呂慶榮，林 航，吳 驍，徐致遠(yuǎn)，吳文韜，董 揚，馮雙久

(安徽大學(xué) 1.物理與光電工程學(xué)院 2.數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院 3.文典學(xué)院 4.材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230061)

振動能量在自然界中廣泛存在，振動發(fā)電機(jī)能將外部的振動能量轉(zhuǎn)換成電能，振動發(fā)電機(jī)可分為電磁式、靜電式、壓電式等類型[1,2]。其中電磁式發(fā)電機(jī)具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能高效的特點[3]。根據(jù)振動部件的不同，電磁式振動發(fā)電機(jī)可以分為動鐵、動圈和鐵圈共振三種類型[4]。采用動圈式，線圈與彈簧固定在一起，在外界振動源的作用下，線圈相對磁體運動，穿過線圈中的磁通量變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。大多電磁式振動發(fā)電機(jī)都是單一永磁體作為磁場源，磁感線分散，漏磁通大，本文在永磁體下吸合一塊高磁導(dǎo)率的圓臺狀軟磁體，引導(dǎo)磁感線集中穿過軟磁體，減小漏磁通，增強(qiáng)磁感梯度，產(chǎn)生更大的感應(yīng)電動勢。用CAD軟件設(shè)計出裝置框架各部分零件圖，以椴木板為原材料，用激光切割加工出各零部件，最后裝配完成振動發(fā)電機(jī)。改變外部振動源的頻率和振幅，測量該振動發(fā)電機(jī)的輸出電動勢。在測量范圍內(nèi)，輸出電動勢有效值均超過0.90 V，在頻率f=5 Hz，振幅A=0.42 cm時輸出電動勢有效值最大，達(dá)到1.72 V，可以驅(qū)動一些小功率電器，具有一定的實際應(yīng)用價值。

1 實驗原理

由法拉第電磁感應(yīng)定律，穿過閉合回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，

(1)

圖1 振動發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

(2)

(3)

由(3)式可知，提高軸向的磁感梯度?B/?z和徑向磁感強(qiáng)度Br可以增大感應(yīng)電動勢。

2 設(shè)計及制作

2.1 永磁圓環(huán)的選擇

NdFeB永磁材料具有非常高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力Hc和最大磁能積(BH)max，為當(dāng)前磁性最強(qiáng)的永磁材料，是作為磁場源的最佳選擇[6]。常用的有長方形、圓柱形和圓環(huán)形等對稱性高的永磁體。采用實驗室現(xiàn)有的三塊吸合在一起的圓環(huán)狀NdFeB永磁，其磁性能為BR=1.3 T，Hc=8.4×105A/m，(BH)max=326 kJ/m3，尺寸為：總高度18 mm，內(nèi)徑3.5 mm，外徑12.5 mm。

2.2 圓臺狀軟磁體設(shè)計

2.3 振動發(fā)電機(jī)的設(shè)計及制作

用CAD軟件設(shè)計出裝置框架的各部分零件圖，以椴木板為原材料，用激光切割加工出各零部件，組裝成振動發(fā)電機(jī)的木制框架，將線圈和磁體分別固定在設(shè)計加工好的木板平臺上。將四根同樣的彈簧分別固定在框架底部木板上，四個固定點形成正方形。為了獲得足夠大的振幅，本設(shè)計實驗采用了勁度系數(shù)較小的彈簧。磁體質(zhì)量大于線圈，所以選用質(zhì)量輕的線圈與彈簧固定，這樣既可以保證彈簧有足夠大的振幅，也不會使彈簧超過彈性限度。彈簧與線圈相連接并且處于裝置下方，磁體固定在裝置上方。為了防止線圈在振動時左右晃動，平臺的四個角落設(shè)計四個立柱，并與線圈所在的平臺保留了一定的距離，這樣既可以保證線圈和彈簧僅做上下振動，也能保證線圈平臺與立柱之間不會產(chǎn)生太大的摩擦力。在立柱上設(shè)置多個插銷口，這些插銷可以用來固定磁體，同時方便調(diào)整磁體的高度.具體的制作流程及振動發(fā)電機(jī)實物如圖2所示。

圖2 振動發(fā)電機(jī)制作流程及實物圖

3 實驗結(jié)果及分析

利用SZ/ZD-LD型垂直空間振動變頻振動臺作為外部激勵源，改變振動源的頻率f和振幅A，用MDO-2102EG型示波器測量感應(yīng)電動勢。

表1為不同振動源頻率及振幅下測量得到的輸出電動勢有效值。振動頻率較低時，較大振幅振動不穩(wěn)定，所以表中低頻高振幅測量數(shù)據(jù)空缺；在測量范圍內(nèi)，輸出電動勢有效值均超過0.90 V；在頻率f=5 Hz，振幅A=0.42 cm時輸出電動勢有效值最大，達(dá)到1.72 V，可以驅(qū)動一些小功率電器。根據(jù)表1數(shù)據(jù)用Origin軟件作圖，得到圖3。

表1 不同振動源頻率及振幅下的輸出電動勢有效值U(V)

A/cm

可見，當(dāng)頻率f在4 Hz以下，輸出電動勢有效值較低，隨頻率增加，輸出電動勢在波動中緩慢增加，f=4.5 Hz時明顯增大；f=5 Hz輸出電動勢陡增，在測量振幅范圍內(nèi)，該頻率下的輸出電動勢有效值均超過1.50 V，高于其它頻率在相同振幅下的測量值；之后，隨著頻率增加，輸出電動勢逐漸走低。根據(jù)彈簧的彈性系數(shù)和彈簧上承載負(fù)荷的質(zhì)量可求出彈簧與線圈組成的振動系統(tǒng)的固有頻率約為5.2 Hz，當(dāng)外界激勵源振動頻率與系統(tǒng)的固有振動頻率相同時，會產(chǎn)生共振，處于共振狀態(tài)下系統(tǒng)有最大的能量輸出[8]，從而產(chǎn)生更大的感應(yīng)電動勢。

輸出電動勢隨振幅變化規(guī)律比較復(fù)雜，當(dāng)頻率f在4 Hz以下，輸出電動勢較小，隨振幅變化而波動；在f=4.5 Hz以上，隨振幅增加，輸出電動勢呈先升后降趨勢，最大值出現(xiàn)在振幅為0.4～0.5 cm之間，到A=0.6 cm 后趨于平緩。振幅A變化時，線圈與永磁體的相對位置變化，線圈所在位置處的軸向磁感梯度及徑向磁感強(qiáng)度也隨之變化。根據(jù)公式(3)，這些都會引起感應(yīng)電動勢變化，總體表現(xiàn)為：隨振幅增加，輸出電動勢在到達(dá)最大值后降低并趨于平穩(wěn)。

4 結(jié) 語

本文采用組合磁體作為磁場源，在永磁體下吸合一塊高磁導(dǎo)率的圓臺狀軟磁體，引導(dǎo)磁感線集中穿過軟磁體，減小漏磁通，增加軸向磁感梯度和徑向磁感強(qiáng)度，以產(chǎn)生更大的感應(yīng)電動勢。用CAD軟件設(shè)計出裝置框架各部分零件圖，以椴木板為原材料，用激光切割加工出各零部件，最后裝配成振動發(fā)電機(jī)樣機(jī)。用示波器測試了該裝置的輸出電動勢隨外部振動源振幅和頻率變化規(guī)律。在測量范圍內(nèi)，輸出電動勢有效值均超過0.90 V，在頻率f=5 Hz，振幅A=0.42 cm時輸出電動勢有效值最大，達(dá)到1.72 V。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可用于一定場景的簡易發(fā)電以及電磁學(xué)、振動學(xué)知識的教學(xué)場景。