磁軛永磁振動發(fā)電機的設計與實驗研究

李 恒, 高亞如

(國網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的3D微電磁能量采集器進行了研究[2]，結果表明，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，從而導致僅能輸出較小的能量。陶果等[5]設計了一種振動發(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)境下產生切實可行的為蓄電池或其他電子設備提供能量的能量轉換設備，本文基于法拉第電磁感應定律，研究了一種帶有磁軛結構的永磁振動發(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]。通過合理設計振動發(fā)電機的磁路結構，使得該振動發(fā)電機在平衡狀態(tài)下磁路閉合良好。在此基礎上，設計、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生直線相對運動時，繞組的磁感應強度B不斷改變，繞組不停地與磁媒質之間產生相對位移。根據(jù)法拉第電磁感應定律，振動發(fā)電機的感應電動勢可以表示[9]：

(1)

2 永磁振動發(fā)電機的設計

根據(jù)法拉第電磁感應定律，考慮發(fā)電機的磁鏈、位移變化率和內阻，針對低頻振動環(huán)境，設計一種新型磁軛結構的永磁振動發(fā)電機，其結構示意圖如圖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構，包括側板、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，轂內底部空心部分放置彈簧；轂頂部安裝與振動軸相同內徑的下直線軸承，振動軸的下部穿過下直線軸承在轂內與彈簧接觸；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生相對運動，使磁軛中產生相應的交變磁通，根據(jù)法拉第電磁感應定律，繞制在磁軛上的繞組線圈就會感應出交變的電動勢，從而實現(xiàn)振動機械能到電能的轉換[11]。

主體封閉結構的設計使發(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，經過拾振彈簧，使定子和動子之間產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定律，計算得到單根線圈的感應電動勢：

(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電動勢有效值

圖3 不同振幅下輸出感應電動勢有效值

仿真結果表明，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均為線性關系。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果，設計、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的正弦位移激勵運動z(t)=Zsin(2πft)，產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系。Z=2 mm，f=0～18 Hz時，輸出電壓有效值Ue與頻率f的關系如圖5所示。由圖5可知，Ue與f呈線性關系，其變化趨勢和數(shù)值均和仿真結果相同，驗證了理論和仿真結果的正確性。

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同樣呈線性關系。圖5、圖6的結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的電子設備，輸出功率可達到70 W。經電能處理電路，發(fā)電機產生的電能足夠應用在負載上，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 語

本文從法拉第電磁感應定律出發(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，設計了一臺有磁軛結構的用于低頻環(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系。結果表明，電壓有效值與振幅和頻率均在一定范圍內呈線性關系。

設計、制作了振動發(fā)電機樣機并結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系。實驗結果表明，發(fā)電機電壓有效值與振幅和頻率之間的關系在一定的范圍內均為線性關系，驗證了理論和仿真結果。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)電機能夠應用于現(xiàn)實生活中。