無線控制開關自發電技術方案研究

田贍民 張希偉 王卓遠

（1.寧波公牛電器有限公司 寧波 315311；2.寧波工程學院電科系 寧波 315211）

問題提出

目前市場上的無線控制開關的供電有電池（以下簡稱“有源”）和自發電（以下簡稱“無源”）兩種方式，有源開關需要更換電池，且有電池腐蝕開關及廢棄電池處理的環境污染問題，所以無源開關的市場份額日益擴大。由于受到產品體積及成本的限制，無源開關的發電量常常難以滿足實際需要，為此需要在小體積低成本的條件下來研究無源開關的發電技術。

“無源開關”的核心部件為自發電模塊，目前市場上應用的技術都有自己的專利，為了公司的長遠發展，我們必須研究出具有獨立自主知識產權的技術。

為此我們首先提出了項目的技術輸入條件：

1）自發電模塊的發電性能要求（接100 Ω電阻測試）：單次操作的發電量，最高電壓值不小于6.5 V，在電壓大于3 V時的持續時間不小于1.2 ms；

2）發電模塊動作5萬次之后的發電性能要保持在初始的發電量的90 %以上；

3）發電模塊的使用壽命能達到10萬次以上；

4）符合標準GB 16915.1、GB 16915.2、GB 16915.3；

5）滿足市場上流行的3位“蹺板開關”要求，爭取滿足4位要求。

由于市場上產品的大小是標準化的，特別是對于多位蹺板開關的情況更是受安裝尺寸限制，為了讓技術有盡可能廣的通用性，我們對此種有限安裝尺寸的條件下開展了自發電技術方案的研究，以選擇合理的技術方案。

1 方案研究

從磁路原理[1]及現有技術來看，核心部件發電模塊的磁路主要部件為磁體[2,3]銜鐵組件與線圈軛鐵組件，為了論述的簡化，以下只研究磁體銜鐵組件與線圈軛鐵組件，而省去其它次要部件的描述。為此選擇三種典型方案分別予以論述：

1.1 方案一：X方向布置

如圖1所示，磁體銜鐵組件與線圈軛鐵組件在X方向布置，為了更清楚地表達磁體銜鐵組件的內部結構，圖1（b）隱去了外殼，以下對磁路原理加以描述。

圖1 方案一3D示意圖

如圖2所示，圖2（a）為驅動臂處于上限位置的磁路示意圖（不考慮漏磁），N-S分別表示磁體的南北極，磁力線從磁體的N極出來經過銜鐵1進入軛鐵右邊通道，然后進入圖2（c）所示的線圈，再進入軛鐵左邊通道，再從此進入圖1（a）所示的銜鐵2，再從銜鐵2回到磁體的S極，這就形成了完整的主磁回路。

圖2 方案一工作示意圖

在圖2（a）所示外力P的作用下，驅動臂由上限位置運動到下限位置，此時的磁路示意圖如圖2（b）所示，磁力線的走向分析方法與圖2（a）的方法相同，只不過銜鐵與軛鐵的接觸位置及氣隙發生了轉換，導致通過線圈內的磁力線方向反向。假設通過線圈一個方向的磁通量為1，則另一個方向的磁通量為-1，磁通量的變化量為1-（-1）=2，從而在線圈中產生雙倍的感應電動勢，為無線控制開關電路提供電源。此后，在圖2（b）所示狀態，再次受到反向外力的P的作用，則回到圖2（a）狀態，如此反復，不斷地為控制電路提供電能。

此方案的磁體銜鐵組件與線圈軛鐵組件在X方向布置，與開關成品安裝尺寸限制的方向相同，在X方向的尺寸較大，最多只適應二位蹺板開關及門鈴的情況，技術的通用性較差。

1.2 方案二：Z方向布置

如圖3所示為銜鐵、磁體與線圈軛鐵組件在Z方向布置方案示意圖，首先來了解一下磁路原理。如圖3（a）所示銜鐵與軛鐵的氣隙處于右邊，主磁路位于左邊，磁力線的走向如圖3（a）所示，設其對應線圈1的磁通量為1，線圈2的磁通量為0；此時在右邊施加外力P，銜鐵將以轉軸為中心發生轉動，銜鐵與軛鐵在右邊接觸，相應的氣隙變為0，同時在左邊產生氣隙，主磁路也隨之轉換至右邊磁路，磁力線方向也隨之改變，線圈2的磁通量為1，線圈1的磁通量為0，如圖3（b）所示。此方案二個線圈的總磁通量變化量為2。此后，在圖3（b）所示狀態，左邊受到外力的P的作用，則回到圖3（a）狀態，如此反復，不斷地為控制電路提供電能。

圖3 方案二工作示意圖

優勢：

1）由于銜鐵、磁體與線圈軛鐵組件在Z方向布置，結構緊湊，X方向尺寸小，設計可用于4位蹺板開關。

2）二個線圈可以采用串聯或并聯方式連接以得到二倍單個線圈的感應電動勢或感應電流，可以根據實際需要靈活處理。

3）銜鐵的運動方式與蹺板開關操作件（俗稱蹺板、按鈕）相同，后續的產品結構開發將較簡單。

劣勢：

1）由于線圈是由貴重金屬制造，方案采用了二個線圈，成本較高；

2）為了適應4位蹺板開關的結構需要，壓縮了模塊X方向的尺寸，發電量能否滿足要求需要驗證。

由于在設計階段難以確定磁路參數，磁路仿真也難以有效進行，于是我們采用先用樣品進行初步驗證，測得發電量指標見表1[4]。

表1 首樣驗證

針對試驗結果我們進行了磁路結構參數優化，如磁體參數、銜鐵軛鐵材料選擇、線圈線徑及匝數、氣隙大小等相關參數，并進行了磁路仿真，如圖4（a）所示，圖中四個黑圈代表積分面，兩個發電線圈位于左右臂的兩個黑圈之間，由于篇幅的限制，對仿真、優化過程不再進行論述。經過仿真優化后的結構參數再進行樣品驗證，如表2所示[4]。

圖4 磁路仿真

表2 優化結果驗證

從測試結果可以看出，參數優化后雖有改善，但仍不能滿足要求，必須再優化方案。

于是，我們提出了在主磁體的下方再增加一個輔助磁體（磁體2），如圖3 （c）所示。然后再進行磁路仿真，如圖4 （b）所示，仿真結果磁感應強度可以提高5～10 %。于是再次進行樣品驗證，結果如表3所示[4]，指標全面達標。

表3 方案二最終測試結果

據上研究可知，雖然本方案發電指標全面達標，由于采用了雙線圈雙磁體，產品化的成本壓力大，建議做為技術儲備，需要繼續研究低成本的技術方案。

1.3 方案三：Y方向布置

如圖5所示，銜鐵磁體組件與線圈軛鐵組件在Y方向布置的3D示意圖，其中銜鐵磁體組件包括銜鐵1、銜鐵2、磁體、擺桿及蓋板，驅動臂為與擺桿一體的一個功能結構，銜鐵1、銜鐵2及磁體一同裝入擺桿中，再將蓋板蓋上，形成組件，為了清楚地表達銜鐵及磁體的工作狀態，圖5（b）隱去了擺桿及蓋板，同樣首先來了解一下磁路原理。

圖5 方案三3D示意圖

如圖6（a）所示，銜鐵磁體組件處于上限位置，磁力線從磁體N極出來進入銜鐵1，再進入軛鐵1，沿著U形軛鐵的形狀進入線圈組件的內部，同步進入軛鐵2插入線圈組件內部部分，再進入銜鐵2，回到磁體S極，形成磁回路。

圖3 方案二工作示意圖

在圖6（a）所示外力P的作用下，驅動臂驅動磁體銜鐵組件擺動至下限位置，此時銜鐵與軛鐵的接觸位置及氣隙發生轉換，如圖6（b）所示，磁路分析方法與上限位置相同，不再重復，只不過通過線圈內部的磁力線方向相反，根據前述的假設，通過線圈的磁通量的變化量為1-（-1）=2，線圈中能產生較大的感應電動勢及電流。此后，圖6（b）所示狀態在反向外力的P的作用下，系統回到圖6（a）狀態，如此反復，不斷地為控制電路提供電能。

基于磁路優化的需要，我們采用了與方案二相同的方法，進行了磁路仿真研究，先進行樣品驗證，再開試驗模驗證。經過充分驗證，各項技術指標全面達標。

與方案一、二相比，本方案具有以下優勢：

1）X方向尺寸可較小符合三位蹺板要求，技術通用性強；

2）單磁體、單線圈結構，結構簡單成本低。

不過與方案二相比本方案不能用于4位蹺板開關，因4位蹺板開關的市場份額小，目前還沒有應用這類技術的4位蹺板開關，市場推廣風險較大，且本技術用于4位蹺板開關需4個發電模塊，沒有成本優勢，綜合考慮舍棄小份額市場是可以接受的。所以，我們采納方案三進行后續的新產品開發。

2 總結

由于方案一在X向尺寸較大，通用性較差，方案三相比沒用成本優勢，因此被淘汰；方案二的成本高，但其有結構緊湊，可用于“四開”蹺板開關的優勢，暫不產品化，可以做為技術儲備；方案三具有通用性強、成本低及性能可靠而被采用。