一種新型永磁直線振動發電機的設計與仿真研究*

鄒尊強, 王博文, 崔曉靜，管紅立

(河北工業大學 電氣工程學院電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室， 天津 300130)

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一種新型永磁直線振動發電機的設計與仿真研究*

鄒尊強, 王博文, 崔曉靜，管紅立

(河北工業大學 電氣工程學院電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室， 天津 300130)

設計了一種新型永磁直線振動發電機，減小了動子與定子間的磁力。利用有限元仿真軟件對所設計永磁直線振動發電機結構進行了優化。仿真結果證明：外殼采用導磁性能較好的硅鋼材料、永磁體選用釹鐵硼材料時，發電機輸出電動勢更高；隨著永磁體厚度的增加，動子與定子間距的減小，輸出電動勢有效值逐漸增大；隨著永磁體寬度的增加，輸出電動勢會出現一個極大值。最終確定外殼選用硅鋼材料，永磁體選用釹鐵硼材料，永磁體尺寸為100mm×26mm×5mm，動子與定子距離為4mm。在振動頻率為1Hz、振幅為30mm 的正弦位移激勵下，發電機的輸出電動勢有效值為4.1908V，可輸出最大功率為0.2152W。

永磁直線振動發電機； 有限元仿真； 結構優化

0 引 言

如今，氣候變化和CO2濃度的升高引起了全球的高度關注，從可再生能源中開發新能源成為研究的重要領域[1-2]。振動能作為新能源的研究熱點，具有獨特的優勢。振動能廣泛存在于自然環境中，有較高的功率密度且不受時間限制,利用振動發電裝置可把振動能轉化為電能[3-5]。小型振動發電裝置可應用在無線傳感器網絡、嵌入式系統等微電子設備中；大型振動發電裝置可應用在海洋發電中，利用波浪能發電[6-9]。

文獻[10]設計了一種E型電磁式振動發電機，制作了樣機并進行了試驗研究。該文獻對磁路進行了優化設計，減小了漏磁，提高了磁場的利用率。文獻[11]設計了一種應用于海洋中的大型振動發電機，優化了浮標尺寸和動子重量，在海洋中進行了試驗，得到較大的輸出電壓和輸出功率。文獻[12]設計了一種漂浮圓柱型直線振動發電機，振動發電機的主要部件都設計在一個箱子內部，解決了海水對振動發電機結構的腐蝕問題，并減小了振動發電機維修的難度。上述發電機存在一個共同問題是線圈纏繞在導磁性能良好的磁軛上，從而引起動子與定子之間的磁力過大。這種結構不但會影響發電機的壽命，而且也會限制發電機在相同振動源下的振幅，從而導致輸出電壓質量下降。目前，介紹能有效減小動子與定子間磁力的文獻較少，因此本文設計了一種新型的永磁直線振動發電機，解決了動子與定子磁力過大的問題。

設計的新型永磁直線振動發電機，線圈纏繞在非金屬材料上，減小動子與定子之間的磁力，此外，外殼材料選用硅鋼材料，減少漏磁，使通過線圈的磁通增加。通過仿真對振動發電機結構及永磁體尺寸進行優化，確定發電機的結構參數，以此收集更多的電能。此發電機可以應用于海洋或道路減速帶下方等存在低頻高振幅振動源的環境中。

1 工作原理與模型結構

新型振動發電機的結構示意圖如圖1所示。線圈作為動子的一部分，永磁體作為定子的一部分。當動子與定子產生相對運動時，穿過線圈中的磁通發生變化，根據法拉第電磁感應定律可知，線圈兩端產生電動勢，包括感生電動勢與動生電動勢。由線圈磁通密度變化引起的稱為感生電動勢，用Ein表示；由線圈和磁場間相對位移引起的稱為動生電動勢，用Emo表示。那么任一匝線圈的感應電動勢的表達式如下：

(1)

圖1 新型振動發電機的結構簡圖

式中：B——線圈所在位置的磁場，由永磁體產生；

v——線圈相對永磁體運動的速度矢量；

S——線圈包圍的面積矢量；

l——線圈的閉合回路矢量，這里l的方向與B的方向都符合右手螺旋定則。

線圈處的磁感應強度可分解為B=Bxex+Byey+Bzez,其中Bx為線圈磁通密度的x軸向分量，By為y軸向分量，Bz為z軸向分量，ex為x軸向的單位矢量，ey為y軸向的單位矢量，ez為z軸向的單位矢量。動子上下往復運動，即沿z軸方向運動。將式(1)進行矢量運算得

(2)

v——運動永磁體在z軸方向的速度；

S——線圈回路面積。

2 有限元仿真

利用有限元分析軟件，對新型直線振動發電機進行三維建模。設定線圈的尺寸如圖2所示。發電機共有2個線圈，串聯在一起，每個線圈500匝，內阻為10.2Ω。一般海洋波浪頻率較低，振幅較高，所以仿真中給予動子頻率1Hz、振幅30mm的正弦激勵源，即z=0.03sin(6.28t)m[13]。下面分析振動發電機外殼材料、永磁體材料、永磁體尺寸以及動子與定子間距對輸出感應電動勢的影響。

圖2 線圈尺寸

2.1 振動發電機外殼的確定

對兩種外殼材料的振動發電機進行仿真，得到仿真電動勢波形如圖4所示。計算得，當外殼材料為非導磁材料時，振動發電機輸出電動勢的峰峰值為7.3476V，有效值為2.3325V；當外殼材料為導磁材料時，振動發電機輸出電動勢的峰峰值為12.8019V，有效值為4.0739V。由此可得，導磁外殼比非導磁外殼的輸出電動勢峰峰值提高了74%；有效值提高75%。所以本文設計的振動發電機選用導磁性良好的硅鋼材料，提高磁場利用率，獲得更大的輸出電動勢。

2.2 永磁體材料的確定

永磁體是振動發電機的重要組成部分，材料的選擇直接影響發電機的性能。針對鋁鎳鈷(Alnico)永磁體、釤鈷(Smco)永磁體和釹鐵硼(NdFeB)永磁體進行了仿真，其輸出電壓波形分別如圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)所示。由圖5可知，三種波形規律一致，均類似正弦波，計算得三種材料對應輸出電動勢峰峰值分別為3.0421V、11.6873V和12.8019V;有效值分別為0.9592V、3.7224V和4.0739V。由此可得，當永磁材料為釹鐵硼材料時可得到更高的電壓峰峰值和有效值，所以本文選擇汝鐵硼材料作為振動發電機的永磁體材料。

圖3 發電機電磁結構磁力線分布圖

圖5 不同永磁體材料下輸出電動勢的波形

2.3 永磁鐵厚度的確定

在永磁體長100mm、寬30mm、動子和定子間距4mm的條件下，改變永磁體的厚度，分別對發電機進行仿真，得到不同厚度下的輸出電動勢波形，計算對應電動勢的峰峰值和有效值。圖6統計了永磁體厚度在3～9mm下輸出電動勢的峰峰值與有效值。由圖6可以看出，輸出電動勢的峰峰值與有效值隨著永磁體厚度的增加而增大，但是電動勢在厚度為5～9mm之間的增長速度小于在3～5mm之間的增長速度。所以，在確定振動發電機永磁體的厚度時，在樣機整體體積允許的情況下，應盡可能增加永磁體的厚度。本文設計所選取永磁體的厚度為5mm。

圖6 永磁體厚度與輸出電動勢的關系

2.4 永磁體寬度的確定

在永磁體長100mm、厚5mm、動子和定子間距4mm的條件下，改變永磁體的寬度，分別對發電機進行仿真。圖7統計了永磁體寬度在15～50mm下輸出電動勢的峰峰值和有效值。由圖7可看出，寬度在15～26mm范圍內變化時，輸出電動勢的

圖7 永磁體寬度與輸出電動勢的關系

峰峰值與有效值隨著永磁體寬度的增加而增大；在26～50mm范圍內變化時，輸出電動勢的峰峰值與有效值隨著永磁體寬度的增加而減小；當永磁體寬度為26mm時，輸出電動勢的峰峰值與有效值達到最大。由此可得，對于一個長度和厚度確定的永磁體，有一個最優寬度對應著最大的輸出電動勢。所以，本文設計所選取永磁體的寬度為26mm。

2.5 永磁體與線圈間距的確定

在永磁體長100mm、寬30mm、厚5mm的條件下，改變動子與定子的距離，分別對發電機進行仿真。圖8統計了動子與定子距離在1～7mm下輸出電動勢的峰峰值和有效值。由圖8可得，輸出電動勢的峰峰值和有效值隨著距離的增大而減小，并且隨著距離的增加，電動勢減小的速率越來越小。所以，在確定振動發電機動子與定子距離時，在樣機整體體積允許的情況下，應盡可能減小動子與定子間的距離。本文設計所選取動子與定子距離為4mm。

圖8 動子和定子距離與輸出電動勢的關系

3 結構的確定及其輸出特性

根據上述仿真，為使圖1結構的振動發電機具有較高的輸出電動勢，所設計振動發電機的外殼選用硅鋼材料，永磁體選用釹鐵硼材料，永磁體尺寸確定為100mm×26mm×5mm，動子與定子距離確定為4mm。樣機模型如圖9所示。

圖9 樣機模型

考察一個發電機的性能，一定要看其外特性，包括輸出電動勢和輸出功率。輸出電動勢的表達式為式(2)，輸出功率可表達為

(3)

式中：E——振動發電機的輸出電動勢；

R——外接負載；

r——發電機的內阻。

仿真得振動發電機的輸出電動勢波形如圖10所示。計算得，輸出電動勢的峰峰值為13.9739V，有效值為4.1908V。由式(3)得輸出功率與外接負載的關系如圖11所示。由圖11可看出，當外接負載小于內阻時，輸出功率隨外接負載增大而減小；當外接負載大于內阻時，輸出功率隨外接負載增大而減小。當外接負載等于電機內阻時，振動發電機的輸出功率達到最大，最大可輸出功率為0.2152W。

圖10 輸出電動勢的仿真波形

圖11 輸出功率與外接負載的關系

4 結 語

本文設計了一種新型永磁振動發電機，該發電機的優點是減小了動子與定子之間的磁力，在相同外界振動條件下，該發電機振幅更大，輸出電動勢更高。利用有限元軟件仿真確定了發電機外殼的材料，永磁體的材料及尺寸。通過仿真證明：外殼采用導磁性能較好的硅鋼材料時，發電機能夠高效聚集磁場，減少了漏磁，提高了磁場的利用率；永磁體材料選用釹鐵硼材料時，發電機輸出電動勢更高；隨著永磁體厚度的增加，動子與定子間距的減小，輸出電動勢逐漸增大，但是受振動發電機體積及重量的限制，要合理選取永磁體的厚度及動子與定子的間距；隨著永磁體寬度的增加，輸出電動勢增大到最大值，然后逐漸減小。

振動發電機結構優化后，確定外殼選用硅鋼材料，永磁體選用釹鐵硼材料，永磁體尺寸為100mm×26mm×5mm，動子與定子距離為4mm。在振動頻率為1Hz、振幅為30mm的正弦位移激勵下，發電機的輸出電動勢有效值為4.1908V，可輸出最大功率為0.2152W。該新型永磁振動發電機可應用在海洋振動發電工程中，為海洋振動發電機的進一步探索奠定了基礎。

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Design and Simulation of a New Type of Permanent Magnet Linear Vibration Generator*

ZOUZunqiang,WANGBowen,CUIXiaojing，GUANHongli

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology， Tianjin 300130, China)

A new type of permanent magnet linear vibration generator was designed,so the magnetic force between the mover and the stator was reduced. By using the finite element simulation software, the structure of the designed vibration generator was optimized. Simulation results proved that：the output voltage increased when the shell adopts the silicon steel material and the permanent magnet used the NdFeB material; with the increase of thickness of the permanent magnet and the decrease of the distance between the mover and stator, the output voltage increased gradually, and that during the increase of the width of the permanent magnet, the output voltage would have a maximum. Finally, the shell chosed silicon steel materials,the permanent magnet chosed NdFeB materials, the permanent magnet size was 100mm×26mm×5mm, and the distance between the mover and stator was 4mm. When the vibration frequency was 1Hz and the amplitude was 30mm, the effective value of output voltage was 4.1908V, and the maximum output power was 0.2152W.

permanent magnet linear vibration generator; finite element simulation; structure optimization

國家自然科學基金項目(51171057)；河北省高等學校創新團隊領軍人才培養計劃(LJRC003)

鄒尊強(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為振動發電技術。 王博文(1956—)，男，博士研究生，教授，博士生導師，研究方向為磁性材料與智能器件。

TM 31

A

1673-6540(2016)11- 0074- 06

2016-06-12