一種新型永磁直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真研究*

鄒尊強(qiáng), 王博文, 崔曉靜，管紅立

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

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一種新型永磁直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真研究*

鄒尊強(qiáng), 王博文, 崔曉靜，管紅立

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院電磁場(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)了一種新型永磁直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)，減小了動(dòng)子與定子間的磁力。利用有限元仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)永磁直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果證明：外殼采用導(dǎo)磁性能較好的硅鋼材料、永磁體選用釹鐵硼材料時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)更高；隨著永磁體厚度的增加，動(dòng)子與定子間距的減小，輸出電動(dòng)勢(shì)有效值逐漸增大；隨著永磁體寬度的增加，輸出電動(dòng)勢(shì)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值。最終確定外殼選用硅鋼材料，永磁體選用釹鐵硼材料，永磁體尺寸為100mm×26mm×5mm，動(dòng)子與定子距離為4mm。在振動(dòng)頻率為1Hz、振幅為30mm 的正弦位移激勵(lì)下，發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)有效值為4.1908V，可輸出最大功率為0.2152W。

永磁直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)； 有限元仿真； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引 言

如今，氣候變化和CO2濃度的升高引起了全球的高度關(guān)注，從可再生能源中開(kāi)發(fā)新能源成為研究的重要領(lǐng)域[1-2]。振動(dòng)能作為新能源的研究熱點(diǎn)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。振動(dòng)能廣泛存在于自然環(huán)境中，有較高的功率密度且不受時(shí)間限制,利用振動(dòng)發(fā)電裝置可把振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能[3-5]。小型振動(dòng)發(fā)電裝置可應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)等微電子設(shè)備中；大型振動(dòng)發(fā)電裝置可應(yīng)用在海洋發(fā)電中，利用波浪能發(fā)電[6-9]。

文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種E型電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)，制作了樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該文獻(xiàn)對(duì)磁路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了漏磁，提高了磁場(chǎng)的利用率。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于海洋中的大型振動(dòng)發(fā)電機(jī)，優(yōu)化了浮標(biāo)尺寸和動(dòng)子重量，在海洋中進(jìn)行了試驗(yàn)，得到較大的輸出電壓和輸出功率。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種漂浮圓柱型直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)，振動(dòng)發(fā)電機(jī)的主要部件都設(shè)計(jì)在一個(gè)箱子內(nèi)部，解決了海水對(duì)振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕問(wèn)題，并減小了振動(dòng)發(fā)電機(jī)維修的難度。上述發(fā)電機(jī)存在一個(gè)共同問(wèn)題是線圈纏繞在導(dǎo)磁性能良好的磁軛上，從而引起動(dòng)子與定子之間的磁力過(guò)大。這種結(jié)構(gòu)不但會(huì)影響發(fā)電機(jī)的壽命，而且也會(huì)限制發(fā)電機(jī)在相同振動(dòng)源下的振幅，從而導(dǎo)致輸出電壓質(zhì)量下降。目前，介紹能有效減小動(dòng)子與定子間磁力的文獻(xiàn)較少，因此本文設(shè)計(jì)了一種新型的永磁直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)，解決了動(dòng)子與定子磁力過(guò)大的問(wèn)題。

設(shè)計(jì)的新型永磁直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)，線圈纏繞在非金屬材料上，減小動(dòng)子與定子之間的磁力，此外，外殼材料選用硅鋼材料，減少漏磁，使通過(guò)線圈的磁通增加。通過(guò)仿真對(duì)振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及永磁體尺寸進(jìn)行優(yōu)化，確定發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以此收集更多的電能。此發(fā)電機(jī)可以應(yīng)用于海洋或道路減速帶下方等存在低頻高振幅振動(dòng)源的環(huán)境中。

1 工作原理與模型結(jié)構(gòu)

新型振動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。線圈作為動(dòng)子的一部分，永磁體作為定子的一部分。當(dāng)動(dòng)子與定子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)線圈中的磁通發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，線圈兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，包括感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。由線圈磁通密度變化引起的稱(chēng)為感生電動(dòng)勢(shì)，用Ein表示；由線圈和磁場(chǎng)間相對(duì)位移引起的稱(chēng)為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，用Emo表示。那么任一匝線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式如下：

(1)

圖1 新型振動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

式中：B——線圈所在位置的磁場(chǎng)，由永磁體產(chǎn)生；

v——線圈相對(duì)永磁體運(yùn)動(dòng)的速度矢量；

S——線圈包圍的面積矢量；

l——線圈的閉合回路矢量，這里l的方向與B的方向都符合右手螺旋定則。

線圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度可分解為B=Bxex+Byey+Bzez,其中Bx為線圈磁通密度的x軸向分量，By為y軸向分量，Bz為z軸向分量，ex為x軸向的單位矢量，ey為y軸向的單位矢量，ez為z軸向的單位矢量。動(dòng)子上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即沿z軸方向運(yùn)動(dòng)。將式(1)進(jìn)行矢量運(yùn)算得

(2)

v——運(yùn)動(dòng)永磁體在z軸方向的速度；

S——線圈回路面積。

2 有限元仿真

利用有限元分析軟件，對(duì)新型直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行三維建模。設(shè)定線圈的尺寸如圖2所示。發(fā)電機(jī)共有2個(gè)線圈，串聯(lián)在一起，每個(gè)線圈500匝，內(nèi)阻為10.2Ω。一般海洋波浪頻率較低，振幅較高，所以仿真中給予動(dòng)子頻率1Hz、振幅30mm的正弦激勵(lì)源，即z=0.03sin(6.28t)m[13]。下面分析振動(dòng)發(fā)電機(jī)外殼材料、永磁體材料、永磁體尺寸以及動(dòng)子與定子間距對(duì)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響。

圖2 線圈尺寸

2.1 振動(dòng)發(fā)電機(jī)外殼的確定

對(duì)兩種外殼材料的振動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真，得到仿真電動(dòng)勢(shì)波形如圖4所示。計(jì)算得，當(dāng)外殼材料為非導(dǎo)磁材料時(shí)，振動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值為7.3476V，有效值為2.3325V；當(dāng)外殼材料為導(dǎo)磁材料時(shí)，振動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值為12.8019V，有效值為4.0739V。由此可得，導(dǎo)磁外殼比非導(dǎo)磁外殼的輸出電動(dòng)勢(shì)峰峰值提高了74%；有效值提高75%。所以本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)發(fā)電機(jī)選用導(dǎo)磁性良好的硅鋼材料，提高磁場(chǎng)利用率，獲得更大的輸出電動(dòng)勢(shì)。

2.2 永磁體材料的確定

永磁體是振動(dòng)發(fā)電機(jī)的重要組成部分，材料的選擇直接影響發(fā)電機(jī)的性能。針對(duì)鋁鎳鈷(Alnico)永磁體、釤鈷(Smco)永磁體和釹鐵硼(NdFeB)永磁體進(jìn)行了仿真，其輸出電壓波形分別如圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)所示。由圖5可知，三種波形規(guī)律一致，均類(lèi)似正弦波，計(jì)算得三種材料對(duì)應(yīng)輸出電動(dòng)勢(shì)峰峰值分別為3.0421V、11.6873V和12.8019V;有效值分別為0.9592V、3.7224V和4.0739V。由此可得，當(dāng)永磁材料為釹鐵硼材料時(shí)可得到更高的電壓峰峰值和有效值，所以本文選擇汝鐵硼材料作為振動(dòng)發(fā)電機(jī)的永磁體材料。

圖3 發(fā)電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)磁力線分布圖

圖5 不同永磁體材料下輸出電動(dòng)勢(shì)的波形

2.3 永磁鐵厚度的確定

在永磁體長(zhǎng)100mm、寬30mm、動(dòng)子和定子間距4mm的條件下，改變永磁體的厚度，分別對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真，得到不同厚度下的輸出電動(dòng)勢(shì)波形，計(jì)算對(duì)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰峰值和有效值。圖6統(tǒng)計(jì)了永磁體厚度在3～9mm下輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值與有效值。由圖6可以看出，輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值與有效值隨著永磁體厚度的增加而增大，但是電動(dòng)勢(shì)在厚度為5～9mm之間的增長(zhǎng)速度小于在3～5mm之間的增長(zhǎng)速度。所以，在確定振動(dòng)發(fā)電機(jī)永磁體的厚度時(shí)，在樣機(jī)整體體積允許的情況下，應(yīng)盡可能增加永磁體的厚度。本文設(shè)計(jì)所選取永磁體的厚度為5mm。

圖6 永磁體厚度與輸出電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系

2.4 永磁體寬度的確定

在永磁體長(zhǎng)100mm、厚5mm、動(dòng)子和定子間距4mm的條件下，改變永磁體的寬度，分別對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真。圖7統(tǒng)計(jì)了永磁體寬度在15～50mm下輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值和有效值。由圖7可看出，寬度在15～26mm范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的

圖7 永磁體寬度與輸出電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系

峰峰值與有效值隨著永磁體寬度的增加而增大；在26～50mm范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值與有效值隨著永磁體寬度的增加而減小；當(dāng)永磁體寬度為26mm時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值與有效值達(dá)到最大。由此可得，對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度和厚度確定的永磁體，有一個(gè)最優(yōu)寬度對(duì)應(yīng)著最大的輸出電動(dòng)勢(shì)。所以，本文設(shè)計(jì)所選取永磁體的寬度為26mm。

2.5 永磁體與線圈間距的確定

在永磁體長(zhǎng)100mm、寬30mm、厚5mm的條件下，改變動(dòng)子與定子的距離，分別對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真。圖8統(tǒng)計(jì)了動(dòng)子與定子距離在1～7mm下輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值和有效值。由圖8可得，輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值和有效值隨著距離的增大而減小，并且隨著距離的增加，電動(dòng)勢(shì)減小的速率越來(lái)越小。所以，在確定振動(dòng)發(fā)電機(jī)動(dòng)子與定子距離時(shí)，在樣機(jī)整體體積允許的情況下，應(yīng)盡可能減小動(dòng)子與定子間的距離。本文設(shè)計(jì)所選取動(dòng)子與定子距離為4mm。

圖8 動(dòng)子和定子距離與輸出電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系

3 結(jié)構(gòu)的確定及其輸出特性

根據(jù)上述仿真，為使圖1結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)電機(jī)具有較高的輸出電動(dòng)勢(shì)，所設(shè)計(jì)振動(dòng)發(fā)電機(jī)的外殼選用硅鋼材料，永磁體選用釹鐵硼材料，永磁體尺寸確定為100mm×26mm×5mm，動(dòng)子與定子距離確定為4mm。樣機(jī)模型如圖9所示。

圖9 樣機(jī)模型

考察一個(gè)發(fā)電機(jī)的性能，一定要看其外特性，包括輸出電動(dòng)勢(shì)和輸出功率。輸出電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為式(2)，輸出功率可表達(dá)為

(3)

式中：E——振動(dòng)發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)；

R——外接負(fù)載；

r——發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻。

仿真得振動(dòng)發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)波形如圖10所示。計(jì)算得，輸出電動(dòng)勢(shì)的峰峰值為13.9739V，有效值為4.1908V。由式(3)得輸出功率與外接負(fù)載的關(guān)系如圖11所示。由圖11可看出，當(dāng)外接負(fù)載小于內(nèi)阻時(shí)，輸出功率隨外接負(fù)載增大而減?。划?dāng)外接負(fù)載大于內(nèi)阻時(shí)，輸出功率隨外接負(fù)載增大而減小。當(dāng)外接負(fù)載等于電機(jī)內(nèi)阻時(shí)，振動(dòng)發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)到最大，最大可輸出功率為0.2152W。

圖10 輸出電動(dòng)勢(shì)的仿真波形

圖11 輸出功率與外接負(fù)載的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是減小了動(dòng)子與定子之間的磁力，在相同外界振動(dòng)條件下，該發(fā)電機(jī)振幅更大，輸出電動(dòng)勢(shì)更高。利用有限元軟件仿真確定了發(fā)電機(jī)外殼的材料，永磁體的材料及尺寸。通過(guò)仿真證明：外殼采用導(dǎo)磁性能較好的硅鋼材料時(shí)，發(fā)電機(jī)能夠高效聚集磁場(chǎng)，減少了漏磁，提高了磁場(chǎng)的利用率；永磁體材料選用釹鐵硼材料時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)更高；隨著永磁體厚度的增加，動(dòng)子與定子間距的減小，輸出電動(dòng)勢(shì)逐漸增大，但是受振動(dòng)發(fā)電機(jī)體積及重量的限制，要合理選取永磁體的厚度及動(dòng)子與定子的間距；隨著永磁體寬度的增加，輸出電動(dòng)勢(shì)增大到最大值，然后逐漸減小。

振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，確定外殼選用硅鋼材料，永磁體選用釹鐵硼材料，永磁體尺寸為100mm×26mm×5mm，動(dòng)子與定子距離為4mm。在振動(dòng)頻率為1Hz、振幅為30mm的正弦位移激勵(lì)下，發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)有效值為4.1908V，可輸出最大功率為0.2152W。該新型永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)可應(yīng)用在海洋振動(dòng)發(fā)電工程中，為海洋振動(dòng)發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步探索奠定了基礎(chǔ)。

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Design and Simulation of a New Type of Permanent Magnet Linear Vibration Generator*

ZOUZunqiang,WANGBowen,CUIXiaojing，GUANHongli

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology， Tianjin 300130, China)

A new type of permanent magnet linear vibration generator was designed,so the magnetic force between the mover and the stator was reduced. By using the finite element simulation software, the structure of the designed vibration generator was optimized. Simulation results proved that：the output voltage increased when the shell adopts the silicon steel material and the permanent magnet used the NdFeB material; with the increase of thickness of the permanent magnet and the decrease of the distance between the mover and stator, the output voltage increased gradually, and that during the increase of the width of the permanent magnet, the output voltage would have a maximum. Finally, the shell chosed silicon steel materials,the permanent magnet chosed NdFeB materials, the permanent magnet size was 100mm×26mm×5mm, and the distance between the mover and stator was 4mm. When the vibration frequency was 1Hz and the amplitude was 30mm, the effective value of output voltage was 4.1908V, and the maximum output power was 0.2152W.

permanent magnet linear vibration generator; finite element simulation; structure optimization

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51171057)；河北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃(LJRC003)

鄒尊強(qiáng)(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檎駝?dòng)發(fā)電技術(shù)。 王博文(1956—)，男，博士研究生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇判圆牧吓c智能器件。

TM 31

A

1673-6540(2016)11- 0074- 06

2016-06-12