一种振动发电装置的设计制作

吕庆荣，林 航，吴 骁，徐致远，吴文韬，董 扬，冯双久

(安徽大学 1.物理与光电工程学院 2.数学科学学院 3.文典学院 4.材料科学与工程学院，安徽 合肥 230061)

振动能量在自然界中广泛存在，振动发电机能将外部的振动能量转换成电能，振动发电机可分为电磁式、静电式、压电式等类型[1,2]。其中电磁式发电机具有可靠性高、结构简单、节能高效的特点[3]。根据振动部件的不同，电磁式振动发电机可以分为动铁、动圈和铁圈共振三种类型[4]。采用动圈式，线圈与弹簧固定在一起，在外界振动源的作用下，线圈相对磁体运动，穿过线圈中的磁通量变化，从而在线圈中产生感应电动势。大多电磁式振动发电机都是单一永磁体作为磁场源，磁感线分散，漏磁通大，本文在永磁体下吸合一块高磁导率的圆台状软磁体，引导磁感线集中穿过软磁体，减小漏磁通，增强磁感梯度，产生更大的感应电动势。用CAD软件设计出装置框架各部分零件图，以椴木板为原材料，用激光切割加工出各零部件，最后装配完成振动发电机。改变外部振动源的频率和振幅，测量该振动发电机的输出电动势。在测量范围内，输出电动势有效值均超过0.90 V，在频率f=5 Hz，振幅A=0.42 cm时输出电动势有效值最大，达到1.72 V，可以驱动一些小功率电器，具有一定的实际应用价值。

1 实验原理

由法拉第电磁感应定律，穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，会产生感应电动势，

(1)

图1 振动发电机结构示意图

(2)

(3)

由(3)式可知，提高轴向的磁感梯度∂B/∂z和径向磁感强度Br可以增大感应电动势。

2 设计及制作

2.1 永磁圆环的选择

NdFeB永磁材料具有非常高的剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc和最大磁能积(BH)max，为当前磁性最强的永磁材料，是作为磁场源的最佳选择[6]。常用的有长方形、圆柱形和圆环形等对称性高的永磁体。采用实验室现有的三块吸合在一起的圆环状NdFeB永磁，其磁性能为BR=1.3 T，Hc=8.4×105A/m，(BH)max=326 kJ/m3，尺寸为：总高度18 mm，内径3.5 mm，外径12.5 mm。

2.2 圆台状软磁体设计

2.3 振动发电机的设计及制作

用CAD软件设计出装置框架的各部分零件图，以椴木板为原材料，用激光切割加工出各零部件，组装成振动发电机的木制框架，将线圈和磁体分别固定在设计加工好的木板平台上。将四根同样的弹簧分别固定在框架底部木板上，四个固定点形成正方形。为了获得足够大的振幅，本设计实验采用了劲度系数较小的弹簧。磁体质量大于线圈，所以选用质量轻的线圈与弹簧固定，这样既可以保证弹簧有足够大的振幅，也不会使弹簧超过弹性限度。弹簧与线圈相连接并且处于装置下方，磁体固定在装置上方。为了防止线圈在振动时左右晃动，平台的四个角落设计四个立柱，并与线圈所在的平台保留了一定的距离，这样既可以保证线圈和弹簧仅做上下振动，也能保证线圈平台与立柱之间不会产生太大的摩擦力。在立柱上设置多个插销口，这些插销可以用来固定磁体，同时方便调整磁体的高度.具体的制作流程及振动发电机实物如图2所示。

图2 振动发电机制作流程及实物图

3 实验结果及分析

利用SZ/ZD-LD型垂直空间振动变频振动台作为外部激励源，改变振动源的频率f和振幅A，用MDO-2102EG型示波器测量感应电动势。

表1为不同振动源频率及振幅下测量得到的输出电动势有效值。振动频率较低时，较大振幅振动不稳定，所以表中低频高振幅测量数据空缺；在测量范围内，输出电动势有效值均超过0.90 V；在频率f=5 Hz，振幅A=0.42 cm时输出电动势有效值最大，达到1.72 V，可以驱动一些小功率电器。根据表1数据用Origin软件作图，得到图3。

表1 不同振动源频率及振幅下的输出电动势有效值U(V)

A/cm

可见，当频率f在4 Hz以下，输出电动势有效值较低，随频率增加，输出电动势在波动中缓慢增加，f=4.5 Hz时明显增大；f=5 Hz输出电动势陡增，在测量振幅范围内，该频率下的输出电动势有效值均超过1.50 V，高于其它频率在相同振幅下的测量值；之后，随着频率增加，输出电动势逐渐走低。根据弹簧的弹性系数和弹簧上承载负荷的质量可求出弹簧与线圈组成的振动系统的固有频率约为5.2 Hz，当外界激励源振动频率与系统的固有振动频率相同时，会产生共振，处于共振状态下系统有最大的能量输出[8]，从而产生更大的感应电动势。

输出电动势随振幅变化规律比较复杂，当频率f在4 Hz以下，输出电动势较小，随振幅变化而波动；在f=4.5 Hz以上，随振幅增加，输出电动势呈先升后降趋势，最大值出现在振幅为0.4～0.5 cm之间，到A=0.6 cm 后趋于平缓。振幅A变化时，线圈与永磁体的相对位置变化，线圈所在位置处的轴向磁感梯度及径向磁感强度也随之变化。根据公式(3)，这些都会引起感应电动势变化，总体表现为：随振幅增加，输出电动势在到达最大值后降低并趋于平稳。

4 结 语

本文采用组合磁体作为磁场源，在永磁体下吸合一块高磁导率的圆台状软磁体，引导磁感线集中穿过软磁体，减小漏磁通，增加轴向磁感梯度和径向磁感强度，以产生更大的感应电动势。用CAD软件设计出装置框架各部分零件图，以椴木板为原材料，用激光切割加工出各零部件，最后装配成振动发电机样机。用示波器测试了该装置的输出电动势随外部振动源振幅和频率变化规律。在测量范围内，输出电动势有效值均超过0.90 V，在频率f=5 Hz，振幅A=0.42 cm时输出电动势有效值最大，达到1.72 V。该装置结构简单，操作方便，可用于一定场景的简易发电以及电磁学、振动学知识的教学场景。