鄭福祿， 崔素文， 陳東猛， 劉超卓

(1.中國石油大學(華東)理學院，山東青島266580;2.濱州學院化學與化工系，山東濱州256603)

0 引言

隨著社會的全面發(fā)展，特別是工業(yè)及交通業(yè)的迅猛發(fā)展，振動這一現象變得越來越普遍。振動作為一種機械運動蘊含著一定的能量，然而目前振動機械能的利用率相對較低，通常被忽略，或被機械減震器和其他設備吸收［1］，造成能量的大量流失，如果將自然界中的振動機械能貯存起來，那將是一個相當可觀的數字。

鑒于振動機械能難以直接利用，可先將其轉化為電能，然后再進行使用。將振動機械能轉化成為電能的設備就叫做振動發(fā)電機。振動能量廣泛存在于汽車上，如:汽車懸架的振動，活塞往復運動以及廢氣排放噪聲引起的振動等，這些振動機械能都可以作為振動發(fā)電機的能量來源［2］。作為一種典型的能量采集技術，永磁振動發(fā)電機利用電磁感應原理可以把自然界中存在的大量機械振動能轉換為電能，受到越來越多的重視［3］。近年來，國內外的多所大學和機構都在從事這方面的研究工作［4-15］。

本文設計了一種新型球形振動發(fā)電機，利用自然界中廣泛存在的振動現象，使線圈在磁場中運動，切割磁感線，將振動機械能轉化成易被利用的電能。

1 理論依據

法拉第電磁感應定律是該新型球形振動發(fā)電機設計方法的理論來源。導體在磁場中做切割磁感線的運動時會產生感應電動勢，若導體可組成閉合回路，則會產生感應電流。感應電動勢E的計算公式為

式中:B為磁場強度;l為切割磁感線的導體有效長度;v是導體垂直于有效長度方向的速度分量。

振動產生時，球形振動發(fā)電機的線圈在磁場中做切割磁感線的運動，根據法拉第電磁感應定律，產生感應電動勢，實現振動機械能向電能的轉化。

2 結構設計方案

該新型球形振動發(fā)電機的縱剖結構如圖1所示，整體上由定子和振子兩部分構成。發(fā)電機的底座、儲能箱、外殼、外置磁體和限制缸組成定子部分;線圈、內置球殼、滑竿、滑竿套筒、輕質彈簧、內置磁體和固定桿組成振子部分。

圖1 球形振動發(fā)電機縱剖圖

2.1 定子部分

定子部分起到固定、連接、支撐的作用。

底座呈圓盤狀，位于整個發(fā)電機的最底端，均勻分布有4個固定螺孔，固定螺栓可穿過固定螺孔將底座與振動源連結，發(fā)電機整體固定在振動源上。

儲能箱位于球殼與底座中間，呈圓盤狀，主體為蓄電池，還包括整流器、逆變器等部件。發(fā)電機所產生的電能經過整流器之后儲存在蓄電池中，蓄電池通過逆變器將直流電轉化成交流電，再通過2個電極為負載供電。

外殼固定于儲能箱之上，外置磁體附著在外殼內側，與內置磁體配合產生近似球形的磁場。外置磁體由兩塊完全相同的半球殼狀永磁體組合而成，內側磁極相同，結合處留有一定空隙;內置磁體由兩塊完全相同的半球形永磁體構成，曲面?zhèn)仍谕?，磁極與外置磁體的內測磁極相反，這樣便可在內置磁體與外置磁體之間形成磁場。磁場或沿球體徑向向外發(fā)散或沿相反方向向內匯聚，形狀近似為球形。

在磁體的上下、左右、前后6個頂端位置分布6個限制缸，用于限定滑竿套筒末端的運動范圍。

2.2 振子部分

振子部分在振動產生時在球形磁場中振動，是振動發(fā)電機的重要組成部分。

振子部分的6個滑竿套筒各由套筒和金屬桿兩部分構成，金屬桿在外側，其末端處于磁鐵與內置球殼所夾區(qū)域，可在定子部分的限制缸內運動;內側為套筒，處在內置球殼內部，套筒一端封閉，與金屬桿焊接在一起，另一端半封閉。

滑竿的末端焊接有擋片，處在套筒內，擋片直徑略小于套筒內徑且大于套筒半封閉端開口直徑，滑竿與套筒半封閉端套有一輕質彈簧，這樣滑竿可依靠輕質彈簧在套筒內滑動。3條滑竿通過兩條固定桿與內置球殼固定在一起，固定桿與滑竿相交于內置球殼球心位置。

線圈是振子部分的主要組成部分，它由3組不同方向的線圈構成，分別是縱向線圈、橫向線圈和平向線圈，每組線圈都成半圓形，3組線圈分3層依次附著在內置球殼外部;每個半圓形線圈的兩端都接在一接線點上，通過導線與儲能箱內的整流器相連接，進而與蓄電池相連接，將產生的電能輸送到蓄電池中貯存起來。

3 發(fā)電方法

新型球形振動發(fā)電機工作時需利用螺栓穿過底座上的4個固定螺孔將其與振動源固定在一起，當振動產生時，振動發(fā)電機定子部分隨振動源一起運動，定子部分的運動通過滑竿套筒和輕質彈簧傳遞到振子部分。

球形振動發(fā)電機工作過程中振子部分的運動簡圖如圖2所示。以豎直方向上的運動為例，圖中a狀態(tài)為振動發(fā)生前的平衡狀態(tài)，此時由于重力作用，上下2個輕質彈簧都有一定程度的形變。若此時振動發(fā)生，并首先向上運動，則下部滑竿套筒會減速向上運動，下部輕質彈簧及其以上部分將加速向上運動，由于慣性，開始時該部分的速度小于下部滑竿套筒的速度;下部輕質彈簧被壓縮，當兩者速度相等時，下部彈簧被壓縮的程度最大，即達到b狀態(tài)，此過程中，振子部分與定子部分產生較大的相對位移。下部滑竿套筒繼續(xù)減速，其上部分繼續(xù)加速，達到振動的最高點，下部滑竿套筒的速度減為零，即c狀態(tài)。定子部分繼而向下運動，同樣因為慣性，振子部分繼續(xù)向上做減速運動，上部輕質彈簧被壓縮，向上速度減小為零時達到d狀態(tài)。振子部分轉而加速向下運動，到達平衡狀態(tài)e，然后減速向下運動，下部輕質彈簧再次被壓縮，速度減小到零時達到狀態(tài)f。定子部分再次向上運動，達到平衡狀態(tài)a，完成一個周期的振動，如此循環(huán)往復。

圖2 球形振動發(fā)電機工作過程中振子部分運動簡圖

但是，由于輕質彈簧的存在，振子部分的運動滯后于定子部分，在一個振動周期中，兩者之間多次產生相對運動，此時振子部分附著在內置球殼外部的3層半圓形線圈與由磁場發(fā)生相對運動。根據法拉第電磁感應定律，產生感應電動勢，半圓形線圈兩端的接線點通過整流器與蓄電池的輸入端相連接，將產生的電能儲存在蓄電池中。至此，完成振動機械能向電能的轉化。蓄電池的輸出端可與外電路相連，為外部負載供電。

4 設計特點

根據振動方向不確定的特點，突破了傳統(tǒng)直線式發(fā)電機圓柱形磁場的設計理念，利用內外置磁體產生近似球形的磁場，提高振動和空間的利用率。

內置球殼內部滑竿、滑竿套筒與輕質彈簧結構將振子部分與定子部分連接在一起，利用振動使線圈與磁場產生相對運動，同時，外置磁體內部附著6個均分布的限制缸，滑竿套筒的金屬桿末端可在整個限制缸限定的范圍內運動，拓寬了振子部分運動方向的范圍，也是對振動的一種充分利用。

內置球殼外部附著著3層不同繞向的半圓形線圈，以實現振子部分在較廣方向范圍內運動都能切割磁感線的目標。

以上所述為該永磁體外置式球形振動發(fā)電機設計方案的主要特點，這些設計特點都直接或間接地提高了該振動發(fā)電機的發(fā)電效率。

5 結語

本文提出了一種新型球形振動發(fā)電機的設計理念及其發(fā)電方法，該振動發(fā)電機將法拉第電磁感應定律作為設計的理論依據，當振動產生時，附著有3層半圓形線圈的振子部分在由內外置磁體產生的近似球形磁場中做切割磁感線的運動，線圈通過導線與整流器和蓄電池相連接，將由振動機械能轉化而成的電能儲存在蓄電池中。

振動發(fā)電機［16］的設計方案已申請專利，實用新型專利已獲授權，發(fā)明專利已進入實質審查階段，發(fā)展前景廣闊。

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