一種圓管型永磁直線電勢發生器的設計

豆素勤，趙金國，馮寶文，趙發明

(西京學院，西安 710123)

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一種圓管型永磁直線電勢發生器的設計

豆素勤，趙金國，馮寶文，趙發明

(西京學院，西安 710123)

通過分析直線直流電勢發生器的原理，利用汽車振動能量回收的減振器的內部空間，設計安裝了一種圓管型永磁直線電勢發生器裝置，直線電勢發生器電勢的產生來自于圓管型直線發電機。仿真分析表明該裝置為汽車新能源的發展提供了一個有效直流電源，解決了蓄電池延長續航能力的問題，同時制造出了樣機，在奇瑞轎車上安裝并滿足了使用要求。

圓管型永磁直線電勢發生器；電動汽車；自供電磁流

0 引 言

圓管型永磁直線電勢發生器是將直線運動的機械的振動能轉化為直流電能的裝置。該發生器采用永久磁鐵作為次級磁通源，通電初級線圈在氣隙磁場作用下產生電磁力，由次級做直線往復運動進行位移實現直線運動。該發生器動子運動行程可以通過改變圓管形永磁直線發電機的結構設計來進行調節，輸出力大小與方向都可以通過能動裝置的大小和方向來實現。由于其具有結構簡單、運行可靠、響應快、精度高等優點，可廣泛應用在機械工程需要直線驅動的領域。

根據圓管型永磁直線直流電勢發生器的原理[1]，為電動汽車減振器設計一個圓管型永磁直線發電機是可行的。通過仿真，得到了該裝置的參數和波形，驗證了該裝置在電動汽車領域的必要性。

1 基本結構和工作原理

1.1 圓管型永磁直線電勢發生器的基本結構

圓筒形永磁直線電勢發生器主要結構形式如圖1所示。

圖1 圓筒形永磁直線電勢發生器主要結構

圓筒形永磁直線電勢發生器[1]的特點是采用集中繞組(分布)、無刷式，結構簡單，體積小，重量輕。初級為靜止固定部分，初級繞組由兩個線圈組成，由線圈骨架支撐，并固定在機殼殼內圓上；次級為軸向移動(工作狀況一般為上下運動)，次級一側裝配有N極、S極的永久磁鐵。該直線電機裝在汽車底盤減振器內部，減振器連接于汽車懸架。

1.2 圓筒形永磁直線電勢發生器主要工作原理

圓筒形永磁直線電勢發生器工作原理，如圖2所示。

(a)外力向外(b)外力向內

圖2 圓筒形永磁直線電勢發生器工作原理

圖2中兩個線圈串聯連接，永久磁鐵N極、S極內部磁力線的方向為S極指向N極，永久磁鐵外部磁力線的方向為N極指向S極。當次級由外力(實質上是由車輛振動引起)使其軸向反復運動時，設次級如圖2(a)位置向右移動時，兩個串聯的線圈被磁力線切割感應電勢e，e=Blv，e的方向用右手定則判斷，即圖2(a)中左邊線圈，上邊導體電勢方向為流進，下邊導體電勢方向為流出。同理，圖2(a)中右邊線圈上邊導體電勢方向為流出，下邊導體電勢方向為流進。

設次級如圖2(b)位置向左移動時，兩個串聯的線圈被磁力線切割感應電勢e，e=Blv，e的方向用右手定則判斷，即圖2(b)中左邊線圈，上邊導體電勢方向為流出，下邊導體電勢方向為流進。同理，圖2(b)中右邊線圈上邊導體電勢方向為流進，下邊導體電勢方向為流出。

在圖2(a)和圖2(b)中，初級兩個線圈是串聯連接，所以兩個線圈的電勢對外輸出為兩倍的e。兩倍的e對于本項目設計值為8 V，運行時次級連續軸向反復運動，發出的8 V電勢大小和方向都在隨時間改變，即屬于交流電。車輛上一般裝有4個減振器，即4個永磁直線直流電勢發生器的輸出電勢均為32 V，再經過電力電子變換的逆變器將交流電變換為可以實用的直流電，以便給24 V的蓄電池充電。

2 設計內容

2.1 主要技術指標

圓筒形永磁直線電勢發生器主要技術指標：UN=24～28 V(車用)，PN=40～60 W，環境溫度-20～80 ℃，IN=2.5 A，無明顯的電磁噪聲。

2.2 圓筒形永磁直線電勢發生器主要尺寸的確定

將圓筒形永磁直線電勢發生器安置在特殊設計的減振器中，減振器具體結構如圖3所示?；钊捎貌牧吓铺枺簣A環形釹鐵硼，工作溫度：80 ℃；尺寸：外徑25 mm,內徑8.1 mm,厚度20 mm。

圖3 圓筒形永磁直線電勢發生器裝置具體結構示意

圓筒形永磁直線電勢發生器電磁繞組由線圈骨架、線圈、硅鋼片組合而成，如圖4所示。

圖4 圓筒形永磁直線電勢發生器電磁繞組示意圖

圓筒形永磁直線電勢發生器的結構和參數如表1所示。

表1 圓筒形永磁直線電勢發生器的結構和材料參數

2.3 能量回收

利用汽車減振器設計為可發電的圓筒形永磁直線電勢發生器裝置，其發電系統具有自動控制充電電流的功能，蓄電池充足電后即自動關閉。若將蓄電池正負線接錯或短路，能自動保護，安全可靠。發電機還能在蓄電池充電飽和狀態下，提供一維護性充電電流，這對于常用但要求能隨時啟用的蓄電池更為適合。當汽車在凹凸不平的惡劣路面上行駛，車輪劇烈地跳動，ECU電子控制器通過加速度傳感器和其他傳感器立即感知和控制電子開關切斷該減振器的功率輸出電路，輸入電路連接到定子線圈和定子線圈的輸入電流，發電減振器立即進入直線電機，電阻和在相反方向的阻尼力，緩解路面沖擊和振動[3]。所施加的電流輸入是更大的，所產生的定子線圈，電流控制的直線電機的相對方向的強磁場，和阻尼力更大的系統完全和駕駛加速度和顛簸的適應。這意味著各種道路條件下，選擇最佳的負載阻尼力，乘坐舒適性和運動的完美統一，振動阻尼器的振動性能和振動性能的完美統一[4]。

3 電勢發生器產生效能的分析

對本樣機進行實驗分析，樣機的次級激振桿質量分別為10 g，15 g，17.84 g，20 g和25 g，激振力幅值F=1 500 N時，通過壓力傳感器、電流表和電壓表，以及示波器，對電流、自供電磁流輸出電壓隨激振力頻率f的變化情況進行實測,如圖5所示。輸出電壓、電流隨壓力頻率的變化，如圖6所示。隨著激振桿質量的增大，電流、自供電磁流產生的輸出的電壓均減小。當自供電磁流一階固有頻率與激振力頻率一致時，自供電磁流處于諧振狀態，自供電磁流輸出電壓和電流達到最大，并且自供電磁流位移幅值、應變和應力也均達到最大，實測數據如表2所示。

圖5 樣機實驗分析實況圖

圖6 輸出電壓、電流隨壓力頻率的變化曲線擬合

表2 樣機實驗實測數據分析

對激振桿質量m=17.84 g，頻率f=1 650 Hz，作用力F=1 500 N時電流、自供電磁流電壓隨振動的變化情況進行分析。自供電磁流長度對輸出電流、電壓的影響曲線擬合，如圖7所示。當自供電磁流的振動位移達到最大時，其輸出電壓、電流也達到最大。可見，當自供電磁流長度正好滿足自供電磁流的諧振頻率方程時，自供電磁流處于諧振狀態。

圖7 自供電磁流長度對輸出電流、電壓的影響曲線擬合

4 結 語

本文利用汽車振動能量回收的自供電磁流的原理，對汽車減振器進行設計改造為可產生電能的裝置，如圖8所示。其電路控制系統具有自動控制充電電流的功能，蓄電池充足電后即自動關閉。通過樣機測試結果可知，能在蓄電池充電飽和狀態下，提供一維持性充電電流，這對于常用但要求能隨時啟用的蓄電池更為適合。當電動汽車在凹凸不平的路面上行駛，車輪劇烈跳動時對電能蓄電儲能效果更好，在一定程度上,提高了電動汽車電池壽命和應用程序的可行性。

圖8 樣機與電源

通過以上研究，該裝置在電動汽車技術發展領域可起到一定的技術推動作用。

[1] 陳隆昌，閻治安，劉新正.控制電機(第四版)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2013.

[2] 宋媛，王淑紅.圓筒形永磁動圈式直線電動機氣隙磁場和推力解析分析[J].微特電機,2011,39(5)：12-13.

[3] 黃克峰，李槐樹，周羽.軸向充磁圓筒型永磁直線電機磁場解析[J].哈爾濱工程大學學報,2013,34(7):883-887.

[4] 胡登科，徐衍亮.圓筒型橫向磁通永磁直線電機的研究[D].濟南：山東大學，2014.

Design of a Circular Tube Type Permanent Magnet Linear Potential Generator

DOUSu-qin,ZHAOJin-guo,FENGBao-wen,ZHAOFa-ming

(Xijing University, Xi'an 710123, China)

Through analyzing the principle of linear dc power generator, a pipe type permanent magnet linear potential generator unit was designed and installed, using the internal space of the shock absorber of automobile vibration energy recovery. Linear potential generator voltage generated from the circular tube type linear generator, the simulation analysis shows that the device provides an effective dc power supply for the new energy vehicles' development, solving the problem of the battery to extend battery life. A prototype was created, and was installed in a Chery car, satisfying the requirements in the use for cars.

circular tube type permanent magnet linear voltage generator； electric car； autonomous electromagnetic flow

2015-09-14

西京學院科研項目基金(XJ140114)

TM351;TM359.4

A

1004-7018(2016)08-0026-03

豆素勤(1982-)，女，碩士，講師，主要研究方向為汽車新技術。