有馈能模式的电磁式惯容装置处于“馈能”工作模式。6.一种用权利要求1-4之一所述含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置进行车辆悬架振动控制的方法，其特征在于，该方法为：将上述的含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置通过上吊耳（1）和下吊耳（2）安装在悬架与车轮之间，当悬架与车轮之间振动产生相对的直线运动振动幅度超过预设值时，通过导电滑环（11）向导线输送电量，驱动转子辐条（10）在定子磁极磁场（9）中运动，以产生一个与运动方向相同或相反的力矩，同时促进、阻碍或改变滚珠丝杠（4）的转动，从而改变悬架和车轮之间的相对运动，此时含有馈能模式的电磁式惯容装置处于“半主动控制”工作模式。

技术总结
本发明公开了一种含有馈能模式的电磁式惯容振动能量收集装置及方法，属于振动能量收集技术领域，该装置包括滚珠丝杠，所述滚珠丝杠的一端连接上吊耳，所述滚珠丝杠上设置有丝杠螺母，所述丝杠螺母通过法兰连接外壳的一端，所述外壳的另一端设置有下吊耳，所述滚珠丝杠通过联轴器连接一个位于所述外壳中的空心轴，所述空心轴上固定连接可导电的转子辐条，所述空心轴上通过轴承连接定子磁极，所述定子磁极两两组成一对，位于所述转子辐条的两侧，所述转子辐条通过导线连接导电滑环，所述导电滑环安装在所述空心轴的自由端并能够相对于所述空心轴转动。本发明满足车辆在不同路面的平顺性要求，解决被动式惯容悬架减震效果差，无法在线调节等问题。无法在线调节等问题。无法在线调节等问题。


技术研发人员：胡银龙 王紫栋 袁昊 毛浩然 关宏堃 张啸 程昌俊
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/6/27