電磁式振動發電機結構設計及諧振頻率分析

張露予，李志鵬，王博文，王志華，李雨婷

（河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130）

電磁式振動發電機結構設計及諧振頻率分析

張露予，李志鵬，王博文，王志華，李雨婷

（河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130）

設計了一種新型振動發電機結構．對振動發電機結構進行了數值仿真、諧振頻率分析，并運用有限元方法分析了E型磁軛三維磁場分布、磁路結構優化及振動發電機輸出電壓波形．通過優化設計使振動發電機在低頻振動環境條件下的能量獲取能力顯著提高．理論與實驗表明振動發電機在頻率為10Hz，振幅為10mm時，輸出開路電壓有效值為5.5 V．

電磁式；振動；發電機；諧振頻率

機械振動是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源[1]．無線傳感器網絡、嵌入式傳感器系統等迅速發展，對電源提出微型化、長壽命等要求．振動能是環境中最普遍存在的能量，將機械振動能轉換為電能的微型振動發電機已引起人們廣泛關注[2]．考慮到為傳感器供電的電池壽命有限和廢棄電池對環境的影響，研究人員一直致力于用其他形式電源代替電池的研究工作，如太陽能、風能、振動能量等[3]．振動能量源的普遍性并且不受時間限制，所以振動能量轉換裝置成為現在電源研究的一大熱點[4]．為了有效利用這種能量，一種異于傳統旋轉電機的小型低頻直線電機越來越倍受青睞[5]．1995年英國設菲爾德大學的Williams課題組發表了第一篇關于電磁式微型振動發電機的論文，此后世界上許多研究機構都在致力于該方面的研究．目前，對永磁直線振動發電機的應用，小到便攜式發電裝置，大到利用海洋波發電[6]，并將其直接并入電網，以及植入汽車減震器[7-9]，通過吸收減震器內的振動能量，將其轉換成電能，應用領域與應用范圍十分廣泛．

本文對一種新型電磁式振動發電機結構進行有限元仿真，并進行諧振頻率分析．該振動發電機結構特點是形成閉合磁路，使漏磁通顯著減少，運用直線軸承對永磁體與磁軛進行限位，降低了磁力作用對發電機振動所造成的影響．根據需要，改變磁軛間距，使輸出電壓達到不同效果．

1 振動發電機結構設計及輸出電動勢優化

本文所研究的振動發電機的振源為自然界及現實生活中普遍存在的振動能量，特別針對在低頻振動情況下，提出了一種新型電磁式振動發電機結構．振動發電機磁軛結構為E型結構，磁軛結構及繞線方式如圖1所示．圖中A、B端為輸出電壓端口，連接示波器可以檢測出發電機輸出電壓．采用如圖所示的繞線方式是使各個線圈獨立串聯聯接，可提高輸出電壓．在條件允許的情況下，可以增加發電機的磁極對數以及磁軛的縱向高度來獲得更高的能量輸出．圖1中：L為磁軛高度；D為磁軛間距；h為磁軛前端面高度；d為磁軛寬度．此4項參數為磁軛設計的重要參數．

發電機磁軛部分采用DW 465-50型硅鋼片疊壓而成，根據實際物理環境確定發電機磁軛高度L，設計過程中充分考慮了磁場的最大利用率，使磁軛中磁感應強度最大值小于硅鋼片的飽和磁感應強度，據此確定d和h．硅鋼片的BH曲線如圖2所示，磁軛中磁感應強度分布如圖3所示．

根據實際加載力的大小確定磁軛間距D，運用有限元軟件對振動發電機結構進行優化，優化前振動發電機磁軛結構尺寸如表1所示．由于磁軛部分結構對稱，因此選取發電機左側磁軛A線圈進行仿真研究．A線圈由上、下兩部分線圈串聯聯接，上、下線圈輸出感應電動勢分別如圖4和圖5所示．

從圖中可知在發電機運行過程中，上、下線圈輸出感應電動勢變化兩次，原因是磁軛前端面尺寸h過小，使發電機在上升或下降過程中磁軛中磁感應強度B變化兩次．對端面尺寸h進行優化，結果如表2所示，發電機輸出感應電動勢如圖6所示．

為避免發電機其余部分鐵磁物質對磁路造成影響，本結構選用圓柱形奧氏不銹鋼（非導磁材料）作為發電機振動軸．振動軸中部凹陷，三塊圓柱形永磁體異相排列，分別嵌鑲在圓柱形振動軸凹陷部分中．振動軸末端開有方槽并放置平鍵，防止發電機在振動過程中，振動軸發生偏轉．

永磁與磁軛之間存在較強吸引力，在發電機運行過程中由于引力的作用，振子會發生偏轉，因此運用分布在兩端的圓法蘭直線軸承對振動軸進行限位，將永磁與磁軛之間的引力轉化為振動軸與軸承之間的滾動摩擦力，大幅度削減磁力作用對發電機振動的影響．

2 發電機諧振頻率分析

振動發電機的諧振頻率特性對發電機正常工作有重要影響．發電機在諧振狀態下機械阻尼最小，輸出功率最高．由于磁軛內部磁場強度很小，故存儲在磁軛部分的磁場能量遠小于存儲在空氣隙中的部分，因而前者可忽略不計，氣隙磁場的總能量為[10]

式中：V為場域的體積；B為磁感應強度；H為磁場強度；S為磁軛表面積；L為氣隙長度；uc為真空中磁導率．

圖1 永磁發電機磁軛基本結構Fig.1 Basic structureof yoke of the PM generator

圖2 磁軛BH曲線Fig.2 BH curveof the yoke

圖3 磁軛中磁感應強度分布Fig.3 Distribution diagram ofmagnetic flux density of yoke

表1 磁軛初始結構參數Tab.1 Initial structure parametersof the yoke

表2 磁軛最終結構參數Tab.2 Finalstructure parametersof the yoke

圖4 上線圈感應電動勢Fig.4 EMF of the upper coilof yoke

圖5 下線圈感應電動勢Fig.5 EMF of the lower coilof yoke

圖6 發電機輸出感應電動勢Fig.6 EMF curveafter cascadeof coil

虛功力法公式推導相對復雜，但不存在積分路徑問題，受剖分單元類型、剖分精度的影響不大．根據虛功力法，當發電機振動時，其受力分析如下

由于發電機結構對稱，x、y方向的虛功力相互抵消，受電磁合力的方向為z方向，方程（2）可表示為

圖7 發電機z方向受力分析圖Fig.7 Forceanalysis of the generator yokeacross z direction

由式(3)計算得到發電機延z方向所受電磁力分析結果如圖7所示．

由圖7可知在振幅為10mm到10 mm范圍內，振子受力與位移呈線性分布，根據式F=kx可以確定所需彈簧的剛度為10N/mm，計算彈簧的固有頻率為其中m為振子質量．因此可計算出系統的固有頻率為11.25Hz．當外界振動與彈簧的固有頻率一致時，系統有最大能量輸出．

3 測試結果與分析

圖8 振動頻率為10Hz時輸出電壓波形Fig.8 Outputvoltageat the frequency 10 Hz acrossz direction

根據理論計算與仿真結果制作了樣機．實驗中，將振動發電機置于地板下方，在行人通過的振動條件下，發電機輸出電動勢波形如圖8所示，其中，地板的最大振幅為10mm．圖8中，輸出電動勢的有效值達5.5V，發電機的振子運動到最大位移處時將會換向及運動到頂點位置時速度變為零，這時波形發生明顯的轉折．

4 結論

本文介紹了一種新型振動發電機，并進行了相關諧振頻率計算．通過優化設計，磁場利用率達90.33%，漏磁通顯著減少．實際應用中可根據施加壓振動應力的方向確定發電機的擺放位置．通過優化設計使振動發電機在低頻振動環境條件下的能量獲取能力顯著提高，理論與實驗表明振動發電機在頻率為10Hz，振幅為10mm時，輸出開路電壓有效值為5.5V．

[1]楊燕花，楊嘉祥，馬鳳蓮．直線式振動能/電能轉換器的結構優化[J]．微特電機．2011（2）：33-36．

[2]于慧慧，溫志渝，溫中泉．寬頻帶微型壓電式振動發電機的設計[J]．傳感器技術學報，2010，23（5）：643-646．

[3]楊曉光，汪友華，張波．一種新型振動發電裝置及其建模與實驗研究[J]．電工技術學報，2013，28（1）：113-118．

[4]王佩紅，戴旭涵，趙小林．微型電磁式振動能量采集器的研究進展[J]．振動與沖擊，2007，26（9）：94-98．

[5]OhashiS，M atsuzuk a T．Basic characteristicsof the linearsynchro-nousgeneratorusingmechanicalvibration[J]．IEEETransactionsOnM agnetics，2005，41（10）：3829-3831．[6]Wang Peihong，DaiXuhan，Fang Dongm ing．Design,fabrication and performanceofanew vibration-based electromagneticmicro powergenerator [J]．Microelectronics journal2007，38：1175-1180．

[7]JiabinWang，WeiyaWang，KaisAtallah．A Linear permanent-magnetmotor foractivevehicle suspension[J]．IEEE transactionson vehicular technology，2011，60（1）：55-62．

[8]IsmenioM artins，Jorge Esteves，GilD Marques．Permanent-magnets linearactuatorsapplicabilityin automobileactive suspensions IEEE transactionson vehicular technology，2006，55（1）：86-94．

[9]Bart L J，Gysen，Johannes JH，etal．Active electrom agnetic suspension system for improved vehicle dynamic[J]．IEEE transactionson vehicular technology，2010，59（3）：1156-1163．

[10]戴魏，余海濤，胡敏強．基于虛功法的直線同步電機電磁力計算[J]．中國電機工程學報，2006，26（22）：110-114．

[責任編輯 代俊秋]

Design of electromagnetic vibration-powered generatorand its resonant frequency analysis

ZHANG Lu-yu，LI Zhi-peng，WANG Bo-wen，WANG Zhi-hua，LI Yu-ting

（Province-M inistry JointKey Laboratory of Electromagnetic Field and ElectricalApparatusReliability，HebeiUniversity of Technology, Tianjin 300130，China）

A new typeof structureofelectromagnetic vibration-powered generator is proposed according to thevibration power．Themagnetic field distribution of the yoke and the optimaldesign of themagnetic circuit for thegeneratorare simulatedby using themethod of finiteelementanalysis．Ithasbeen found thattheability ofenergy harvestinggenerator is significantly im proved under the condition of low-frequency vibration．The open circuitRM Svoltage is5．5V w ith the vibration frequency of10 Hz and the amplitude of10mm．

electromagnetic type；vibration；powered generator；resonant frequency

TP391.41

A

1007-2373(2014)01-0001-04

2013-02-17

國家自然科學基金（51171057,51107030）

張露予（1989-），女（漢族），博士生．通訊作者：王博文（1956-），男（漢族），教授，博士生導師．