基于磁性液體二階浮力原理的振動發電裝置

李成 鄧磊 祝林

【摘要】基于磁性液體二階浮力原理的振動發電裝置，是永磁體懸浮于磁性液體中構成的。在任意方向振動能的驅動下，懸浮于磁性液體中的永磁體會與容器外壁線圈產生相對運動，根據電磁式原理，永磁體的回復運動在線圈內感應出電動勢，進而形成感應電流，即可實現一個單元的發電。實驗結果可知，在振動能的驅動下，永磁體振動頻率為20Hz時，振幅為30mm，輸出電壓為2.7V，實現機械振動能轉化為電能。

【關鍵詞】磁性液體;二階浮力原理;電磁式;振動發電

1.引言

日常生活中，機械振動能量廣泛存在，這些能量只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，有的能量會對人們帶來危害，有的卻白白流失，人們常常忽略對其的利用價值，如果我們將這些能量合理的采集利用，在一定程度上既減少振動能量在生活中的影響，又創生新的可用資源[1]。隨著人們對能源、環保、健康等問題的關注與重視，研究一類清潔可靠廉價的發電裝置成為新的研究熱點。

國內外發電的主要方法有：風力發電、水力發電、火力發電、核能發電、太陽能發電。這些方法的發電量巨大，大約占據了全世界總發電量的95%以上。大規模的發電提供給生產上或家庭使用，相比較而言，振動發電機這類微小的“移動電源”任意性發電，實現無電池應用，外出攜帶便捷使用簡單，并且逐漸的無污染化，繼而滿足經濟、安全與環保性的發電和儲能等需求的微型振動式發電機[2]被提出，由于振動能量具有任意性的特性，為接收任意性特性的振動能，又不束縛于傳統的緊固連接部件設計，基于磁性液體二階浮力原理的振動發電技術被提出，實現發電體系三維空間的簡單懸浮運動，在有限承載范圍內，裝置可將接收的外界振動能轉化成電能的新型振動發電裝置。

2.振動發電裝置的結構設計與原理

一種基于磁性液體二階浮力原理的振動發電裝置，如圖1所示，在非導磁性耐沖擊材料構成的容器中，裝有高濃度、高穩定、低粘度（礦物油基）的磁性液體，液體中央有靜置懸浮的永磁體，永磁體被特定的減阻材料包覆。容器外壁放置維度線圈，線圈引線端與負載及指示燈連接成回路。該裝置接受外界的振動時會引起永磁體與外圍線圈的相對運動，但最終永磁體因在磁性液體中的不對稱性引起的壓力差而產生回復運動，從而產生感應電動勢，進而形成感應電流，即可實現一個發電單元的發電。線圈引線端口固定于容器外壁，該端口可檢測線圈的發電狀態。線圈內部添加鐵芯，鐵芯底端有霍爾元件，霍爾元件引線端口固定在容器外壁，該端口可檢測磁變化。

圖1 振動發電裝置示意圖

磁性液體是由強磁性納米顆粒、基液以及表面活性劑三者混合而成的一種穩定的膠狀溶液。該流體在靜態時無磁性吸引力，當外加磁場作用時才表現出磁性，它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性。磁性液體的二階浮力原理是由Rosensweig最先提出的[3.4]，是指磁性液體可以將浸在其中的比重比磁性液體大的永磁體懸浮起來，當有力的驅動時，永磁體在液體中隨牽引力自由運動，但最終永磁體因在磁性液體中的不對稱性引起的壓力差而產生回復運動，回到平衡位置，即回到液體中央。該振動發電裝置基于磁性液體二階浮力原理，利用簡單的懸浮特性，提供永磁體系運動的三維空間，在有限承載范圍內，裝置可接收來自任意方向的振動能。

當裝置接收到振動能量時，線圈與永磁體的相對運動，使線圈回路的磁通量發生變化，回路中有感應電動勢產生，進而形成感應電流，實現機械振動能轉化為電能，感應電動勢U的大小與通過該回路的磁通量隨時間的變化率?φ/?t成正比，根據法拉第電磁感應定律：

（1）

式中N為線圈匝數，S為線圈面積，B為磁感應強度，時間t。

線圈內部插入鐵芯，鐵芯有高導磁率，變化的磁感線依附鐵芯而行，形成“磁路”，穿過線圈磁通量φ的多少可以理解為磁感線條數的多少，在鐵芯下方放置的霍爾元件，可檢測磁變化，根據霍爾效應[5]，可得輸出霍爾電勢差EH，根據公式：

（2）

式中KH為霍爾元件靈敏度，I為電源電流，由公式可知輸出的霍爾電壓能時時反映線圈內磁感應強度B的變化。

進行振動測試時，調節振動源不同的振動頻率fs，使線圈與永磁體相對運動，獲得不同的輸出電壓U，其函數關系式記為：

（3）

永磁體在內部有限空間做往復回復運動，用霍爾測速原理標定永磁體運動情況，設永磁體的振動頻率為fc，在測試過程中，振動源頻率恒定時產生的振動能E恒定，發電裝置的質量m不變，振動能在傳遞過程中有能量損耗[6.7]，裝置僅接收到部分能量驅動發電體系振動，系統僅改變振動頻率fs時，能得到不同的永磁體振動頻率fc，其函數關系式記為：

（4）

式中α記為能量傳遞損耗因子，并且頻率限定也與裝置承受范圍有關，m質量，f頻率，x是裝置距振動源心得距離，表征振動能量在傳遞過程中的流失，裝置僅接收到部分能量驅動發電體系振動。

永磁體振動頻率fc，選取頻率周期性變化較為恒定的一段時間為?t，令T=?t，即可得永磁體運動周期T，則有：

（5）

由以上式子討論分析，線圈輸出電壓與永磁體的運動狀況有關，頻率fc越快，穿入線圈的磁通量隨時間的變化率?φ/?t越大，輸出電壓越大，則發電量越大。根據不同的調頻振動測試，找到有限承載范圍內的最大的輸出電壓Um。

3.調頻振動與電壓輸出

進行振動測試步驟框圖如圖2，所需以下實驗儀器：振動臺、數字示波器、直流電源、激光測頻顯示器。線圈匝數N=10000，線圈電阻R=1632?，線圈面積S=0.00707m2;接入負載電阻R=800?;激光測頻電路電壓U0=5v;霍爾元件型號AH3503，輸入霍爾元件電壓U1=5v;永磁體表磁為0.3T，邊長分別為5mm，9mm，15mm。

圖2 實驗測試框架圖

在不同的振動頻率下得到不同的電壓輸出特性曲線，如圖3所示，其中1為線圈輸出電壓隨時間的變化曲線U-t圖，2為霍爾電壓隨時間的變化曲線EH-t圖：

（a） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）

（c） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（d）

圖3 電壓輸出特性曲線

測試數據記錄于表1。

當永磁體呈周期性振動時，霍爾元件感應到的磁感應強度B呈周期性變化，霍爾電壓輸出量隨之變化;此時，穿過線圈的磁通量φ發生變化，感應電動勢也隨之也呈周期性變化，并且在該裝置中線圈面積S不變，變化量僅由磁感應強B度標定，設輸出電壓變化的頻率為fU，霍爾電壓變化的頻率為fH，這兩個頻率即為永磁體振動頻率fc。

振動能在傳遞過程中會有損耗，裝置僅接收到部分能量驅動發電體系振動，僅在該振動臺測試下，在振動頻率為23Hz時，由表1所列結果估算出α=1.3。

由理論計算可知，電磁感（下轉第118頁）（上接第115頁）應強度B隨時間的變化率越大，產生的感應電動勢越大，輸出電壓越高，即f∝dB/dt，f∝U，根據多次測試結果，測得振動源頻率15Hz時，線圈輸出電壓約為2.5V，逐次提高振動頻率至23Hz、29Hz時，電壓輸出均在2.7V范圍內浮動，因此在裝置有限承載范圍內共振頻率為23Hz。裝置在低頻20Hz時，即能接近共振，獲得最大輸出電壓。

4.結論

該振動發電裝置基于磁性液體二階浮力原理，利用簡單的懸浮特性，提供永磁體系運動的三維空間，在有限承載范圍內，裝置可接收來自任意方向的振動能，實現機械振動能轉化為電能，在電磁式發電領域內實現一種新型的構造技術。在裝置承載的有限范圍內，內部永磁體的振動頻率越快，穿入線圈的磁通量隨時間的變化率越大，對應的輸出電壓越大。該裝置設計為拾振結構，任意性發電，實現無電池應用，外出攜帶便捷、使用簡單，可為家庭式間歇使用的電子產品供電;裝置置于特定環境中能間接消除振動能，轉有害能量為可利用資源。

參考文獻

[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]劉路，解晶瑩.微能源[J].電源技術，2002，26（6）：470-474.

[3]Rosensweig R E.Buoyancy and stable levitation of a magnetic body immersed in a magnetizable fluid[J].Nature，1966，210（5036）：613-614.

[4]Rosensweig R E.Fluid magnetic buoyancy[J].AIAA Journal，1996，4（10）：1751-1758.

[5]劉戰存，鄭余梅.霍爾效應的發現[J].大學物理，2007，26（11）：51-55.

[6]邵毅敏，肖會芳.動力系統非連續單一疊加結構界面變形與能量損耗特性[J].振動與沖擊，2011，30（4）：217-222.

[7]王佩紅，趙小林.戴旭涵.基于MEMS技術的微型電磁式振動能量采集器的研究[D].上海交通大學，2010.