田贍民 張希偉 王卓遠(yuǎn)

（1.寧波公牛電器有限公司 寧波 315311；2.寧波工程學(xué)院電科系 寧波 315211）

問題提出

目前市場上的無線控制開關(guān)的供電有電池（以下簡稱“有源”）和自發(fā)電（以下簡稱“無源”）兩種方式，有源開關(guān)需要更換電池，且有電池腐蝕開關(guān)及廢棄電池處理的環(huán)境污染問題，所以無源開關(guān)的市場份額日益擴(kuò)大。由于受到產(chǎn)品體積及成本的限制，無源開關(guān)的發(fā)電量常常難以滿足實(shí)際需要，為此需要在小體積低成本的條件下來研究無源開關(guān)的發(fā)電技術(shù)。

“無源開關(guān)”的核心部件為自發(fā)電模塊，目前市場上應(yīng)用的技術(shù)都有自己的專利，為了公司的長遠(yuǎn)發(fā)展，我們必須研究出具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。

為此我們首先提出了項(xiàng)目的技術(shù)輸入條件：

1）自發(fā)電模塊的發(fā)電性能要求（接100 Ω電阻測試）：單次操作的發(fā)電量，最高電壓值不小于6.5 V，在電壓大于3 V時(shí)的持續(xù)時(shí)間不小于1.2 ms；

2）發(fā)電模塊動(dòng)作5萬次之后的發(fā)電性能要保持在初始的發(fā)電量的90 %以上；

3）發(fā)電模塊的使用壽命能達(dá)到10萬次以上；

4）符合標(biāo)準(zhǔn)GB 16915.1、GB 16915.2、GB 16915.3；

5）滿足市場上流行的3位“蹺板開關(guān)”要求，爭取滿足4位要求。

由于市場上產(chǎn)品的大小是標(biāo)準(zhǔn)化的，特別是對于多位蹺板開關(guān)的情況更是受安裝尺寸限制，為了讓技術(shù)有盡可能廣的通用性，我們對此種有限安裝尺寸的條件下開展了自發(fā)電技術(shù)方案的研究，以選擇合理的技術(shù)方案。

1 方案研究

從磁路原理[1]及現(xiàn)有技術(shù)來看，核心部件發(fā)電模塊的磁路主要部件為磁體[2,3]銜鐵組件與線圈軛鐵組件，為了論述的簡化，以下只研究磁體銜鐵組件與線圈軛鐵組件，而省去其它次要部件的描述。為此選擇三種典型方案分別予以論述：

1.1 方案一：X方向布置

如圖1所示，磁體銜鐵組件與線圈軛鐵組件在X方向布置，為了更清楚地表達(dá)磁體銜鐵組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖1（b）隱去了外殼，以下對磁路原理加以描述。

圖1 方案一3D示意圖

如圖2所示，圖2（a）為驅(qū)動(dòng)臂處于上限位置的磁路示意圖（不考慮漏磁），N-S分別表示磁體的南北極，磁力線從磁體的N極出來經(jīng)過銜鐵1進(jìn)入軛鐵右邊通道，然后進(jìn)入圖2（c）所示的線圈，再進(jìn)入軛鐵左邊通道，再從此進(jìn)入圖1（a）所示的銜鐵2，再從銜鐵2回到磁體的S極，這就形成了完整的主磁回路。

圖2 方案一工作示意圖

在圖2（a）所示外力P的作用下，驅(qū)動(dòng)臂由上限位置運(yùn)動(dòng)到下限位置，此時(shí)的磁路示意圖如圖2（b）所示，磁力線的走向分析方法與圖2（a）的方法相同，只不過銜鐵與軛鐵的接觸位置及氣隙發(fā)生了轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致通過線圈內(nèi)的磁力線方向反向。假設(shè)通過線圈一個(gè)方向的磁通量為1，則另一個(gè)方向的磁通量為-1，磁通量的變化量為1-（-1）=2，從而在線圈中產(chǎn)生雙倍的感應(yīng)電動(dòng)勢，為無線控制開關(guān)電路提供電源。此后，在圖2（b）所示狀態(tài)，再次受到反向外力的P的作用，則回到圖2（a）狀態(tài)，如此反復(fù)，不斷地為控制電路提供電能。

此方案的磁體銜鐵組件與線圈軛鐵組件在X方向布置，與開關(guān)成品安裝尺寸限制的方向相同，在X方向的尺寸較大，最多只適應(yīng)二位蹺板開關(guān)及門鈴的情況，技術(shù)的通用性較差。

1.2 方案二：Z方向布置

如圖3所示為銜鐵、磁體與線圈軛鐵組件在Z方向布置方案示意圖，首先來了解一下磁路原理。如圖3（a）所示銜鐵與軛鐵的氣隙處于右邊，主磁路位于左邊，磁力線的走向如圖3（a）所示，設(shè)其對應(yīng)線圈1的磁通量為1，線圈2的磁通量為0；此時(shí)在右邊施加外力P，銜鐵將以轉(zhuǎn)軸為中心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，銜鐵與軛鐵在右邊接觸，相應(yīng)的氣隙變?yōu)?，同時(shí)在左邊產(chǎn)生氣隙，主磁路也隨之轉(zhuǎn)換至右邊磁路，磁力線方向也隨之改變，線圈2的磁通量為1，線圈1的磁通量為0，如圖3（b）所示。此方案二個(gè)線圈的總磁通量變化量為2。此后，在圖3（b）所示狀態(tài)，左邊受到外力的P的作用，則回到圖3（a）狀態(tài)，如此反復(fù)，不斷地為控制電路提供電能。

圖3 方案二工作示意圖

優(yōu)勢：

1）由于銜鐵、磁體與線圈軛鐵組件在Z方向布置，結(jié)構(gòu)緊湊，X方向尺寸小，設(shè)計(jì)可用于4位蹺板開關(guān)。

2）二個(gè)線圈可以采用串聯(lián)或并聯(lián)方式連接以得到二倍單個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢或感應(yīng)電流，可以根據(jù)實(shí)際需要靈活處理。

3）銜鐵的運(yùn)動(dòng)方式與蹺板開關(guān)操作件（俗稱蹺板、按鈕）相同，后續(xù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開發(fā)將較簡單。

劣勢：

1）由于線圈是由貴重金屬制造，方案采用了二個(gè)線圈，成本較高；

2）為了適應(yīng)4位蹺板開關(guān)的結(jié)構(gòu)需要，壓縮了模塊X方向的尺寸，發(fā)電量能否滿足要求需要驗(yàn)證。

由于在設(shè)計(jì)階段難以確定磁路參數(shù)，磁路仿真也難以有效進(jìn)行，于是我們采用先用樣品進(jìn)行初步驗(yàn)證，測得發(fā)電量指標(biāo)見表1[4]。

表1 首樣驗(yàn)證

針對試驗(yàn)結(jié)果我們進(jìn)行了磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，如磁體參數(shù)、銜鐵軛鐵材料選擇、線圈線徑及匝數(shù)、氣隙大小等相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行了磁路仿真，如圖4（a）所示，圖中四個(gè)黑圈代表積分面，兩個(gè)發(fā)電線圈位于左右臂的兩個(gè)黑圈之間，由于篇幅的限制，對仿真、優(yōu)化過程不再進(jìn)行論述。經(jīng)過仿真優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)再進(jìn)行樣品驗(yàn)證，如表2所示[4]。

圖4 磁路仿真

表2 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

從測試結(jié)果可以看出，參數(shù)優(yōu)化后雖有改善，但仍不能滿足要求，必須再優(yōu)化方案。

于是，我們提出了在主磁體的下方再增加一個(gè)輔助磁體（磁體2），如圖3 （c）所示。然后再進(jìn)行磁路仿真，如圖4 （b）所示，仿真結(jié)果磁感應(yīng)強(qiáng)度可以提高5～10 %。于是再次進(jìn)行樣品驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示[4]，指標(biāo)全面達(dá)標(biāo)。

表3 方案二最終測試結(jié)果

據(jù)上研究可知，雖然本方案發(fā)電指標(biāo)全面達(dá)標(biāo)，由于采用了雙線圈雙磁體，產(chǎn)品化的成本壓力大，建議做為技術(shù)儲(chǔ)備，需要繼續(xù)研究低成本的技術(shù)方案。

1.3 方案三：Y方向布置

如圖5所示，銜鐵磁體組件與線圈軛鐵組件在Y方向布置的3D示意圖，其中銜鐵磁體組件包括銜鐵1、銜鐵2、磁體、擺桿及蓋板，驅(qū)動(dòng)臂為與擺桿一體的一個(gè)功能結(jié)構(gòu)，銜鐵1、銜鐵2及磁體一同裝入擺桿中，再將蓋板蓋上，形成組件，為了清楚地表達(dá)銜鐵及磁體的工作狀態(tài)，圖5（b）隱去了擺桿及蓋板，同樣首先來了解一下磁路原理。

圖5 方案三3D示意圖

如圖6（a）所示，銜鐵磁體組件處于上限位置，磁力線從磁體N極出來進(jìn)入銜鐵1，再進(jìn)入軛鐵1，沿著U形軛鐵的形狀進(jìn)入線圈組件的內(nèi)部，同步進(jìn)入軛鐵2插入線圈組件內(nèi)部部分，再進(jìn)入銜鐵2，回到磁體S極，形成磁回路。

圖3 方案二工作示意圖

在圖6（a）所示外力P的作用下，驅(qū)動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)磁體銜鐵組件擺動(dòng)至下限位置，此時(shí)銜鐵與軛鐵的接觸位置及氣隙發(fā)生轉(zhuǎn)換，如圖6（b）所示，磁路分析方法與上限位置相同，不再重復(fù)，只不過通過線圈內(nèi)部的磁力線方向相反，根據(jù)前述的假設(shè)，通過線圈的磁通量的變化量為1-（-1）=2，線圈中能產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢及電流。此后，圖6（b）所示狀態(tài)在反向外力的P的作用下，系統(tǒng)回到圖6（a）狀態(tài)，如此反復(fù)，不斷地為控制電路提供電能。

基于磁路優(yōu)化的需要，我們采用了與方案二相同的方法，進(jìn)行了磁路仿真研究，先進(jìn)行樣品驗(yàn)證，再開試驗(yàn)?zāi)ｒ?yàn)證。經(jīng)過充分驗(yàn)證，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)全面達(dá)標(biāo)。

與方案一、二相比，本方案具有以下優(yōu)勢：

1）X方向尺寸可較小符合三位蹺板要求，技術(shù)通用性強(qiáng)；

2）單磁體、單線圈結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單成本低。

不過與方案二相比本方案不能用于4位蹺板開關(guān)，因4位蹺板開關(guān)的市場份額小，目前還沒有應(yīng)用這類技術(shù)的4位蹺板開關(guān)，市場推廣風(fēng)險(xiǎn)較大，且本技術(shù)用于4位蹺板開關(guān)需4個(gè)發(fā)電模塊，沒有成本優(yōu)勢，綜合考慮舍棄小份額市場是可以接受的。所以，我們采納方案三進(jìn)行后續(xù)的新產(chǎn)品開發(fā)。

2 總結(jié)

由于方案一在X向尺寸較大，通用性較差，方案三相比沒用成本優(yōu)勢，因此被淘汰；方案二的成本高，但其有結(jié)構(gòu)緊湊，可用于“四開”蹺板開關(guān)的優(yōu)勢，暫不產(chǎn)品化，可以做為技術(shù)儲(chǔ)備；方案三具有通用性強(qiáng)、成本低及性能可靠而被采用。