鄭福祿， 崔素文， 陳東猛， 劉超卓

(1.中國石油大學(華東)理學院，山東青島266580;2.濱州學院化學與化工系，山東濱州256603)

0 引言

隨著社會的全面發(fā)展，特別是工業(yè)及交通業(yè)的迅猛發(fā)展，振動這一現(xiàn)象變得越來越普遍。振動作為一種機械運動蘊含著一定的能量，然而目前振動機械能的利用率相對較低，通常被忽略，或被機械減震器和其他設(shè)備吸收［1］，造成能量的大量流失，如果將自然界中的振動機械能貯存起來，那將是一個相當可觀的數(shù)字。

鑒于振動機械能難以直接利用，可先將其轉(zhuǎn)化為電能，然后再進行使用。將振動機械能轉(zhuǎn)化成為電能的設(shè)備就叫做振動發(fā)電機。振動能量廣泛存在于汽車上，如:汽車懸架的振動，活塞往復(fù)運動以及廢氣排放噪聲引起的振動等，這些振動機械能都可以作為振動發(fā)電機的能量來源［2］。作為一種典型的能量采集技術(shù)，永磁振動發(fā)電機利用電磁感應(yīng)原理可以把自然界中存在的大量機械振動能轉(zhuǎn)換為電能，受到越來越多的重視［3］。近年來，國內(nèi)外的多所大學和機構(gòu)都在從事這方面的研究工作［4-15］。

本文設(shè)計了一種新型球形振動發(fā)電機，利用自然界中廣泛存在的振動現(xiàn)象，使線圈在磁場中運動，切割磁感線，將振動機械能轉(zhuǎn)化成易被利用的電能。

1 理論依據(jù)

法拉第電磁感應(yīng)定律是該新型球形振動發(fā)電機設(shè)計方法的理論來源。導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線的運動時會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，若導(dǎo)體可組成閉合回路，則會產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電動勢E的計算公式為

式中:B為磁場強度;l為切割磁感線的導(dǎo)體有效長度;v是導(dǎo)體垂直于有效長度方向的速度分量。

振動產(chǎn)生時，球形振動發(fā)電機的線圈在磁場中做切割磁感線的運動，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)振動機械能向電能的轉(zhuǎn)化。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

該新型球形振動發(fā)電機的縱剖結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體上由定子和振子兩部分構(gòu)成。發(fā)電機的底座、儲能箱、外殼、外置磁體和限制缸組成定子部分;線圈、內(nèi)置球殼、滑竿、滑竿套筒、輕質(zhì)彈簧、內(nèi)置磁體和固定桿組成振子部分。

圖1 球形振動發(fā)電機縱剖圖

2.1 定子部分

定子部分起到固定、連接、支撐的作用。

底座呈圓盤狀，位于整個發(fā)電機的最底端，均勻分布有4個固定螺孔，固定螺栓可穿過固定螺孔將底座與振動源連結(jié)，發(fā)電機整體固定在振動源上。

儲能箱位于球殼與底座中間，呈圓盤狀，主體為蓄電池，還包括整流器、逆變器等部件。發(fā)電機所產(chǎn)生的電能經(jīng)過整流器之后儲存在蓄電池中，蓄電池通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化成交流電，再通過2個電極為負載供電。

外殼固定于儲能箱之上，外置磁體附著在外殼內(nèi)側(cè)，與內(nèi)置磁體配合產(chǎn)生近似球形的磁場。外置磁體由兩塊完全相同的半球殼狀永磁體組合而成，內(nèi)側(cè)磁極相同，結(jié)合處留有一定空隙;內(nèi)置磁體由兩塊完全相同的半球形永磁體構(gòu)成，曲面?zhèn)仍谕?，磁極與外置磁體的內(nèi)測磁極相反，這樣便可在內(nèi)置磁體與外置磁體之間形成磁場。磁場或沿球體徑向向外發(fā)散或沿相反方向向內(nèi)匯聚，形狀近似為球形。

在磁體的上下、左右、前后6個頂端位置分布6個限制缸，用于限定滑竿套筒末端的運動范圍。

2.2 振子部分

振子部分在振動產(chǎn)生時在球形磁場中振動，是振動發(fā)電機的重要組成部分。

振子部分的6個滑竿套筒各由套筒和金屬桿兩部分構(gòu)成，金屬桿在外側(cè)，其末端處于磁鐵與內(nèi)置球殼所夾區(qū)域，可在定子部分的限制缸內(nèi)運動;內(nèi)側(cè)為套筒，處在內(nèi)置球殼內(nèi)部，套筒一端封閉，與金屬桿焊接在一起，另一端半封閉。

滑竿的末端焊接有擋片，處在套筒內(nèi)，擋片直徑略小于套筒內(nèi)徑且大于套筒半封閉端開口直徑，滑竿與套筒半封閉端套有一輕質(zhì)彈簧，這樣滑竿可依靠輕質(zhì)彈簧在套筒內(nèi)滑動。3條滑竿通過兩條固定桿與內(nèi)置球殼固定在一起，固定桿與滑竿相交于內(nèi)置球殼球心位置。

線圈是振子部分的主要組成部分，它由3組不同方向的線圈構(gòu)成，分別是縱向線圈、橫向線圈和平向線圈，每組線圈都成半圓形，3組線圈分3層依次附著在內(nèi)置球殼外部;每個半圓形線圈的兩端都接在一接線點上，通過導(dǎo)線與儲能箱內(nèi)的整流器相連接，進而與蓄電池相連接，將產(chǎn)生的電能輸送到蓄電池中貯存起來。

3 發(fā)電方法

新型球形振動發(fā)電機工作時需利用螺栓穿過底座上的4個固定螺孔將其與振動源固定在一起，當振動產(chǎn)生時，振動發(fā)電機定子部分隨振動源一起運動，定子部分的運動通過滑竿套筒和輕質(zhì)彈簧傳遞到振子部分。

球形振動發(fā)電機工作過程中振子部分的運動簡圖如圖2所示。以豎直方向上的運動為例，圖中a狀態(tài)為振動發(fā)生前的平衡狀態(tài)，此時由于重力作用，上下2個輕質(zhì)彈簧都有一定程度的形變。若此時振動發(fā)生，并首先向上運動，則下部滑竿套筒會減速向上運動，下部輕質(zhì)彈簧及其以上部分將加速向上運動，由于慣性，開始時該部分的速度小于下部滑竿套筒的速度;下部輕質(zhì)彈簧被壓縮，當兩者速度相等時，下部彈簧被壓縮的程度最大，即達到b狀態(tài)，此過程中，振子部分與定子部分產(chǎn)生較大的相對位移。下部滑竿套筒繼續(xù)減速，其上部分繼續(xù)加速，達到振動的最高點，下部滑竿套筒的速度減為零，即c狀態(tài)。定子部分繼而向下運動，同樣因為慣性，振子部分繼續(xù)向上做減速運動，上部輕質(zhì)彈簧被壓縮，向上速度減小為零時達到d狀態(tài)。振子部分轉(zhuǎn)而加速向下運動，到達平衡狀態(tài)e，然后減速向下運動，下部輕質(zhì)彈簧再次被壓縮，速度減小到零時達到狀態(tài)f。定子部分再次向上運動，達到平衡狀態(tài)a，完成一個周期的振動，如此循環(huán)往復(fù)。

圖2 球形振動發(fā)電機工作過程中振子部分運動簡圖

但是，由于輕質(zhì)彈簧的存在，振子部分的運動滯后于定子部分，在一個振動周期中，兩者之間多次產(chǎn)生相對運動，此時振子部分附著在內(nèi)置球殼外部的3層半圓形線圈與由磁場發(fā)生相對運動。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，半圓形線圈兩端的接線點通過整流器與蓄電池的輸入端相連接，將產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池中。至此，完成振動機械能向電能的轉(zhuǎn)化。蓄電池的輸出端可與外電路相連，為外部負載供電。

4 設(shè)計特點

根據(jù)振動方向不確定的特點，突破了傳統(tǒng)直線式發(fā)電機圓柱形磁場的設(shè)計理念，利用內(nèi)外置磁體產(chǎn)生近似球形的磁場，提高振動和空間的利用率。

內(nèi)置球殼內(nèi)部滑竿、滑竿套筒與輕質(zhì)彈簧結(jié)構(gòu)將振子部分與定子部分連接在一起，利用振動使線圈與磁場產(chǎn)生相對運動，同時，外置磁體內(nèi)部附著6個均分布的限制缸，滑竿套筒的金屬桿末端可在整個限制缸限定的范圍內(nèi)運動，拓寬了振子部分運動方向的范圍，也是對振動的一種充分利用。

內(nèi)置球殼外部附著著3層不同繞向的半圓形線圈，以實現(xiàn)振子部分在較廣方向范圍內(nèi)運動都能切割磁感線的目標。

以上所述為該永磁體外置式球形振動發(fā)電機設(shè)計方案的主要特點，這些設(shè)計特點都直接或間接地提高了該振動發(fā)電機的發(fā)電效率。

5 結(jié)語

本文提出了一種新型球形振動發(fā)電機的設(shè)計理念及其發(fā)電方法，該振動發(fā)電機將法拉第電磁感應(yīng)定律作為設(shè)計的理論依據(jù)，當振動產(chǎn)生時，附著有3層半圓形線圈的振子部分在由內(nèi)外置磁體產(chǎn)生的近似球形磁場中做切割磁感線的運動，線圈通過導(dǎo)線與整流器和蓄電池相連接，將由振動機械能轉(zhuǎn)化而成的電能儲存在蓄電池中。

振動發(fā)電機［16］的設(shè)計方案已申請專利，實用新型專利已獲授權(quán)，發(fā)明專利已進入實質(zhì)審查階段，發(fā)展前景廣闊。

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