李 恒, 高亞如

(國網(wǎng)山東省電力公司濟寧供電公司，濟寧 272023)

0 引 言

隨著綠色出行口號的提出，公共自行車、電動自行車和電動汽車等迅速走進了公眾生活，由此產(chǎn)生的振動能量卻沒有得到有效采集和利用。人體運動、橋梁振動、海洋波浪等同樣存在著大量的振動能量[1], 這些振動的共同特點是頻率較低。因而，如何更好地采集低頻振動能量并對其進行利用，一直是研究者十分關(guān)心的熱點課題。CHEN Shih-Jui等對一種基于MEMS制造工藝和注射技術(shù)的3D微電磁能量采集器進行了研究[2]，結(jié)果表明，采用雙層線圈可使諧振頻率下降到160 Hz，輸出電壓和功率增加約一倍[3]。張遷等[4]對一種可利用人體運動發(fā)電的磁彈簧振動發(fā)電機進行了研究，在振動頻率8 Hz，加速度0.27g，負載電阻21 Ω時，發(fā)電機能夠產(chǎn)生0.53 μW的能量[1]。但該發(fā)電機不存在磁軛，沒有形成閉合磁路，漏磁較高，降低了磁場利用率，從而導(dǎo)致僅能輸出較小的能量。陶果等[5]設(shè)計了一種振動發(fā)電機，在振子運動速度0.9 m/s時，發(fā)電機最大輸出功率為80 W。該發(fā)電機使用了磁軛作為導(dǎo)磁路徑，提高了磁場利用率，但其振子運動速度很大(為0.9 m/s)，很難高效地收集環(huán)境中的低頻振動能量[6]。

針對目前振動發(fā)電機普遍存在的無磁軛、振子運動速度大、漏磁較高等問題[7]，為了在低頻環(huán)境下產(chǎn)生切實可行的為蓄電池或其他電子設(shè)備提供能量的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，本文基于法拉第電磁感應(yīng)定律，研究了一種帶有磁軛結(jié)構(gòu)的永磁振動發(fā)電機,對其進行理論分析，并采用有限元法對發(fā)電機的輸出特性進行仿真分析[8]。通過合理設(shè)計振動發(fā)電機的磁路結(jié)構(gòu)，使得該振動發(fā)電機在平衡狀態(tài)下磁路閉合良好。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計、制作振動發(fā)電機樣機，并進行實驗研究。

1 永磁振動發(fā)電機的理論分析

當振動發(fā)電機的動子永磁體和定子繞組產(chǎn)生直線相對運動時，繞組的磁感應(yīng)強度B不斷改變，繞組不停地與磁媒質(zhì)之間產(chǎn)生相對位移。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，振動發(fā)電機的感應(yīng)電動勢可以表示[9]：

(1)

2 永磁振動發(fā)電機的設(shè)計

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，考慮發(fā)電機的磁鏈、位移變化率和內(nèi)阻，針對低頻振動環(huán)境，設(shè)計一種新型磁軛結(jié)構(gòu)的永磁振動發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 振動發(fā)電機剖面圖

永磁振動發(fā)電機的主體為四棱柱結(jié)構(gòu)，包括側(cè)板、上端蓋和下端蓋，上端蓋中間開孔，下端蓋上部安裝空心圓柱型轂，轂內(nèi)底部空心部分放置彈簧；轂頂部安裝與振動軸相同內(nèi)徑的下直線軸承，振動軸的下部穿過下直線軸承在轂內(nèi)與彈簧接觸；振動軸的上端穿過上法蘭軸承和與其固定在一起的上端蓋，并高出上端蓋。

嵌有永磁體和動子軛鐵的振動軸作為發(fā)電機的動子，發(fā)電機的其余部分為定子，極靴型磁軛作為導(dǎo)磁部分，能夠獲得較好的線性分布磁場[10]；而且主磁極較寬，能夠減小氣隙磁阻，改善主磁極磁場分布。線圈繞制在磁軛臂上，振動軸兩側(cè)通過直線軸承進行限位，上端高出發(fā)電機外殼，用于施加外界振動激勵，下端與彈簧相連。

由環(huán)境振動應(yīng)力引起外界輸入壓力作用在永磁動子的振動軸頂端，在動子的作用下復(fù)位彈簧受到壓縮，不斷儲存和釋放能量，動子上的永磁體組將與定子磁軛之間產(chǎn)生相對運動，使磁軛中產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁通，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，繞制在磁軛上的繞組線圈就會感應(yīng)出交變的電動勢，從而實現(xiàn)振動機械能到電能的轉(zhuǎn)換[11]。

主體封閉結(jié)構(gòu)的設(shè)計使發(fā)電機在工作時更穩(wěn)定；同時，由于發(fā)電機的對稱性，使動子在水平方向上的電磁合力為0，減小了振動時的作用力[12]。

硅鋼片的主要特點是磁導(dǎo)率較高、矯頑力較低、渦流和磁滯損失小[13]，適于做低頻振動下交變磁場的磁導(dǎo)體，因而是作為發(fā)電機、電動機定子以及動子的良好材料。本文永磁發(fā)電機定子和動子均采用DW465-50硅鋼片做導(dǎo)磁材料[14]。

3 永磁振動發(fā)電機的輸出特性

當對發(fā)電機的定子底座部分施加直線振動作用時，經(jīng)過拾振彈簧，使定子和動子之間產(chǎn)生位移上的相對變動，使通過繞組線圈的磁通量也發(fā)生變動，繞組線圈隨之會感應(yīng)出電動勢。

給定磁軛永磁振動發(fā)電機的動子正弦激勵振動z(t)=Zsin(2πft)，其中Z為振幅，f為振動頻率。定子固定不動，則振動發(fā)電機在工作時，動子和定子之間的相對位移為z(t)。

磁軛永磁振動發(fā)電機動子的運動軌跡僅發(fā)生在軸向上，且磁路閉合較好，視為無漏磁。根據(jù)磁軛振動發(fā)電機的運動特點和法拉第電磁感應(yīng)定律，計算得到單根線圈的感應(yīng)電動勢：

(2)

式中：φ為總的磁鏈；v是動子的振動速度；z為動子與定子的相對位移[15]。

在發(fā)電機動子上施加正弦位移激勵z(t)=Z·sin(2πft)，令Z=2 mm，f=0～14 Hz時分別仿真得到發(fā)電機的輸出電壓有效值Us隨頻率f的變化曲線,如圖2所示。

由仿真結(jié)果可知，在振幅Z固定不變時，Us隨f的增大而線性增大。

同樣，令f=5 Hz，Z=0～20 mm時，Us隨Z的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，在f固定不變時，Us隨Z的增大同樣呈線性增加。

圖2 不同頻率下輸出感應(yīng)電動勢有效值

圖3 不同振幅下輸出感應(yīng)電動勢有效值

仿真結(jié)果表明，發(fā)電機輸出電壓有效值Us與頻率f和振幅Z之間在一定的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。證明了該發(fā)電機在低頻低振幅的作用下具有良好的線性特性。

4 永磁振動發(fā)電機的實驗研究

根據(jù)理論分析和有限元仿真結(jié)果，設(shè)計、制作出了磁軛永磁振動發(fā)電機樣機，并對其在實驗測試平臺上進行實驗測試，如圖4所示。

圖4 振動發(fā)電實驗平臺

實驗平臺包括300 kg型號為DC-300-3的電動振動臺、固定架、示波器、振動測試儀等。該平臺能夠輸出頻率和振幅可調(diào)的正弦位移激勵運動z(t)=Zsin(2πft)，產(chǎn)生的正弦振動能夠作用于發(fā)電機的動子，而發(fā)電機的定子固定不動，這樣使發(fā)電機的動子和定子產(chǎn)生正弦相對運動。振動臺也可以根據(jù)輸入的信號模擬給定的運動，其組成部分包括振動臺臺體、功率放大器、風(fēng)機等。

利用搭建的實驗平臺，研究發(fā)電機的輸出電壓與振幅及頻率的變化關(guān)系。Z=2 mm，f=0～18 Hz時，輸出電壓有效值Ue與頻率f的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，Ue與f呈線性關(guān)系，其變化趨勢和數(shù)值均和仿真結(jié)果相同，驗證了理論和仿真結(jié)果的正確性。

當f=5 Hz，Z=0～8 mm時，Ue隨Z的變化曲線如圖6所示。由圖6可知，Ue與Z同樣呈線性關(guān)系。圖5、圖6的結(jié)果證明仿真得到的輸出電壓是正確的，從而證明了該發(fā)電機設(shè)計的合理性。

圖5 不同頻率下發(fā)電機輸出電壓有效值

圖6 不同振幅下發(fā)電機輸出電壓有效值

圖7是當振動實驗臺給定正弦位移激勵z(t)=6sin(20t)，即Z=6 mm，f=10 Hz時振動發(fā)電機的輸出電壓u(t)波形。由圖7可知，u(t)近似為正弦波，電壓有效值U=18.46 V。如外接電阻為5 Ω的電子設(shè)備，輸出功率可達到70 W。經(jīng)電能處理電路，發(fā)電機產(chǎn)生的電能足夠應(yīng)用在負載上，如LED燈、汽車蓄電池充電等。

圖7 f=10 Hz,Z=6 mm時發(fā)電機的輸出電壓

5 結(jié) 語

本文從法拉第電磁感應(yīng)定律出發(fā)，著重提高振動發(fā)電機繞組在工作過程中磁通量的變化量，設(shè)計了一臺有磁軛結(jié)構(gòu)的用于低頻環(huán)境下的永磁振動發(fā)電機樣機。分析了發(fā)電機輸出電動勢的計算公式并仿真得到了發(fā)電機輸出電壓有效值與振動頻率和振幅之間的關(guān)系。結(jié)果表明，電壓有效值與振幅和頻率均在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。

設(shè)計、制作了振動發(fā)電機樣機并結(jié)合電動振動臺搭建實驗平臺進行實驗測試，以研究發(fā)電機輸出電壓與振動頻率和振幅之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，發(fā)電機電壓有效值與振幅和頻率之間的關(guān)系在一定的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系，驗證了理論和仿真結(jié)果。在z(t)=6sin(20πt)的振動條件下對發(fā)電機進行實驗測試，得出了發(fā)電機的輸出電壓曲線并計算得到有效值，證明了該發(fā)電機能夠應(yīng)用于現(xiàn)實生活中。