豆素勤，趙金國(guó)，馮寶文，趙發(fā)明

(西京學(xué)院，西安 710123)

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一種圓管型永磁直線電勢(shì)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

豆素勤，趙金國(guó)，馮寶文，趙發(fā)明

(西京學(xué)院，西安 710123)

通過分析直線直流電勢(shì)發(fā)生器的原理，利用汽車振動(dòng)能量回收的減振器的內(nèi)部空間，設(shè)計(jì)安裝了一種圓管型永磁直線電勢(shì)發(fā)生器裝置，直線電勢(shì)發(fā)生器電勢(shì)的產(chǎn)生來自于圓管型直線發(fā)電機(jī)。仿真分析表明該裝置為汽車新能源的發(fā)展提供了一個(gè)有效直流電源，解決了蓄電池延長(zhǎng)續(xù)航能力的問題，同時(shí)制造出了樣機(jī)，在奇瑞轎車上安裝并滿足了使用要求。

圓管型永磁直線電勢(shì)發(fā)生器；電動(dòng)汽車；自供電磁流

0 引 言

圓管型永磁直線電勢(shì)發(fā)生器是將直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為直流電能的裝置。該發(fā)生器采用永久磁鐵作為次級(jí)磁通源，通電初級(jí)線圈在氣隙磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電磁力，由次級(jí)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行位移實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。該發(fā)生器動(dòng)子運(yùn)動(dòng)行程可以通過改變圓管形永磁直線發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出力大小與方向都可以通過能動(dòng)裝置的大小和方向來實(shí)現(xiàn)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在機(jī)械工程需要直線驅(qū)動(dòng)的領(lǐng)域。

根據(jù)圓管型永磁直線直流電勢(shì)發(fā)生器的原理[1]，為電動(dòng)汽車減振器設(shè)計(jì)一個(gè)圓管型永磁直線發(fā)電機(jī)是可行的。通過仿真，得到了該裝置的參數(shù)和波形，驗(yàn)證了該裝置在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的必要性。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 圓管型永磁直線電勢(shì)發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu)

圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器主要結(jié)構(gòu)

圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器[1]的特點(diǎn)是采用集中繞組(分布)、無刷式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。初級(jí)為靜止固定部分，初級(jí)繞組由兩個(gè)線圈組成，由線圈骨架支撐，并固定在機(jī)殼殼內(nèi)圓上；次級(jí)為軸向移動(dòng)(工作狀況一般為上下運(yùn)動(dòng))，次級(jí)一側(cè)裝配有N極、S極的永久磁鐵。該直線電機(jī)裝在汽車底盤減振器內(nèi)部，減振器連接于汽車懸架。

1.2 圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器主要工作原理

圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器工作原理，如圖2所示。

(a)外力向外(b)外力向內(nèi)

圖2 圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器工作原理

圖2中兩個(gè)線圈串聯(lián)連接，永久磁鐵N極、S極內(nèi)部磁力線的方向?yàn)镾極指向N極，永久磁鐵外部磁力線的方向?yàn)镹極指向S極。當(dāng)次級(jí)由外力(實(shí)質(zhì)上是由車輛振動(dòng)引起)使其軸向反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)次級(jí)如圖2(a)位置向右移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)的線圈被磁力線切割感應(yīng)電勢(shì)e，e=Blv，e的方向用右手定則判斷，即圖2(a)中左邊線圈，上邊導(dǎo)體電勢(shì)方向?yàn)榱鬟M(jìn)，下邊導(dǎo)體電勢(shì)方向?yàn)榱鞒?。同理，圖2(a)中右邊線圈上邊導(dǎo)體電勢(shì)方向?yàn)榱鞒?，下邊?dǎo)體電勢(shì)方向?yàn)榱鬟M(jìn)。

設(shè)次級(jí)如圖2(b)位置向左移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)的線圈被磁力線切割感應(yīng)電勢(shì)e，e=Blv，e的方向用右手定則判斷，即圖2(b)中左邊線圈，上邊導(dǎo)體電勢(shì)方向?yàn)榱鞒?，下邊?dǎo)體電勢(shì)方向?yàn)榱鬟M(jìn)。同理，圖2(b)中右邊線圈上邊導(dǎo)體電勢(shì)方向?yàn)榱鬟M(jìn)，下邊導(dǎo)體電勢(shì)方向?yàn)榱鞒觥?/p>

在圖2(a)和圖2(b)中，初級(jí)兩個(gè)線圈是串聯(lián)連接，所以兩個(gè)線圈的電勢(shì)對(duì)外輸出為兩倍的e。兩倍的e對(duì)于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)值為8 V，運(yùn)行時(shí)次級(jí)連續(xù)軸向反復(fù)運(yùn)動(dòng)，發(fā)出的8 V電勢(shì)大小和方向都在隨時(shí)間改變，即屬于交流電。車輛上一般裝有4個(gè)減振器，即4個(gè)永磁直線直流電勢(shì)發(fā)生器的輸出電勢(shì)均為32 V，再經(jīng)過電力電子變換的逆變器將交流電變換為可以實(shí)用的直流電，以便給24 V的蓄電池充電。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器主要技術(shù)指標(biāo)：UN=24～28 V(車用)，PN=40～60 W，環(huán)境溫度-20～80 ℃，IN=2.5 A，無明顯的電磁噪聲。

2.2 圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器主要尺寸的確定

將圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器安置在特殊設(shè)計(jì)的減振器中，減振器具體結(jié)構(gòu)如圖3所示?；钊捎貌牧吓铺?hào)：圓環(huán)形釹鐵硼，工作溫度：80 ℃；尺寸：外徑25 mm,內(nèi)徑8.1 mm,厚度20 mm。

圖3 圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器裝置具體結(jié)構(gòu)示意

圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器電磁繞組由線圈骨架、線圈、硅鋼片組合而成，如圖4所示。

圖4 圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器電磁繞組示意圖

圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)如表1所示。

表1 圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

2.3 能量回收

利用汽車減振器設(shè)計(jì)為可發(fā)電的圓筒形永磁直線電勢(shì)發(fā)生器裝置，其發(fā)電系統(tǒng)具有自動(dòng)控制充電電流的功能，蓄電池充足電后即自動(dòng)關(guān)閉。若將蓄電池正負(fù)線接錯(cuò)或短路，能自動(dòng)保護(hù)，安全可靠。發(fā)電機(jī)還能在蓄電池充電飽和狀態(tài)下，提供一維護(hù)性充電電流，這對(duì)于常用但要求能隨時(shí)啟用的蓄電池更為適合。當(dāng)汽車在凹凸不平的惡劣路面上行駛，車輪劇烈地跳動(dòng)，ECU電子控制器通過加速度傳感器和其他傳感器立即感知和控制電子開關(guān)切斷該減振器的功率輸出電路，輸入電路連接到定子線圈和定子線圈的輸入電流，發(fā)電減振器立即進(jìn)入直線電機(jī)，電阻和在相反方向的阻尼力，緩解路面沖擊和振動(dòng)[3]。所施加的電流輸入是更大的，所產(chǎn)生的定子線圈，電流控制的直線電機(jī)的相對(duì)方向的強(qiáng)磁場(chǎng)，和阻尼力更大的系統(tǒng)完全和駕駛加速度和顛簸的適應(yīng)。這意味著各種道路條件下，選擇最佳的負(fù)載阻尼力，乘坐舒適性和運(yùn)動(dòng)的完美統(tǒng)一，振動(dòng)阻尼器的振動(dòng)性能和振動(dòng)性能的完美統(tǒng)一[4]。

3 電勢(shì)發(fā)生器產(chǎn)生效能的分析

對(duì)本樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，樣機(jī)的次級(jí)激振桿質(zhì)量分別為10 g，15 g，17.84 g，20 g和25 g，激振力幅值F=1 500 N時(shí)，通過壓力傳感器、電流表和電壓表，以及示波器，對(duì)電流、自供電磁流輸出電壓隨激振力頻率f的變化情況進(jìn)行實(shí)測(cè),如圖5所示。輸出電壓、電流隨壓力頻率的變化，如圖6所示。隨著激振桿質(zhì)量的增大，電流、自供電磁流產(chǎn)生的輸出的電壓均減小。當(dāng)自供電磁流一階固有頻率與激振力頻率一致時(shí)，自供電磁流處于諧振狀態(tài)，自供電磁流輸出電壓和電流達(dá)到最大，并且自供電磁流位移幅值、應(yīng)變和應(yīng)力也均達(dá)到最大，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖5 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析實(shí)況圖

圖6 輸出電壓、電流隨壓力頻率的變化曲線擬合

表2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)激振桿質(zhì)量m=17.84 g，頻率f=1 650 Hz，作用力F=1 500 N時(shí)電流、自供電磁流電壓隨振動(dòng)的變化情況進(jìn)行分析。自供電磁流長(zhǎng)度對(duì)輸出電流、電壓的影響曲線擬合，如圖7所示。當(dāng)自供電磁流的振動(dòng)位移達(dá)到最大時(shí)，其輸出電壓、電流也達(dá)到最大?？梢?，當(dāng)自供電磁流長(zhǎng)度正好滿足自供電磁流的諧振頻率方程時(shí)，自供電磁流處于諧振狀態(tài)。

圖7 自供電磁流長(zhǎng)度對(duì)輸出電流、電壓的影響曲線擬合

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用汽車振動(dòng)能量回收的自供電磁流的原理，對(duì)汽車減振器進(jìn)行設(shè)計(jì)改造為可產(chǎn)生電能的裝置，如圖8所示。其電路控制系統(tǒng)具有自動(dòng)控制充電電流的功能，蓄電池充足電后即自動(dòng)關(guān)閉。通過樣機(jī)測(cè)試結(jié)果可知，能在蓄電池充電飽和狀態(tài)下，提供一維持性充電電流，這對(duì)于常用但要求能隨時(shí)啟用的蓄電池更為適合。當(dāng)電動(dòng)汽車在凹凸不平的路面上行駛，車輪劇烈跳動(dòng)時(shí)對(duì)電能蓄電儲(chǔ)能效果更好，在一定程度上,提高了電動(dòng)汽車電池壽命和應(yīng)用程序的可行性。

圖8 樣機(jī)與電源

通過以上研究，該裝置在電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域可起到一定的技術(shù)推動(dòng)作用。

[1] 陳隆昌，閻治安，劉新正.控制電機(jī)(第四版)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

[2] 宋媛，王淑紅.圓筒形永磁動(dòng)圈式直線電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)和推力解析分析[J].微特電機(jī),2011,39(5)：12-13.

[3] 黃克峰，李槐樹，周羽.軸向充磁圓筒型永磁直線電機(jī)磁場(chǎng)解析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(7):883-887.

[4] 胡登科，徐衍亮.圓筒型橫向磁通永磁直線電機(jī)的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

Design of a Circular Tube Type Permanent Magnet Linear Potential Generator

DOUSu-qin,ZHAOJin-guo,FENGBao-wen,ZHAOFa-ming

(Xijing University, Xi'an 710123, China)

Through analyzing the principle of linear dc power generator, a pipe type permanent magnet linear potential generator unit was designed and installed, using the internal space of the shock absorber of automobile vibration energy recovery. Linear potential generator voltage generated from the circular tube type linear generator, the simulation analysis shows that the device provides an effective dc power supply for the new energy vehicles' development, solving the problem of the battery to extend battery life. A prototype was created, and was installed in a Chery car, satisfying the requirements in the use for cars.

circular tube type permanent magnet linear voltage generator； electric car； autonomous electromagnetic flow

2015-09-14

西京學(xué)院科研項(xiàng)目基金(XJ140114)

TM351;TM359.4

A

1004-7018(2016)08-0026-03

豆素勤(1982-)，女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槠囆录夹g(shù)。