无线控制开关自发电技术方案研究

2021-12-15田赡民张希伟王卓远

日用电器 2021年11期

田赡民张希伟王卓远

（1.宁波公牛电器有限公司宁波 315311；2.宁波工程学院电科系宁波 315211）

问题提出

目前市场上的无线控制开关的供电有电池（以下简称“有源”）和自发电（以下简称“无源”）两种方式，有源开关需要更换电池，且有电池腐蚀开关及废弃电池处理的环境污染问题，所以无源开关的市场份额日益扩大。由于受到产品体积及成本的限制，无源开关的发电量常常难以满足实际需要，为此需要在小体积低成本的条件下来研究无源开关的发电技术。

“无源开关”的核心部件为自发电模块，目前市场上应用的技术都有自己的专利，为了公司的长远发展，我们必须研究出具有独立自主知识产权的技术。

为此我们首先提出了项目的技术输入条件：

1）自发电模块的发电性能要求（接100 Ω电阻测试）：单次操作的发电量，最高电压值不小于6.5 V，在电压大于3 V时的持续时间不小于1.2 ms；

2）发电模块动作5万次之后的发电性能要保持在初始的发电量的90 %以上；

3）发电模块的使用寿命能达到10万次以上；

4）符合标准GB 16915.1、GB 16915.2、GB 16915.3；

5）满足市场上流行的3位“跷板开关”要求，争取满足4位要求。

由于市场上产品的大小是标准化的，特别是对于多位跷板开关的情况更是受安装尺寸限制，为了让技术有尽可能广的通用性，我们对此种有限安装尺寸的条件下开展了自发电技术方案的研究，以选择合理的技术方案。

1 方案研究

从磁路原理[1]及现有技术来看，核心部件发电模块的磁路主要部件为磁体[2,3]衔铁组件与线圈轭铁组件，为了论述的简化，以下只研究磁体衔铁组件与线圈轭铁组件，而省去其它次要部件的描述。为此选择三种典型方案分别予以论述：

1.1 方案一：X方向布置

如图1所示，磁体衔铁组件与线圈轭铁组件在X方向布置，为了更清楚地表达磁体衔铁组件的内部结构，图1（b）隐去了外壳，以下对磁路原理加以描述。

图1 方案一3D示意图

如图2所示，图2（a）为驱动臂处于上限位置的磁路示意图（不考虑漏磁），N-S分别表示磁体的南北极，磁力线从磁体的N极出来经过衔铁1进入轭铁右边通道，然后进入图2（c）所示的线圈，再进入轭铁左边通道，再从此进入图1（a）所示的衔铁2，再从衔铁2回到磁体的S极，这就形成了完整的主磁回路。

图2 方案一工作示意图

在图2（a）所示外力P的作用下，驱动臂由上限位置运动到下限位置，此时的磁路示意图如图2（b）所示，磁力线的走向分析方法与图2（a）的方法相同，只不过衔铁与轭铁的接触位置及气隙发生了转换，导致通过线圈内的磁力线方向反向。假设通过线圈一个方向的磁通量为1，则另一个方向的磁通量为-1，磁通量的变化量为1-（-1）=2，从而在线圈中产生双倍的感应电动势，为无线控制开关电路提供电源。此后，在图2（b）所示状态，再次受到反向外力的P的作用，则回到图2（a）状态，如此反复，不断地为控制电路提供电能。

此方案的磁体衔铁组件与线圈轭铁组件在X方向布置，与开关成品安装尺寸限制的方向相同，在X方向的尺寸较大，最多只适应二位跷板开关及门铃的情况，技术的通用性较差。

1.2 方案二：Z方向布置

如图3所示为衔铁、磁体与线圈轭铁组件在Z方向布置方案示意图，首先来了解一下磁路原理。如图3（a）所示衔铁与轭铁的气隙处于右边，主磁路位于左边，磁力线的走向如图3（a）所示，设其对应线圈1的磁通量为1，线圈2的磁通量为0；此时在右边施加外力P，衔铁将以转轴为中心发生转动，衔铁与轭铁在右边接触，相应的气隙变为0，同时在左边产生气隙，主磁路也随之转换至右边磁路，磁力线方向也随之改变，线圈2的磁通量为1，线圈1的磁通量为0，如图3（b）所示。此方案二个线圈的总磁通量变化量为2。此后，在图3（b）所示状态，左边受到外力的P的作用，则回到图3（a）状态，如此反复，不断地为控制电路提供电能。

图3 方案二工作示意图

优势：

1）由于衔铁、磁体与线圈轭铁组件在Z方向布置，结构紧凑，X方向尺寸小，设计可用于4位跷板开关。

2）二个线圈可以采用串联或并联方式连接以得到二倍单个线圈的感应电动势或感应电流，可以根据实际需要灵活处理。

3）衔铁的运动方式与跷板开关操作件（俗称跷板、按钮）相同，后续的产品结构开发将较简单。

劣势：

1）由于线圈是由贵重金属制造，方案采用了二个线圈，成本较高；

2）为了适应4位跷板开关的结构需要，压缩了模块X方向的尺寸，发电量能否满足要求需要验证。

由于在设计阶段难以确定磁路参数，磁路仿真也难以有效进行，于是我们采用先用样品进行初步验证，测得发电量指标见表1[4]。

表1 首样验证

针对试验结果我们进行了磁路结构参数优化，如磁体参数、衔铁轭铁材料选择、线圈线径及匝数、气隙大小等相关参数，并进行了磁路仿真，如图4（a）所示，图中四个黑圈代表积分面，两个发电线圈位于左右臂的两个黑圈之间，由于篇幅的限制，对仿真、优化过程不再进行论述。经过仿真优化后的结构参数再进行样品验证，如表2所示[4]。

图4 磁路仿真

表2 优化结果验证

从测试结果可以看出，参数优化后虽有改善，但仍不能满足要求，必须再优化方案。

于是，我们提出了在主磁体的下方再增加一个辅助磁体（磁体2），如图3 （c）所示。然后再进行磁路仿真，如图4 （b）所示，仿真结果磁感应强度可以提高5～10 %。于是再次进行样品验证，结果如表3所示[4]，指标全面达标。

表3 方案二最终测试结果

据上研究可知，虽然本方案发电指标全面达标，由于采用了双线圈双磁体，产品化的成本压力大，建议做为技术储备，需要继续研究低成本的技术方案。

1.3 方案三：Y方向布置

如图5所示，衔铁磁体组件与线圈轭铁组件在Y方向布置的3D示意图，其中衔铁磁体组件包括衔铁1、衔铁2、磁体、摆杆及盖板，驱动臂为与摆杆一体的一个功能结构，衔铁1、衔铁2及磁体一同装入摆杆中，再将盖板盖上，形成组件，为了清楚地表达衔铁及磁体的工作状态，图5（b）隐去了摆杆及盖板，同样首先来了解一下磁路原理。

图5 方案三3D示意图

如图6（a）所示，衔铁磁体组件处于上限位置，磁力线从磁体N极出来进入衔铁1，再进入轭铁1，沿着U形轭铁的形状进入线圈组件的内部，同步进入轭铁2插入线圈组件内部部分，再进入衔铁2，回到磁体S极，形成磁回路。

图3 方案二工作示意图

在图6（a）所示外力P的作用下，驱动臂驱动磁体衔铁组件摆动至下限位置，此时衔铁与轭铁的接触位置及气隙发生转换，如图6（b）所示，磁路分析方法与上限位置相同，不再重复，只不过通过线圈内部的磁力线方向相反，根据前述的假设，通过线圈的磁通量的变化量为1-（-1）=2，线圈中能产生较大的感应电动势及电流。此后，图6（b）所示状态在反向外力的P的作用下，系统回到图6（a）状态，如此反复，不断地为控制电路提供电能。

基于磁路优化的需要，我们采用了与方案二相同的方法，进行了磁路仿真研究，先进行样品验证，再开试验模验证。经过充分验证，各项技术指标全面达标。

与方案一、二相比，本方案具有以下优势：

1）X方向尺寸可较小符合三位跷板要求，技术通用性强；

2）单磁体、单线圈结构，结构简单成本低。

不过与方案二相比本方案不能用于4位跷板开关，因4位跷板开关的市场份额小，目前还没有应用这类技术的4位跷板开关，市场推广风险较大，且本技术用于4位跷板开关需4个发电模块，没有成本优势，综合考虑舍弃小份额市场是可以接受的。所以，我们采纳方案三进行后续的新产品开发。