張露予，李志鵬，王博文，王志華，李雨婷

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及諧振頻率分析

張露予，李志鵬，王博文，王志華，李雨婷

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

設(shè)計(jì)了一種新型振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)．對(duì)振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真、諧振頻率分析，并運(yùn)用有限元方法分析了E型磁軛三維磁場(chǎng)分布、磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化及振動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電壓波形．通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)使振動(dòng)發(fā)電機(jī)在低頻振動(dòng)環(huán)境條件下的能量獲取能力顯著提高．理論與實(shí)驗(yàn)表明振動(dòng)發(fā)電機(jī)在頻率為10Hz，振幅為10mm時(shí)，輸出開(kāi)路電壓有效值為5.5 V．

電磁式；振動(dòng)；發(fā)電機(jī)；諧振頻率

機(jī)械振動(dòng)是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源[1]．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式傳感器系統(tǒng)等迅速發(fā)展，對(duì)電源提出微型化、長(zhǎng)壽命等要求．振動(dòng)能是環(huán)境中最普遍存在的能量，將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的微型振動(dòng)發(fā)電機(jī)已引起人們廣泛關(guān)注[2]．考慮到為傳感器供電的電池壽命有限和廢棄電池對(duì)環(huán)境的影響，研究人員一直致力于用其他形式電源代替電池的研究工作，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、振動(dòng)能量等[3]．振動(dòng)能量源的普遍性并且不受時(shí)間限制，所以振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置成為現(xiàn)在電源研究的一大熱點(diǎn)[4]．為了有效利用這種能量，一種異于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的小型低頻直線電機(jī)越來(lái)越倍受青睞[5]．1995年英國(guó)設(shè)菲爾德大學(xué)的Williams課題組發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁式微型振動(dòng)發(fā)電機(jī)的論文，此后世界上許多研究機(jī)構(gòu)都在致力于該方面的研究．目前，對(duì)永磁直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，小到便攜式發(fā)電裝置，大到利用海洋波發(fā)電[6]，并將其直接并入電網(wǎng)，以及植入汽車減震器[7-9]，通過(guò)吸收減震器內(nèi)的振動(dòng)能量，將其轉(zhuǎn)換成電能，應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用范圍十分廣泛．

本文對(duì)一種新型電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，并進(jìn)行諧振頻率分析．該振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是形成閉合磁路，使漏磁通顯著減少，運(yùn)用直線軸承對(duì)永磁體與磁軛進(jìn)行限位，降低了磁力作用對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)所造成的影響．根據(jù)需要，改變磁軛間距，使輸出電壓達(dá)到不同效果．

1 振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輸出電動(dòng)勢(shì)優(yōu)化

本文所研究的振動(dòng)發(fā)電機(jī)的振源為自然界及現(xiàn)實(shí)生活中普遍存在的振動(dòng)能量，特別針對(duì)在低頻振動(dòng)情況下，提出了一種新型電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)．振動(dòng)發(fā)電機(jī)磁軛結(jié)構(gòu)為E型結(jié)構(gòu)，磁軛結(jié)構(gòu)及繞線方式如圖1所示．圖中A、B端為輸出電壓端口，連接示波器可以檢測(cè)出發(fā)電機(jī)輸出電壓．采用如圖所示的繞線方式是使各個(gè)線圈獨(dú)立串聯(lián)聯(lián)接，可提高輸出電壓．在條件允許的情況下，可以增加發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)以及磁軛的縱向高度來(lái)獲得更高的能量輸出．圖1中：L為磁軛高度；D為磁軛間距；h為磁軛前端面高度；d為磁軛寬度．此4項(xiàng)參數(shù)為磁軛設(shè)計(jì)的重要參數(shù)．

發(fā)電機(jī)磁軛部分采用DW 465-50型硅鋼片疊壓而成，根據(jù)實(shí)際物理環(huán)境確定發(fā)電機(jī)磁軛高度L，設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了磁場(chǎng)的最大利用率，使磁軛中磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值小于硅鋼片的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，據(jù)此確定d和h．硅鋼片的BH曲線如圖2所示，磁軛中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖3所示．

根據(jù)實(shí)際加載力的大小確定磁軛間距D，運(yùn)用有限元軟件對(duì)振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前振動(dòng)發(fā)電機(jī)磁軛結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示．由于磁軛部分結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此選取發(fā)電機(jī)左側(cè)磁軛A線圈進(jìn)行仿真研究．A線圈由上、下兩部分線圈串聯(lián)聯(lián)接，上、下線圈輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別如圖4和圖5所示．

從圖中可知在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，上、下線圈輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化兩次，原因是磁軛前端面尺寸h過(guò)小，使發(fā)電機(jī)在上升或下降過(guò)程中磁軛中磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化兩次．對(duì)端面尺寸h進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表2所示，發(fā)電機(jī)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖6所示．

為避免發(fā)電機(jī)其余部分鐵磁物質(zhì)對(duì)磁路造成影響，本結(jié)構(gòu)選用圓柱形奧氏不銹鋼（非導(dǎo)磁材料）作為發(fā)電機(jī)振動(dòng)軸．振動(dòng)軸中部凹陷，三塊圓柱形永磁體異相排列，分別嵌鑲在圓柱形振動(dòng)軸凹陷部分中．振動(dòng)軸末端開(kāi)有方槽并放置平鍵，防止發(fā)電機(jī)在振動(dòng)過(guò)程中，振動(dòng)軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

永磁與磁軛之間存在較強(qiáng)吸引力，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中由于引力的作用，振子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此運(yùn)用分布在兩端的圓法蘭直線軸承對(duì)振動(dòng)軸進(jìn)行限位，將永磁與磁軛之間的引力轉(zhuǎn)化為振動(dòng)軸與軸承之間的滾動(dòng)摩擦力，大幅度削減磁力作用對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)的影響．

2 發(fā)電機(jī)諧振頻率分析

振動(dòng)發(fā)電機(jī)的諧振頻率特性對(duì)發(fā)電機(jī)正常工作有重要影響．發(fā)電機(jī)在諧振狀態(tài)下機(jī)械阻尼最小，輸出功率最高．由于磁軛內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度很小，故存儲(chǔ)在磁軛部分的磁場(chǎng)能量遠(yuǎn)小于存儲(chǔ)在空氣隙中的部分，因而前者可忽略不計(jì)，氣隙磁場(chǎng)的總能量為[10]

式中：V為場(chǎng)域的體積；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；S為磁軛表面積；L為氣隙長(zhǎng)度；uc為真空中磁導(dǎo)率．

圖1 永磁發(fā)電機(jī)磁軛基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structureof yoke of the PM generator

圖2 磁軛BH曲線Fig.2 BH curveof the yoke

圖3 磁軛中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.3 Distribution diagram ofmagnetic flux density of yoke

表1 磁軛初始結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Initial structure parametersof the yoke

表2 磁軛最終結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Finalstructure parametersof the yoke

圖4 上線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.4 EMF of the upper coilof yoke

圖5 下線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.5 EMF of the lower coilof yoke

圖6 發(fā)電機(jī)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.6 EMF curveafter cascadeof coil

虛功力法公式推導(dǎo)相對(duì)復(fù)雜，但不存在積分路徑問(wèn)題，受剖分單元類型、剖分精度的影響不大．根據(jù)虛功力法，當(dāng)發(fā)電機(jī)振動(dòng)時(shí)，其受力分析如下

由于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，x、y方向的虛功力相互抵消，受電磁合力的方向?yàn)閦方向，方程（2）可表示為

圖7 發(fā)電機(jī)z方向受力分析圖Fig.7 Forceanalysis of the generator yokeacross z direction

由式(3)計(jì)算得到發(fā)電機(jī)延z方向所受電磁力分析結(jié)果如圖7所示．

由圖7可知在振幅為10mm到10 mm范圍內(nèi)，振子受力與位移呈線性分布，根據(jù)式F=kx可以確定所需彈簧的剛度為10N/mm，計(jì)算彈簧的固有頻率為其中m為振子質(zhì)量．因此可計(jì)算出系統(tǒng)的固有頻率為11.25Hz．當(dāng)外界振動(dòng)與彈簧的固有頻率一致時(shí)，系統(tǒng)有最大能量輸出．

3 測(cè)試結(jié)果與分析

圖8 振動(dòng)頻率為10Hz時(shí)輸出電壓波形Fig.8 Outputvoltageat the frequency 10 Hz acrossz direction

根據(jù)理論計(jì)算與仿真結(jié)果制作了樣機(jī)．實(shí)驗(yàn)中，將振動(dòng)發(fā)電機(jī)置于地板下方，在行人通過(guò)的振動(dòng)條件下，發(fā)電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)波形如圖8所示，其中，地板的最大振幅為10mm．圖8中，輸出電動(dòng)勢(shì)的有效值達(dá)5.5V，發(fā)電機(jī)的振子運(yùn)動(dòng)到最大位移處時(shí)將會(huì)換向及運(yùn)動(dòng)到頂點(diǎn)位置時(shí)速度變?yōu)榱悖@時(shí)波形發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折．

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型振動(dòng)發(fā)電機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)諧振頻率計(jì)算．通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，磁場(chǎng)利用率達(dá)90.33%，漏磁通顯著減少．實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)施加壓振動(dòng)應(yīng)力的方向確定發(fā)電機(jī)的擺放位置．通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)使振動(dòng)發(fā)電機(jī)在低頻振動(dòng)環(huán)境條件下的能量獲取能力顯著提高，理論與實(shí)驗(yàn)表明振動(dòng)發(fā)電機(jī)在頻率為10Hz，振幅為10mm時(shí)，輸出開(kāi)路電壓有效值為5.5V．

[1]楊燕花，楊嘉祥，馬鳳蓮．直線式振動(dòng)能/電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．微特電機(jī)．2011（2）：33-36．

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[責(zé)任編輯 代俊秋]

Design of electromagnetic vibration-powered generatorand its resonant frequency analysis

ZHANG Lu-yu，LI Zhi-peng，WANG Bo-wen，WANG Zhi-hua，LI Yu-ting

（Province-M inistry JointKey Laboratory of Electromagnetic Field and ElectricalApparatusReliability，HebeiUniversity of Technology, Tianjin 300130，China）

A new typeof structureofelectromagnetic vibration-powered generator is proposed according to thevibration power．Themagnetic field distribution of the yoke and the optimaldesign of themagnetic circuit for thegeneratorare simulatedby using themethod of finiteelementanalysis．Ithasbeen found thattheability ofenergy harvestinggenerator is significantly im proved under the condition of low-frequency vibration．The open circuitRM Svoltage is5．5V w ith the vibration frequency of10 Hz and the amplitude of10mm．

electromagnetic type；vibration；powered generator；resonant frequency

TP391.41

A

1007-2373(2014)01-0001-04

2013-02-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（51171057,51107030）

張露予（1989-），女（漢族），博士生．通訊作者：王博文（1956-），男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師．