李恒，王博文，王志華，張梅

（河北工業(yè)大學(xué)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）

分塊式永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及輸出電壓

李恒，王博文，王志華，張梅

（河北工業(yè)大學(xué)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)了分塊式永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，分析了永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及不同條件下的輸出電壓，運(yùn)用有限元方法計(jì)算了發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)與輸出電壓，提出了設(shè)計(jì)分塊式永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的條件．制作了分塊式徑向充磁的永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，對(duì)永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，理論和實(shí)驗(yàn)表明，振動(dòng)發(fā)電裝置在振幅為50mm振動(dòng)周期為2 s的正弦振動(dòng)時(shí)，輸出開路電壓峰值為3.6 V；有效值為2.24 V．研究對(duì)于研制分塊式永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)具有重要指導(dǎo)作用．

振動(dòng)發(fā)電；分塊式；永磁體；徑向充磁

隨著化石燃料的日益枯竭及環(huán)境的惡化，如何更好地尋找新能源已成為研究者十分關(guān)心的課題．機(jī)械振動(dòng)能是環(huán)境中最為廣泛的能源之一，而且是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)都致力于振動(dòng)能量的采集和利用．目前，從便攜式發(fā)電裝置，到海洋波力發(fā)電，以及直接應(yīng)用于汽車減震器，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛．郭亮等人設(shè)計(jì)的永磁體外置式振動(dòng)發(fā)電機(jī)，在振動(dòng)速度為1 m s-1時(shí)，輸出最大電壓幅值為10.1V[1]，文獻(xiàn)[2]研究了振動(dòng)發(fā)電裝置的特性，在振動(dòng)頻率為20Hz，振幅為5mm，開路電壓有效值為5.1V．本文針對(duì)低頻海洋波力發(fā)電技術(shù)，研究了分塊式徑向充磁的永磁體環(huán)的磁場(chǎng)分布，確定了2種運(yùn)動(dòng)條件下的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，制作了樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．

圖1 永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Thebasic structure of the device

1 發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的分塊式永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示．其中：線圈骨架dc=3mm，支架與盒子外徑氣隙間隔dg=1mm，故永磁體與線圈之間距離為7mm，單個(gè)永磁體塊內(nèi)環(huán)半徑40mm，高度50mm，充磁方向如圖2所示．

每組線圈截面積為40mm×1mm，共200匝，分2層繞制，線圈中心對(duì)應(yīng)永磁體上表面（上下表面處的線圈關(guān)于XY平面完全對(duì)稱）．

圖2 永磁體的充磁方向Fig.2 M agnetizing direction of thepermanentmagnet

2 發(fā)電機(jī)工作原理

永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)工作時(shí)，永磁體為動(dòng)子，線圈為定子，動(dòng)子上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，磁感線切割定子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可由法拉第電磁感應(yīng)定律描述

3 磁場(chǎng)與輸出電動(dòng)勢(shì)分析

如果永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)行程為Z=50～50mm，當(dāng)發(fā)電機(jī)動(dòng)子在此行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算得到的線圈中心（即Z=25mm）處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br及d Bz/d z隨動(dòng)子在一個(gè)運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律如圖3和圖4所示．

由圖3可知，上部線圈在10～40mm區(qū)間時(shí)Br保持較大值，且在Z=25mm處達(dá)到最大值，為0.335T．由圖4中d Bzd h的變化可知，當(dāng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)在線圈中心上下約15～45mm區(qū)間時(shí)，保持較大值，且在Z=25mm左右達(dá)到最大值13 T/mm．由式(2)可知，要提高發(fā)電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)的峰值，應(yīng)使Br和d Bzd h較大，并盡可能提高速度v．

圖3 線圈中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度隨動(dòng)子的變化Fig.3 Variation of Brwith the rotor in the coil center

圖4 線圈中心處d Bz/d z隨動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.4 M otion of d Bz/d z with the rotor in the coil center

考慮低頻海洋波力發(fā)電的實(shí)際，使永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)動(dòng)子在振幅為50mm、周期為2 s的條件下進(jìn)行正弦振動(dòng)，即振動(dòng)位移為Z=0.05sint m，振動(dòng)速度為v=0.157cost m/s（如圖5），得出上部線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖6所示．

當(dāng)t=0.167 s時(shí)，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)至Z=25mm處，由圖5知，此時(shí)速度v=0.136m s1．由圖3和圖4可得出Br為0.25 T，d Bz/d z為8 T/mm，對(duì)應(yīng)電壓峰值為3.6 V．當(dāng)t=0.5 s時(shí)，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)至Z=50mm處，對(duì)應(yīng)速度v=0，此時(shí)Br及d Bz/d z較小，均接近0，電壓為0．當(dāng)t=0.833 s時(shí)Z=25mm，對(duì)應(yīng)的速度v=

0.136 m s1，電壓達(dá)峰值3.6V．當(dāng)t=1.167 s時(shí)，動(dòng)子位于Z=25mm處，雖然速度為v=0.136 m s1，但上部線圈中心處的Br僅為0.15 T，d Bz/d z為6 T/mm，所以電壓峰值僅為0.9 V．同樣，t=1.5 s時(shí)，速度為0，電壓為0，t=1.833 s時(shí)，速度為v=0.136 m s1，電壓峰值0.9V．一周期內(nèi)的電壓峰值為3.6 V有效值為2.24V．

圖5 動(dòng)子的正弦振動(dòng)速度Fig.5 The rotor speed w ith Sinusoidal vibration

圖6 上部線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.6 The induced EMFof theupper coil

如果低頻振動(dòng)波形可近似為三角波，同樣位移為50～50mm，振動(dòng)周期為2 s，則在半個(gè)周期內(nèi)速度大小v=0.1m s1，振動(dòng)位移及對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系描述為如圖7所示．

發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)于XY平面對(duì)稱，故在此可只分析在0～1 s這半周期內(nèi)動(dòng)子從50～50 mm運(yùn)動(dòng)的過程，其余過程輸出電動(dòng)勢(shì)幅值及波形均相似．

對(duì)此種結(jié)構(gòu)施加位移為Z=50～50mm，速度v=0.1m s1的振動(dòng)條件，上部線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖8所示．

半個(gè)周期內(nèi)，速度恒定為0.1m s1，當(dāng)t=0.25 s時(shí)，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)至Z=25mm處，電壓峰值達(dá)到極值，但上部線圈中心處的Br和d Bz/d z都較小，所以上部線圈電壓峰值僅為0.6V，當(dāng)t=0.75 s時(shí)，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)至Z =25mm處，此時(shí)Br及d Bz/d z都最大，電壓達(dá)到最值2.6V．電壓有效值為1.53V．

圖6和圖8可看出，在位移相同，頻率相同時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度為勻速時(shí)，一周期內(nèi)電壓有效值為1.53 V，而運(yùn)動(dòng)速度按正弦變化時(shí)一周期內(nèi)電壓的有效值為2.24V，比勻速時(shí)提高了46%．

圖7 振動(dòng)速度隨時(shí)間的變化Fig.7 The variation of vibration speed w ith time

圖8 上部線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.8 The induced EMFof theupper coil

圖9 發(fā)電機(jī)裝置實(shí)物圖Fig.9 The deviceentity

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖10 上部線圈的實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 ExperimentalEMF of theupper coil

在理論分析基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真結(jié)果制作了分塊式永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)，如圖9所示．線圈骨架內(nèi)徑比不銹鋼外徑多2mm，線圈分雙層繞制．在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定振動(dòng)臺(tái)的振幅和振動(dòng)周期，由雙通道彩色數(shù)字示波器進(jìn)行電壓的測(cè)量，經(jīng)在振幅為50mm，周期為2 s的正弦振動(dòng)條件下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到上部線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖10所示．

從圖10可知，相同振動(dòng)條件下仿真波形和實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形基本相同，周期均為2 s，一周期內(nèi)電壓峰值均為±3.6 V，且均有一個(gè)小尖峰波，從而驗(yàn)證了理論和仿真的正確性．

5 結(jié)論

對(duì)分塊式永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與輸出電壓進(jìn)行了分析，得出正弦運(yùn)動(dòng)和三角波運(yùn)動(dòng)下的電壓波形．提出在設(shè)計(jì)分塊式永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的條件：

1）上部線圈應(yīng)繞在Z=10～40mm區(qū)間；

2）永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)子應(yīng)運(yùn)動(dòng)在線圈中心上下約15～45mm區(qū)間；

3）動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)按正弦規(guī)律變化．

制作了分塊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，理論和實(shí)驗(yàn)表明，振動(dòng)發(fā)電裝置在振幅為50mm，振動(dòng)周期為2 s的正弦振動(dòng)時(shí)，輸出開路電壓峰值為3.6V；有效值為2.24V．

[1]郭亮，盧琴芬，葉云岳．新型永磁體外置式直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)性能研究[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，9（41）：1604-1608．

[2]楊曉光，汪友華，張波．一種新型振動(dòng)發(fā)電裝置及其建模與實(shí)驗(yàn)研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（1）：113-118．

[3]張弘紹，海洋波浪發(fā)電系統(tǒng)振蕩浮子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究[D]．北京：清華大學(xué)，2010．

[4]Wang Jiabin，Wang Weiya，Atallah Kais．A linear permanent-magnetmotor for active vehicle Suspension[J]．IEEE Transactions On Vehicular Technology，2011，60（1）：55-62．

[5]BartL JGysen，Johannes J HPaulides，Jeroen LG Janssen．Activeelectromagnetic suspension system for improved vehicledynamics[J]．IEEE TransactionsOn Vehicular Technology，2010，59（3）：1156-1163．

[6]Wang Zhihua，Wang Bowen，WangM inwei．Modeland experimentalstudy of permanentm agnetvibration-to-electricalpowergenerator[J]．IEEE TransactionsOn AppliedSuperconductivity，2010，20（3）：1110-1113．

[7]Qazalbash A A，Sharkh SM．Rotor eddy currentpower loss in permanentmagnet synchronousgenerators feeding uncontrolled rectifier loads[J]．IEEE Transactions on M agnetics，2014，50（6）：333-335．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

Structureand outputvoltage of the vibration generatorw ith the block typeof permanentmagnets

LIHeng，WANG Bowen，WANG Zhihua，ZHANGMei

(Province-M inistry JointKey Laboratory of Electromagnetic Field and ElectricalApparatusReliability,HebeiUniversity of Technology, Tianjin 300130,China)

A block typeradialmagnetized permanentmagnetvibrationgenerator isproposed according to the vibration power. The3Dmagnetic fielddistribution of thegenerator,themagnetic induction lineand thewaveof theoutputvoltagearesimulated by finite elementanalysis.Finally,the permanentmagnet vibration generatorw asmanufactured by our group so as to carry out the experimental study.The theoreticaland experimental results show that the am plitude of the voltage is 3.6 V and the effectivevalue of the voltage is2.236 9 V w ith thevibration frequency of0.5 Hzand theam p litude of 50mm.

vibration generator；block type；permanentmagnet；radialmagnetization

TP391.41

A

1007-2373(2015)02-0001-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.001

2014-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（51171057，51107030）

李恒（1992-），男（漢族），碩士生．通訊作者：王博文（1956-），男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師．

數(shù)字出版日期：2015-04-16數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150416.0958.004.htm l