分块式永磁振动发电机的结构及输出电压

李恒，王博文，王志华，张梅

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

分块式永磁振动发电机的结构及输出电压

李恒，王博文，王志华，张梅

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

设计了分块式永磁振动发电机，分析了永磁振动发电机的结构及不同条件下的输出电压，运用有限元方法计算了发电机的磁场与输出电压，提出了设计分块式永磁振动发电机的条件．制作了分块式径向充磁的永磁振动发电机，对永磁振动发电机进行了实验研究，理论和实验表明，振动发电装置在振幅为50mm振动周期为2 s的正弦振动时，输出开路电压峰值为3.6 V；有效值为2.24 V．研究对于研制分块式永磁振动发电机具有重要指导作用．

振动发电；分块式；永磁体；径向充磁

随着化石燃料的日益枯竭及环境的恶化，如何更好地寻找新能源已成为研究者十分关心的课题．机械振动能是环境中最为广泛的能源之一，而且是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，国内外许多机构都致力于振动能量的采集和利用．目前，从便携式发电装置，到海洋波力发电，以及直接应用于汽车减震器，应用领域非常广泛．郭亮等人设计的永磁体外置式振动发电机，在振动速度为1 m s-1时，输出最大电压幅值为10.1V[1]，文献[2]研究了振动发电装置的特性，在振动频率为20Hz，振幅为5mm，开路电压有效值为5.1V．本文针对低频海洋波力发电技术，研究了分块式径向充磁的永磁体环的磁场分布，确定了2种运动条件下的输出感应电动势，制作了样机并进行了实验验证．

图1 永磁发电机的结构Fig.1 Thebasic structure of the device

1 发电机的基本结构

设计的分块式永磁振动发电机的结构如图1所示．其中：线圈骨架dc=3mm，支架与盒子外径气隙间隔dg=1mm，故永磁体与线圈之间距离为7mm，单个永磁体块内环半径40mm，高度50mm，充磁方向如图2所示．

每组线圈截面积为40mm×1mm，共200匝，分2层绕制，线圈中心对应永磁体上表面（上下表面处的线圈关于XY平面完全对称）．

图2 永磁体的充磁方向Fig.2 M agnetizing direction of thepermanentmagnet

2 发电机工作原理

永磁振动发电机工作时，永磁体为动子，线圈为定子，动子上下往复运动，磁感线切割定子线圈产生感应电动势，此感应电动势可由法拉第电磁感应定律描述

3 磁场与输出电动势分析

如果永磁振动发电机动子运动行程为Z=50～50mm，当发电机动子在此行程内运动时，计算得到的线圈中心（即Z=25mm）处的磁感应强度Br及d Bz/d z随动子在一个运动行程内的运动变化规律如图3和图4所示．

由图3可知，上部线圈在10～40mm区间时Br保持较大值，且在Z=25mm处达到最大值，为0.335T．由图4中d Bzd h的变化可知，当动子运动在线圈中心上下约15～45mm区间时，保持较大值，且在Z=25mm左右达到最大值13 T/mm．由式(2)可知，要提高发电机输出电动势的峰值，应使Br和d Bzd h较大，并尽可能提高速度v．

图3 线圈中心处磁感应强度随动子的变化Fig.3 Variation of Brwith the rotor in the coil center

图4 线圈中心处d Bz/d z随动子的运动规律Fig.4 M otion of d Bz/d z with the rotor in the coil center

考虑低频海洋波力发电的实际，使永磁振动发电机动子在振幅为50mm、周期为2 s的条件下进行正弦振动，即振动位移为Z=0.05sint m，振动速度为v=0.157cost m/s（如图5），得出上部线圈的感应电动势如图6所示．

当t=0.167 s时，动子运动至Z=25mm处，由图5知，此时速度v=0.136m s1．由图3和图4可得出Br为0.25 T，d Bz/d z为8 T/mm，对应电压峰值为3.6 V．当t=0.5 s时，动子运动至Z=50mm处，对应速度v=0，此时Br及d Bz/d z较小，均接近0，电压为0．当t=0.833 s时Z=25mm，对应的速度v=

0.136 m s1，电压达峰值3.6V．当t=1.167 s时，动子位于Z=25mm处，虽然速度为v=0.136 m s1，但上部线圈中心处的Br仅为0.15 T，d Bz/d z为6 T/mm，所以电压峰值仅为0.9 V．同样，t=1.5 s时，速度为0，电压为0，t=1.833 s时，速度为v=0.136 m s1，电压峰值0.9V．一周期内的电压峰值为3.6 V有效值为2.24V．

图5 动子的正弦振动速度Fig.5 The rotor speed w ith Sinusoidal vibration

图6 上部线圈的感应电动势Fig.6 The induced EMFof theupper coil

如果低频振动波形可近似为三角波，同样位移为50～50mm，振动周期为2 s，则在半个周期内速度大小v=0.1m s1，振动位移及对应的振动速度与时间的关系描述为如图7所示．

发电机结构关于XY平面对称，故在此可只分析在0～1 s这半周期内动子从50～50 mm运动的过程，其余过程输出电动势幅值及波形均相似．

对此种结构施加位移为Z=50～50mm，速度v=0.1m s1的振动条件，上部线圈的感应电动势如图8所示．

半个周期内，速度恒定为0.1m s1，当t=0.25 s时，动子运动至Z=25mm处，电压峰值达到极值，但上部线圈中心处的Br和d Bz/d z都较小，所以上部线圈电压峰值仅为0.6V，当t=0.75 s时，动子运动至Z =25mm处，此时Br及d Bz/d z都最大，电压达到最值2.6V．电压有效值为1.53V．

图6和图8可看出，在位移相同，频率相同时，当运动速度为匀速时，一周期内电压有效值为1.53 V，而运动速度按正弦变化时一周期内电压的有效值为2.24V，比匀速时提高了46%．

图7 振动速度随时间的变化Fig.7 The variation of vibration speed w ith time

图8 上部线圈感应电动势Fig.8 The induced EMFof theupper coil

图9 发电机装置实物图Fig.9 The deviceentity

4 实验结果及分析

图10 上部线圈的实验波形Fig.10 ExperimentalEMF of theupper coil

在理论分析基础上，根据仿真结果制作了分块式永磁振动发电机，如图9所示．线圈骨架内径比不锈钢外径多2mm，线圈分双层绕制．在实验中，设定振动台的振幅和振动周期，由双通道彩色数字示波器进行电压的测量，经在振幅为50mm，周期为2 s的正弦振动条件下对样机进行了实验验证，得到上部线圈的感应电动势波形如图10所示．

从图10可知，相同振动条件下仿真波形和实验结果波形基本相同，周期均为2 s，一周期内电压峰值均为±3.6 V，且均有一个小尖峰波，从而验证了理论和仿真的正确性．

5 结论

对分块式永磁振动发电机的结构与输出电压进行了分析，得出正弦运动和三角波运动下的电压波形．提出在设计分块式永磁振动发电机的条件：

1）上部线圈应绕在Z=10～40mm区间；

2）永磁振动发电机的动子应运动在线圈中心上下约15～45mm区间；

3）动子运动速度应按正弦规律变化．

制作了分块式振动发电机样机并进行了实验研究，理论和实验表明，振动发电装置在振幅为50mm，振动周期为2 s的正弦振动时，输出开路电压峰值为3.6V；有效值为2.24V．

[1]郭亮，卢琴芬，叶云岳．新型永磁体外置式直线振动发电机性能研究[J]．浙江大学学报，2007，9（41）：1604-1608．

[2]杨晓光，汪友华，张波．一种新型振动发电装置及其建模与实验研究[J]．电工技术学报，2013，28（1）：113-118．

[3]张弘绍，海洋波浪发电系统振荡浮子结构的优化研究[D]．北京：清华大学，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．

[责任编辑 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

国家自然科学基金（51171057，51107030）

李恒（1992-），男（汉族），硕士生．通讯作者：王博文（1956-），男（汉族），教授，博士生导师．

数字出版日期：2015-04-16数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150416.0958.004.htm l