新型永磁式振動發(fā)電裝置的分析與設(shè)計

徐冉

摘 要：本文分析了國內(nèi)外永磁振動發(fā)電的研究現(xiàn)狀，并基于一般振動發(fā)電裝置的基本原理和永磁材料的選擇分析，建立了一個新型的永磁振動發(fā)電模型。該裝置與傳統(tǒng)的振動發(fā)電裝置相比具有損耗小，使用壽命長，發(fā)電效率高的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：振動發(fā)電 永磁 材料選擇 物理模型

中圖分類號：TM619 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）05-0-01

電能在人類生活中是必不可缺的。由于自然資源的不斷枯竭，可再生的能源發(fā)電裝置已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的對象。其中，振動發(fā)電技術(shù)因為無污染，應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)備受人們關(guān)注。振動發(fā)電根據(jù)產(chǎn)生方式可以分為四類：永磁振動、壓電振動、磁致伸縮振動和靜電振動。壓電振動的能量轉(zhuǎn)換效率低，輸出功率很小，且制作工藝較為復(fù)雜，局限性較大。磁致伸縮振動需要外界的壓應(yīng)力，靜電振動需要進(jìn)行初始狀態(tài)的充電，所以這兩種方式都需要一定的初始條件。而永磁振動具有成本低，制作簡單，應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。

一、國內(nèi)外研究

早在1996年，英國謝菲爾德大學(xué)的Yates和利茲大學(xué)的William就對動鐵型振動發(fā)電裝置進(jìn)行了研究。他們制作了一個尺寸約為5×5×1mm的微型發(fā)電樣機(jī)，該裝置在嵌入振動介質(zhì)時通過機(jī)械能發(fā)電。2003年，Glynne-Jones等制作了一種動圈式振動發(fā)電裝置，他們將磁鐵放置于固定端，膜片線圈放置于懸臂梁非固定端。發(fā)生振動時，微小的振動被懸臂梁非固定端放大，進(jìn)而引起膜片線圈的振動。同年，國內(nèi)重慶大學(xué)溫中泉提出了利用微電子等技術(shù)制作發(fā)電機(jī)[1]，他將螺旋彈簧、永磁鐵與感應(yīng)線圈組合，構(gòu)成了微型永磁式振動能量發(fā)電的模型。2005年，Lawrence等人設(shè)計了一種基于永磁發(fā)電收集人體振動能量的裝置，科研人員將這個裝置安放在背包里，當(dāng)人們背著這款背包走路或者慢跑時，背包可以將產(chǎn)生的振動能量收集并產(chǎn)生電能。

二、新型永磁振動發(fā)電裝置

1.永磁式振動發(fā)電基本原理

永磁振動發(fā)電裝置的一般原理是電磁感應(yīng)定律。產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的必要條件是磁通量的變化。感應(yīng)電動勢的表達(dá)式為：

其中，E代表感應(yīng)電動勢，N代表回路的線圈匝數(shù)，Φ表示每匝線圈的磁通量。

磁通量變化的主要原因如下： （1）磁感應(yīng)強(qiáng)度B 隨時間的變化；（2）導(dǎo)體回路與磁媒質(zhì)發(fā)生相對位移。前者產(chǎn)生的電動勢稱為感生電動勢，用Ei 表示；后者產(chǎn)生的電動勢為動生電動勢，用 Ev表示。感生電動勢表達(dá)式為：

2.永磁材料的選擇

2.1永磁材料的主要性能

評價永磁材料的性能主要有以下幾個指標(biāo)：剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力Hc、最大磁能積BHmax、溫度系數(shù)α和穩(wěn)定性等。其中，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度表示永磁材料在外界磁場中被磁化直到飽和，將外界磁場減小到零后永磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。磁感應(yīng)強(qiáng)度值越大，效率越高。矯頑力表示永磁材料在飽和磁化后，當(dāng)剩磁感應(yīng)強(qiáng)度退回為零時所需的反向磁場強(qiáng)度。矯頑力值越大，抗退磁能力越強(qiáng)。最大磁能積指永磁材料向外界提供磁場能量的最大值。最大磁能積越大，表示在相同的材料使用量下能提供更多磁能。溫度系數(shù)表示溫度每變化1℃時永磁材料的磁性能發(fā)生可逆變化的百分率。穩(wěn)定性通常用永磁材料的磁性能隨環(huán)境的變化率來表示。

2.2永磁材料的主要類別

生產(chǎn)中使用的永磁材料有金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料、稀土永磁材料三種。金屬永磁材料的特點(diǎn)是溫度系數(shù)較小，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度比較高，但矯頑力較低。鐵氧體永磁材料的優(yōu)點(diǎn)是矯頑力較大，價格便宜，制工簡單。但鐵氧體永磁的最大磁能積較小，剩磁密度不高。目前的稀土永磁材料可分為稀土鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料。稀土鈷永磁材料的矯頑力、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度及最大磁能積都很高，但目前價格比較昂貴。而釹鐵硼永磁材料的磁性能優(yōu)于稀土鈷永磁材料，且價格低廉。

3.新型永磁振動發(fā)電的物理模型

該裝置的剖面圖如下，主要部件有6個：環(huán)形永磁體、軟磁極片、圓柱形筒、空心軸、鐵芯和線圈。永磁彈簧由四個環(huán)形永磁體和圓柱形筒組成。兩個永磁體固定在圓柱形筒兩端，中間兩個永磁體由軟磁極片隔開。四個永磁體沿圓柱形筒內(nèi)壁依次分布，中間的兩個永磁體受到磁力作用而保持平衡。圓柱形筒的外側(cè)纏繞線圈，空心軸分布在圓柱形筒的中央，空心軸內(nèi)放置鐵芯。為了不妨礙永磁體與感應(yīng)線圈之間的相對運(yùn)動，空心軸、圓柱形筒均由非導(dǎo)磁材料制作。外界發(fā)生振動時，受圓柱形筒兩側(cè)永磁體的斥力和自身重力，中間的兩個永磁體開始上下運(yùn)動，從而使外側(cè)線圈的磁通量發(fā)生改變。

4.合理性分析

傳統(tǒng)的機(jī)械彈簧在裝置振動過程中會產(chǎn)生摩擦，不僅會減小感應(yīng)電動勢，還會減小裝置的壽命。而本裝置中的永磁彈簧具有彈性好、 摩擦小的特點(diǎn)，是機(jī)械彈簧很好的替代品。其次，相比于只在圓柱形筒一端固定永磁體，該裝置在兩端都放置了永磁體，這樣可以增大永磁彈簧工作后的恢復(fù)力，避免中間的永磁體錯位。此外，中間可移動的永磁體用兩個永磁體聯(lián)結(jié)，而非一個大的永磁體，這樣可以使線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值大幅提高。

參考文獻(xiàn)

[1]溫中泉，微型振動式發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究，重慶大學(xué)，2013.