新型永磁式振动发电装置的分析与设计

徐冉

摘 要：本文分析了国内外永磁振动发电的研究现状，并基于一般振动发电装置的基本原理和永磁材料的选择分析，建立了一个新型的永磁振动发电模型。该装置与传统的振动发电装置相比具有损耗小，使用寿命长，发电效率高的优点。

关键词：振动发电 永磁 材料选择 物理模型

中图分类号：TM619 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）05-0-01

电能在人类生活中是必不可缺的。由于自然资源的不断枯竭，可再生的能源发電装置已成为国内外学者研究的对象。其中，振动发电技术因为无污染，应用范围广的特点备受人们关注。振动发电根据产生方式可以分为四类：永磁振动、压电振动、磁致伸缩振动和静电振动。压电振动的能量转换效率低，输出功率很小，且制作工艺较为复杂，局限性较大。磁致伸缩振动需要外界的压应力，静电振动需要进行初始状态的充电，所以这两种方式都需要一定的初始条件。而永磁振动具有成本低，制作简单，应用范围广的特点。

一、国内外研究

早在1996年，英国谢菲尔德大学的Yates和利兹大学的William就对动铁型振动发电装置进行了研究。他们制作了一个尺寸约为5×5×1mm的微型发电样机，该装置在嵌入振动介质时通过机械能发电。2003年，Glynne-Jones等制作了一种动圈式振动发电装置，他们将磁铁放置于固定端，膜片线圈放置于悬臂梁非固定端。发生振动时，微小的振动被悬臂梁非固定端放大，进而引起膜片线圈的振动。同年，国内重庆大学温中泉提出了利用微电子等技术制作发电机[1]，他将螺旋弹簧、永磁铁与感应线圈组合，构成了微型永磁式振动能量发电的模型。2005年，Lawrence等人设计了一种基于永磁发电收集人体振动能量的装置，科研人员将这个装置安放在背包里，当人们背着这款背包走路或者慢跑时，背包可以将产生的振动能量收集并产生电能。

二、新型永磁振动发电装置

1.永磁式振动发电基本原理

永磁振动发电装置的一般原理是电磁感应定律。产生感应电动势的必要条件是磁通量的变化。感应电动势的表达式为：

其中，E代表感应电动势，N代表回路的线圈匝数，Φ表示每匝线圈的磁通量。

磁通量变化的主要原因如下： （1）磁感应强度B 随时间的变化；（2）导体回路与磁媒质发生相对位移。前者产生的电动势称为感生电动势，用Ei 表示；后者产生的电动势为动生电动势，用 Ev表示。感生电动势表达式为：

2.永磁材料的选择

2.1永磁材料的主要性能

评价永磁材料的性能主要有以下几个指标：剩磁感应强度Br、矫顽力Hc、最大磁能积BHmax、温度系数α和稳定性等。其中，剩磁感应强度表示永磁材料在外界磁场中被磁化直到饱和，将外界磁场减小到零后永磁材料的磁感应强度值。磁感应强度值越大，效率越高。矫顽力表示永磁材料在饱和磁化后，当剩磁感应强度退回为零时所需的反向磁场强度。矫顽力值越大，抗退磁能力越强。最大磁能积指永磁材料向外界提供磁场能量的最大值。最大磁能积越大，表示在相同的材料使用量下能提供更多磁能。温度系数表示温度每变化1℃时永磁材料的磁性能发生可逆变化的百分率。稳定性通常用永磁材料的磁性能随环境的变化率来表示。

2.2永磁材料的主要类别

生产中使用的永磁材料有金属永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料三种。金属永磁材料的特点是温度系数较小，剩磁感应强度比较高，但矫顽力较低。铁氧体永磁材料的优点是矫顽力较大，价格便宜，制工简单。但铁氧体永磁的最大磁能积较小，剩磁密度不高。目前的稀土永磁材料可分为稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。稀土钴永磁材料的矫顽力、剩磁感应强度及最大磁能积都很高，但目前价格比较昂贵。而钕铁硼永磁材料的磁性能优于稀土钴永磁材料，且价格低廉。

3.新型永磁振动发电的物理模型

该装置的剖面图如下，主要部件有6个：环形永磁体、软磁极片、圆柱形筒、空心轴、铁芯和线圈。永磁弹簧由四个环形永磁体和圆柱形筒组成。两个永磁体固定在圆柱形筒两端，中间两个永磁体由软磁极片隔开。四个永磁体沿圆柱形筒内壁依次分布，中间的两个永磁体受到磁力作用而保持平衡。圆柱形筒的外侧缠绕线圈，空心轴分布在圆柱形筒的中央，空心轴内放置铁芯。为了不妨碍永磁体与感应线圈之间的相对运动，空心轴、圆柱形筒均由非导磁材料制作。外界发生振动时，受圆柱形筒两侧永磁体的斥力和自身重力，中间的两个永磁体开始上下运动，从而使外侧线圈的磁通量发生改变。

4.合理性分析

传统的机械弹簧在装置振动过程中会产生摩擦，不仅会减小感应电动势，还会减小装置的寿命。而本装置中的永磁弹簧具有弹性好、 摩擦小的特点，是机械弹簧很好的替代品。其次，相比于只在圆柱形筒一端固定永磁体，该装置在两端都放置了永磁体，这样可以增大永磁弹簧工作后的恢复力，避免中间的永磁体错位。此外，中间可移动的永磁体用两个永磁体联结，而非一个大的永磁体，这样可以使线圈中磁感应强度的最大值大幅提高。

参考文献

[1]温中泉，微型振动式发电机的基础理论及关键技术研究，重庆大学，2013.