阅读说明：本技术 磁电式发电机及其应用 (Magnetoelectric generator and application thereof ) 是由 牛少华 高世桥 金磊 隋丽 刘海鹏 李梦梅 代俊 石庚辰 于 2018-08-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁电式发电机及其应用，该磁电式发电机包括：壳体、永磁体、至少两个线圈和至少两个弹簧；弹簧分别压缩容纳于壳体内并分设于永磁体的两端；线圈分别套设于各弹簧外；永磁体在壳体内滑动并切割各线圈的磁力线。该磁电式发电机针对磁后坐发电机无法在侵彻环境中实现持续发电的情况，基于电磁感应定律，利用弹体侵彻目标过程中所受到的冲击作用，采用双簧双线圈结构，在受到冲击后可使磁体在线圈中持续运动，这样线圈即可产生感应电动势，实现持续发电对引信系统的持续供电。本发明还提供了磁电式发电机的在弹体侵彻目标过程中供电的应用。(The invention discloses a magnetoelectric generator and application thereof, the magnetoelectric generator comprises: the coil comprises a shell, a permanent magnet, at least two coils and at least two springs; the springs are respectively compressed and accommodated in the shell and are respectively arranged at two ends of the permanent magnet; the coils are respectively sleeved outside the springs; the permanent magnets slide in the housing and cut the magnetic lines of force of each coil. This magneto-electric generator can't realize the condition of continuing the electricity generation in the penetration environment to magnetism recoil generator, based on the electromagnetic induction law, utilizes the ballistic effect that the projectile body penetrated target in-process and received, adopts two coil structures of two springs, can make magnet continuous motion in the coil after receiving the impact, and the coil can produce induced electromotive force like this, realizes the continuous power supply of electricity generation to the fuze system. The invention also provides the application of the magnetoelectric generator in the process of penetrating the projectile body to supply power.)

磁电式发电机及其应用

技术领域

本发明涉及一种磁电式发电机及其应用，属于发电装置领域。

背景技术

磁后坐发电机主要是利用弹体在发射过程中的后坐力，通过磁心与线圈沿轴向发生相对直线运动，使闭合线圈的磁通量发生变化，在线圈上产生感应电动势。磁后坐发电机属于直线发电机，利用后坐力驱动磁心作直线运动，因为驱动磁心运动的后坐力为脉冲力，所产生的电压为脉冲电压，需要用电容器储存起来供引信电路使用。具有可低温使用、长期储存、100％无损检测、结构简单、快速激活(约1ms)和便于引信密封等优点。缺点是不能进行长时间持续发电，且电压为脉冲输出，能量累积不高。

弹体高速侵彻目标过程是指具有侵彻战斗部的弹体高速撞击目标后，深入目标内部的过程。在弹体高速侵彻目标过程中，弹上电源(如锂电池)在高冲击作用下已失效，侵彻引信内部电路系统的供电主要依靠其储能电容中存储的电能来供给。但就目前的研究和实验情况来看，在高速侵彻环境下，储能电容容易发生漏电现象，无法为引信电路系统持续正常供电，进而造成引信系统工作失效。

参见图1，现有磁后坐发电机包括：磁轭、磁钢、线圈、铁芯和卡簧挡板。弹簧插设于铁芯中心，并在铁芯中心沿中心轴上下滑动。线圈容纳于磁钢内，磁钢套设于铁芯外壁上。磁轭设置于铁芯的一端，铁芯的另一端设置卡簧挡板。

当弹丸发射时，现有磁后坐发电机利用后坐力克服铁芯内支撑弹簧的抗力，使卡簧挡板与铁芯一起产生后坐位移。当卡簧挡板移出磁轭即张开，解除对铁芯的限制。当后坐力小于支撑弹簧抗力时，铁芯前冲，使线圈的磁通量发生变化，产生感应电动势。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种在侵彻过程中能持续为引信供电的磁电式发电机，该磁电式发电机针对磁后坐发电机无法在侵彻环境中实现持续发电的情况，基于电磁感应定律，利用弹体侵彻目标过程中所受到的冲击作用，采用双簧双线圈结构，在受到冲击后可使磁体在线圈中持续运动，磁体的往复运动，使线圈中产生感应电动势，实现持续发电对引信系统的持续供电。

所述磁电式发电机，包括：壳体、永磁体、至少两个线圈和至少两个弹簧；所述弹簧分别压缩容纳于所述壳体内并分设于所述永磁体的两端；所述线圈分别套设于各所述弹簧外；所述永磁体在所述壳体内滑动并切割各所述线圈的磁力线。

优选地，所述壳体包括第一壳体；所述弹簧包括第一弹簧和第二弹簧；所述第一弹簧压缩容纳于所述第一壳体内，并与所述永磁体的上部抵接；所述第二弹簧压缩容纳于所述第一壳体内，并与所述永磁体的下部抵接。

优选地，所述线圈包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈套设于所述弹簧外，并与所述永磁体的上表面平齐；所述第二线圈套设于所述弹簧外，并与所述永磁体的下表面平齐。

优选地，所述线圈套设于所述壳体外壁上。

优选地，所述第一壳体包括第一端盖，所述第一端盖抵接于所述第一弹簧的一端，并盖设于所述第一壳体的一端。

优选地，所述第一壳体包括第二端盖，所述第二端盖抵接于所述第二弹簧的一端，并盖设于所述第一壳体的另端。

优选地，所述壳体还包括第二壳体，所述第二壳体间隔地套设于所述第一壳体外侧，所述线圈容纳于所述第二壳体和所述第一壳体的间隔中。

优选地，所述第一壳体内和/或所述间隔为真空密封。

优选地，所述第二壳体包括密封盖，所述第二壳体为一端敞口的筒体；所述密封盖盖设于所述第二壳体的一端。

本发明的又一方面还提供了一种如上述的磁电式发电机的应用，磁电式发电机用于在弹体侵彻目标过程中，持续为引信系统供电。

本发明的有益效果包括但不限于：

(1)本发明所提供的磁电式发电机，为避免因电源失效引起的引信系统失效，如果直接采用现有采用磁电式发电机利用侵彻过程中的冲击作用做为激励，为引信供电。由于现有磁后坐发电机的结构，导致其仅能在该冲击力作用下实现一次磁芯运动，发电机工作时间短，电能累积低，而且仅能产生脉冲电压，无法在侵彻过程中实现持续发电。

(2)本发明所提供的磁电式发电机，通过在永磁体两端分别设置弹簧，使弹簧并联在系统需要产生单位位移的坐标方向上，并对永磁体持续产生施加力，从而保证在弹体受到冲击作用后，永磁体能更平稳地进行连续振动，另一方面减小一半的弹簧刚度需求，可以采用较小尺寸的弹簧进行生产，有利于减小发电机尺寸和降低成本。

(3)本发明所提供的磁电式发电机，通过使永磁体的平衡位置与线圈处于不同高度，发生偏离，有效利用发电机空间，提高感应电动势。

(4)本发明所提供的磁电式发电机，通过将永磁体所处第一壳体和线圈所处第二壳体与第一壳体间隔进行抽真空密封，从而降低冲击力转化的动能在往复运动过程中的空气阻尼，延长永磁体的发电时间和发电电量。

附图说明

图1是现有磁后坐发电机结构示意图；

图2是本发明所优选实施例中磁电式发电机结构示意图；

图3是弹体侵彻过程中加速度激励简化示意图，其中，0≤t＜t₁和t₁＜t＜t₂为受迫振动时期，t≥t₂为自由振动时期，a₀为加速度极值；

图4是本发明提供磁电式发电机电磁单元的简化等效电路示意图；

图5是本发明优选实施例中z＝0时穿过线圈的磁通量和生成的感应电动势与时间关系曲线，其中a)为穿过线圈的磁通量与时间关系曲线，b)生成的感应电动势与时间关系曲线，其中以永磁体平衡位置为原点的坐标下，z为永磁体在Z轴方向的坐标值，以下各图中含义与此相同；

图6是本发明优选实施例中z＝1.5时穿过线圈的磁通量和生成的感应电动势与时间关系曲线，其中a)为穿过线圈的磁通量与时间关系曲线，b)生成的感应电动势与时间关系曲线；

图7是本发明优选实施例中z＝3时穿过线圈的磁通量和生成的感应电动势与时间关系曲线，其中a)为穿过线圈的磁通量与时间关系曲线，b)生成的感应电动势与时间关系曲线；

图8是本发明优选实施例中z＝4.5时穿过线圈的磁通量和生成的感应电动势与时间关系曲线，其中a)为穿过线圈的磁通量与时间关系曲线，b)生成的感应电动势与时间关系曲线；

图9是本发明优选实施例中z＝6时穿过线圈的磁通量和生成的感应电动势与时间关系曲线，其中a)为穿过线圈的磁通量与时间关系曲线，b)生成的感应电动势与时间关系曲线；

图10是本发明优选实施例中，f＝1000Hz响应与阻尼比ζ的关系曲线示意图。

部件和附图标记列表：

部件名称	附图标记
		第一壳体	110
第二壳体	120
		第一线圈	210
第二线圈	220
		第一弹簧	310
第二弹簧	320
		第一端盖	410
第二端盖	420
		密封盖	510
永磁体	600

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

参见图2，本发明提供的磁电式发电机，包括：壳体、永磁体600、至少两个线圈和至少两个弹簧；弹簧分别压缩容纳于壳体内并分设于永磁体600的两端；线圈分别套设于各弹簧外；永磁体600在壳体内滑动并切割各线圈的磁力线。

本发明提供的磁电式发电机通过设置在永磁体600的两端分别设置至少两个弹簧，从而将弹体侵彻过程中引信受到的冲击力的动能吸收，转化为弹簧的动能，并使永磁体600在该动能的作用下，在多个线圈之间进行往复运动，实现对引信系统的持续供电。该发电机尤其适用于弹体侵彻目标过程中，持续为引信系统供电，例如用于对引信系统供电。此处未详述的结构，均可以按现有磁电式发电机设置，以发挥供电作用。本发明提供的磁电式发电机中弹簧在壳体内的安装方式可以按现有方法进行，例如可以在永磁体600的两侧分别设置等压缩量的弹簧，仅需实现永磁体600在壳体内滑动并切割各线圈的磁力线即可。

侵彻过程中，发电机随着弹体与目标碰撞时急剧减速，内部的永磁体600受到前冲力，与绕制在主体壳上的立体线圈产生相对直线运动，线圈中将产生感生电动势，当冲击作用消失后，由永磁体600和弹簧构成的拾振单元还将继续在主体壳内振动，因此，还将继续在线圈中产生感生电动势。

拾振单元可简化为由支承任意激励引起的质量-弹簧-阻尼振动系统，且只关注永磁体与支承相对运动的响应，根据发电机侵彻过程中受到的环境力，将支承受到的加速度激励简化为如图3所示。本发明提供的磁电式发电机中的拾振单元的响应可以分为受迫振动时期和自由振动时期，受迫振动时期为侵彻作用所决定，若侵彻时间很短，发电机在受迫振动时期发电很少，因而侵彻时间更重要的作用是提供给拾振单元初始速度及初始位移。

优选的，壳体包括第一壳体110；弹簧包括第一弹簧310和第二弹簧320；第一弹簧310压缩容纳于第一壳体110内，并与永磁体600的上部抵接；第二弹簧320压缩容纳于第一壳体110内，并与永磁体600的下部抵接。

优选的，线圈包括第一线圈210和第二线圈220，第一线圈210套设于弹簧外，并与永磁体600的上表面平齐；第二线圈220套设于弹簧外，并与永磁体600的下表面平齐。按此设置线圈，能保证线圈长时间处于切割永磁体600磁场的状态，延长供电时间和电能的产生量。

本发明提供的磁电式发电机感应电动势由穿过线圈平面的磁通量的变化率所决定。产生的感应电动势与线圈所处的磁场和永磁体600与立体线圈的相对速度均有关，是感生电动势和动生电动势的总和。永磁体600的磁场分布并不均匀，本发明提供的发电机产生的感应电动势需经过整流、滤波和稳压后才能供引信电路器件利用，根据其基本工作原理，可简化为如图4所示的电路，由一个电压源E、内阻r、自感线圈L和负载R串联组成。其他未示出部件，按现有方法进行设置和组装。通过调整永磁体600平衡位置与线圈位置的关系，可以提高磁通量，增加供电量和供电时间。

具体的，在一实施例中，线圈包括第一线圈210和第二线圈220，第一线圈210套设于第一弹簧310外，并与永磁体600的上表面平齐；第二线圈220套设于第二弹簧320外，并与永磁体600的下表面平齐。

优选的，线圈套设于壳体外壁上。便于固定线圈并对其进行供电。

优选的，第一壳体110包括第一端盖410，第一端盖410抵接于第一弹簧310的一端，并盖设于第一壳体110的一端。

优选的，第一壳体110包括第二端盖420，第二端盖420抵接于第二弹簧320的一端，并盖设于第一壳体110的另端。通过设置端盖可以便于安装永磁体600等内部结构；还能便于分别调整第一弹簧310、第二弹簧320的压缩量。

优选的，壳体还包括第二壳体120，第二壳体120间隔地套设于第一壳体110外侧，线圈容纳于第二壳体120和第一壳体110的间隔中。

优选的，第一壳体110内为真空密封

优选的，第一壳体内和/或间隔为真空密封。通过采用抽真空后密封第一壳体内和/或间隔，使得线圈和/永磁体600处于真空环境中，能减少弹簧的动能消耗，延长供电时间和提高供电能量。

优选的，第二壳体120包括密封盖510，第二壳体120为一端敞口筒体；密封盖510盖设于第二壳体120的一端。

以下结合具体实例及仿真试验对本发明提供的磁电式发电机进行详细说明：

在一具体实施例中，参见图2，本发明提供的磁电式发电机，包括：第一壳体110和容纳于第一壳体110内的第一弹簧310、第二弹簧320、永磁体600、第二壳体120、第一线圈210和第二线圈220。第一壳体110的顶上设置第一端盖410，底面上设置第二端盖420。永磁体600的外壁与第一壳体110的内壁滑动接触。第一弹簧310容纳卡接于第一端盖410和永磁体600之间；第二弹簧320容纳卡接于第一端盖410和永磁体600之间。第一壳体110组装后***第二壳体120内，第二壳体120一端封闭另一端敞口，并设置密封盖510封闭。第一线圈210和第二线圈220套设于第一壳体110外壁上并分别对第一弹簧310、第二弹簧320。组装后，将第一壳体110和第二壳体120之间的间隔抽真空后用密封盖510封闭。密封盖510可以为盖体周缘设置密封圈、密封层进行密封。以延长发动机内部的真空环境。

在弹体侵彻目标过程中，弹体会受到冲击阻力作用，在此冲击作用下磁电式发电机内部的永磁体600将在惯性力作用下产生与绕制固定在第二壳体内的第一、第二线圈210、220之间往复相对运动。线圈中的磁通量发生改变，在线圈中产生感应电动势。而当冲击作用消失后，由于采用发电机的双簧式结构，以及采用真空密封，永磁体600可以继续进行较长时间的自由振动而继续发电，实现对引信系统持续供电。该磁电式发电机较现有磁后坐发电机发电能力更强，从而满足侵彻过程中引信电路系统供电的要求。

采用上述实施例中的磁电式发电机，利用Ansoft软件进行仿真得出，所得结果参见附图5～9。

由上图5～9可以看出，当永磁体600和线圈处于同一高度时，永磁体600的磁感线很大部分平行于线圈轴线，磁通量很大，但磁通量的变化不大，因此生成的感应电动势并不是最大。当线圈与永磁体600平衡位置的高度差从0mm增大到3mm时，感应电动势逐步增加。而当线圈与永磁体600平衡位置的高度差从3mm增大到6mm时，感应电动势却又开始逐步减小。由图5～9可见，线圈与永磁体600距离太远，不能充分有效地利用永磁体600的磁场分布，而且磁电式发电机生成的感应电动势不仅与永磁体600的振动响应有关，还和线圈与永磁体600的初始相对位置有关。

在本发明中，永磁体600处于平衡位置时，永磁体600的上下端面与上下线圈的端面平齐，此时产生的感应电动势最大。在保证感应电动势最大的前提下，为了有效利用发电机空间，本发明提供的磁电式发电机，设置双线圈结构，并将线圈分别设置于永磁体600的上下端面外。

采用上述实施例中的磁电式发电机，运用Maple软件进行数值仿真，得到本发明磁电式发电机拾振单元的响应与阻尼比的关系曲线，如图10所示。由图10可见，在拾振单元固有频率不变的情况下，随总阻尼比ζ增大，拾振单元的振动幅度衰减明显。降低总阻尼比ζ有利于延长拾振单元长时间保持较大振幅。

本发明提供的磁电式发电机通过将第一壳体110进行抽真空处理后，发电机工作时，永磁体600能长时间保持在第一壳体110内发生快速振动。将发电机拾振单元抽成真空状态，能减少空气阻尼的影响，有利于提高发电机发电量和发电时间。

本发明的又一方面还提供了一种如上述的磁电式发电机的应用，磁电式发电机用于在弹体侵彻目标过程中，持续为引信系统供电。

上述磁电式发电机尤其适用于在弹体侵彻目标过程中，持续为引信系统供电。该发电机，结构小巧，能较好的容纳于弹体内，且增重较小，同时还能实现持续供电，保证引爆的准确性。

以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。