新型球形振动发电机的设计

郑福禄， 崔素文， 陈东猛， 刘超卓

(1.中国石油大学(华东)理学院，山东青岛266580;2.滨州学院化学与化工系，山东滨州256603)

0 引言

随着社会的全面发展，特别是工业及交通业的迅猛发展，振动这一现象变得越来越普遍。振动作为一种机械运动蕴含着一定的能量，然而目前振动机械能的利用率相对较低，通常被忽略，或被机械减震器和其他设备吸收［1］，造成能量的大量流失，如果将自然界中的振动机械能贮存起来，那将是一个相当可观的数字。

鉴于振动机械能难以直接利用，可先将其转化为电能，然后再进行使用。将振动机械能转化成为电能的设备就叫做振动发电机。振动能量广泛存在于汽车上，如:汽车悬架的振动，活塞往复运动以及废气排放噪声引起的振动等，这些振动机械能都可以作为振动发电机的能量来源［2］。作为一种典型的能量采集技术，永磁振动发电机利用电磁感应原理可以把自然界中存在的大量机械振动能转换为电能，受到越来越多的重视［3］。近年来，国内外的多所大学和机构都在从事这方面的研究工作［4-15］。

本文设计了一种新型球形振动发电机，利用自然界中广泛存在的振动现象，使线圈在磁场中运动，切割磁感线，将振动机械能转化成易被利用的电能。

1 理论依据

法拉第电磁感应定律是该新型球形振动发电机设计方法的理论来源。导体在磁场中做切割磁感线的运动时会产生感应电动势，若导体可组成闭合回路，则会产生感应电流。感应电动势E的计算公式为

式中:B为磁场强度;l为切割磁感线的导体有效长度;v是导体垂直于有效长度方向的速度分量。

振动产生时，球形振动发电机的线圈在磁场中做切割磁感线的运动，根据法拉第电磁感应定律，产生感应电动势，实现振动机械能向电能的转化。

2 结构设计方案

该新型球形振动发电机的纵剖结构如图1所示，整体上由定子和振子两部分构成。发电机的底座、储能箱、外壳、外置磁体和限制缸组成定子部分;线圈、内置球壳、滑竿、滑竿套筒、轻质弹簧、内置磁体和固定杆组成振子部分。

图1 球形振动发电机纵剖图

2.1 定子部分

定子部分起到固定、连接、支撑的作用。

底座呈圆盘状，位于整个发电机的最底端，均匀分布有4个固定螺孔，固定螺栓可穿过固定螺孔将底座与振动源连结，发电机整体固定在振动源上。

储能箱位于球壳与底座中间，呈圆盘状，主体为蓄电池，还包括整流器、逆变器等部件。发电机所产生的电能经过整流器之后储存在蓄电池中，蓄电池通过逆变器将直流电转化成交流电，再通过2个电极为负载供电。

外壳固定于储能箱之上，外置磁体附着在外壳内侧，与内置磁体配合产生近似球形的磁场。外置磁体由两块完全相同的半球壳状永磁体组合而成，内侧磁极相同，结合处留有一定空隙;内置磁体由两块完全相同的半球形永磁体构成，曲面侧在外，磁极与外置磁体的内测磁极相反，这样便可在内置磁体与外置磁体之间形成磁场。磁场或沿球体径向向外发散或沿相反方向向内汇聚，形状近似为球形。

在磁体的上下、左右、前后6个顶端位置分布6个限制缸，用于限定滑竿套筒末端的运动范围。

2.2 振子部分

振子部分在振动产生时在球形磁场中振动，是振动发电机的重要组成部分。

振子部分的6个滑竿套筒各由套筒和金属杆两部分构成，金属杆在外侧，其末端处于磁铁与内置球壳所夹区域，可在定子部分的限制缸内运动;内侧为套筒，处在内置球壳内部，套筒一端封闭，与金属杆焊接在一起，另一端半封闭。

滑竿的末端焊接有挡片，处在套筒内，挡片直径略小于套筒内径且大于套筒半封闭端开口直径，滑竿与套筒半封闭端套有一轻质弹簧，这样滑竿可依靠轻质弹簧在套筒内滑动。3条滑竿通过两条固定杆与内置球壳固定在一起，固定杆与滑竿相交于内置球壳球心位置。

线圈是振子部分的主要组成部分，它由3组不同方向的线圈构成，分别是纵向线圈、横向线圈和平向线圈，每组线圈都成半圆形，3组线圈分3层依次附着在内置球壳外部;每个半圆形线圈的两端都接在一接线点上，通过导线与储能箱内的整流器相连接，进而与蓄电池相连接，将产生的电能输送到蓄电池中贮存起来。

3 发电方法

新型球形振动发电机工作时需利用螺栓穿过底座上的4个固定螺孔将其与振动源固定在一起，当振动产生时，振动发电机定子部分随振动源一起运动，定子部分的运动通过滑竿套筒和轻质弹簧传递到振子部分。

球形振动发电机工作过程中振子部分的运动简图如图2所示。以竖直方向上的运动为例，图中a状态为振动发生前的平衡状态，此时由于重力作用，上下2个轻质弹簧都有一定程度的形变。若此时振动发生，并首先向上运动，则下部滑竿套筒会减速向上运动，下部轻质弹簧及其以上部分将加速向上运动，由于惯性，开始时该部分的速度小于下部滑竿套筒的速度;下部轻质弹簧被压缩，当两者速度相等时，下部弹簧被压缩的程度最大，即达到b状态，此过程中，振子部分与定子部分产生较大的相对位移。下部滑竿套筒继续减速，其上部分继续加速，达到振动的最高点，下部滑竿套筒的速度减为零，即c状态。定子部分继而向下运动，同样因为惯性，振子部分继续向上做减速运动，上部轻质弹簧被压缩，向上速度减小为零时达到d状态。振子部分转而加速向下运动，到达平衡状态e，然后减速向下运动，下部轻质弹簧再次被压缩，速度减小到零时达到状态f。定子部分再次向上运动，达到平衡状态a，完成一个周期的振动，如此循环往复。

图2 球形振动发电机工作过程中振子部分运动简图

但是，由于轻质弹簧的存在，振子部分的运动滞后于定子部分，在一个振动周期中，两者之间多次产生相对运动，此时振子部分附着在内置球壳外部的3层半圆形线圈与由磁场发生相对运动。根据法拉第电磁感应定律，产生感应电动势，半圆形线圈两端的接线点通过整流器与蓄电池的输入端相连接，将产生的电能储存在蓄电池中。至此，完成振动机械能向电能的转化。蓄电池的输出端可与外电路相连，为外部负载供电。

4 设计特点

根据振动方向不确定的特点，突破了传统直线式发电机圆柱形磁场的设计理念，利用内外置磁体产生近似球形的磁场，提高振动和空间的利用率。

内置球壳内部滑竿、滑竿套筒与轻质弹簧结构将振子部分与定子部分连接在一起，利用振动使线圈与磁场产生相对运动，同时，外置磁体内部附着6个均分布的限制缸，滑竿套筒的金属杆末端可在整个限制缸限定的范围内运动，拓宽了振子部分运动方向的范围，也是对振动的一种充分利用。

内置球壳外部附着着3层不同绕向的半圆形线圈，以实现振子部分在较广方向范围内运动都能切割磁感线的目标。

以上所述为该永磁体外置式球形振动发电机设计方案的主要特点，这些设计特点都直接或间接地提高了该振动发电机的发电效率。

5 结语

本文提出了一种新型球形振动发电机的设计理念及其发电方法，该振动发电机将法拉第电磁感应定律作为设计的理论依据，当振动产生时，附着有3层半圆形线圈的振子部分在由内外置磁体产生的近似球形磁场中做切割磁感线的运动，线圈通过导线与整流器和蓄电池相连接，将由振动机械能转化而成的电能储存在蓄电池中。

振动发电机［16］的设计方案已申请专利，实用新型专利已获授权，发明专利已进入实质审查阶段，发展前景广阔。

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