基于音圈電機的電磁式振動發電電池

代平均 徐英杰 尹振斌 邰源政 彭兵

（沈陽工業大學電氣工程學院 遼寧省沈陽市 110870）

1 背景

隨著生活水平的不斷提高，家用電器的使用變得越來越普遍，與此同時，越來越多的電器朝著智能化、便利化的方向發展。“遙控”便是便利化的一項重要體現。遙控是指通信媒體對遠距離被控對象進行控制的技術，在實現遙控的過程中，需要有小功率供電電源提供電能，這就產生了對普通干電池的大量需求。而普通干電池存在使用壽命短，更換頻繁以及浪費資源等缺點，此外，普通干電池內含有鉛、汞等重金屬，會對人類賴以生存的生態環境造成污染。因此，研究一種長壽命、無污染、材料低消耗的應用于遙控器、無線鼠標等低功耗電子產品的新型微型電源具有非常重要的意義。

2 微型振動發電技術的發展

振動發電技術是一種基于法拉第電磁感應定律，通過吸收機械能，從而獲得電能的一種有效途徑。

荷蘭一家夜總會利用彈簧地板收集人們舞動時的能量并且將其轉化為電能供應照明，這是振動發電的一個經典案例，此外，英國南安普頓大學的一個研究小組還開發出了如同方糖大小的振動發電機，并且試圖將其用于工業領域的傳感器上，他們甚至還計劃將這種發電機進一步微型化之后植入人體，為那些需要長時間供電的醫療設備提供電力。由此可見，振動發電技術已在很多領域有取得了一定的成就。

文獻[1]研究了偏心輪組結構的振動發電電池，但存在結構復雜，能量轉化效率低等不足。文獻[2]研究了基于電磁感應原理磁路開放的振動發電電池，但存在磁場利用率低、裝置體積、重量大的缺陷。文獻[3]研究了基于磁懸浮原理的振動發電電池，但存在運動幅度小，能量損耗大的缺點。本文擬研究一種磁場集中，能量轉化效率高，體積小，重量輕以及結構較簡單的電磁式振動發電電池。

3 電磁式振動發電電池原理

本電池[2]由機電轉換單元、電能轉換單元、電能儲存單元三部分組成。機電轉換由音圈電機執行，電能變換通過電子器件將交流電變換成直流電，超級電容實現電能的儲存。振動發電電池的系統原理框圖如圖1所示。

3.1 音圈電機原理與設計

3.1.1 音圈電機結構

音圈電機[4]是把機械能轉換為電能的關鍵設備。音圈電機主要由鐵磁材料外殼，釹鐵硼磁瓦兩部分組成，如圖2所示。其中，磁瓦的N 極朝向圓心，N 極發出的磁力線將會經過氣隙、鐵磁材料柱心、外殼底部以及外殼壁，最后回到磁瓦S 極，這樣，就在氣隙中形成了輻射狀磁場。

3.1.2 機械能與電能的轉換

在塑料空心圓筒上，沿同一方向進行繞制漆包線，即可得到所需要的線圈[3]。對于線圈銅絲線徑的選擇，綜合考慮氣隙寬度、銅絲電阻以及線圈體積等因素，當銅絲直徑為0.35mm 時，較為合適，過大的直徑將會引起有限體積內線圈數量減少，過小的直徑會引起線圈電阻的迅速增大。當運動機構如圖3所示作直線運動時，線圈兩端將會產生感應電動勢。

當運動機構往復運動時，由于線圈相對運動方向的不斷改變，在電路閉合時，線圈中將出現交變電流。

假定圖3中運動機構向左運動時，線圈中產生了圖4綠色剪頭所示方向（逆時針方向）的電流，則在后半個周期，即運動機構向右運動時，線圈中電流方向將變為順時針方向，最終，運動機構不斷往復運動，線圈中電流方向也就不斷變化，向外輸出交變電流。

3.2 電能變換與儲存電路

3.2.1 電能變換電路[5]

由于磁場強度以及線圈匝數的限制，線圈兩端電動勢不可能很大，要想達到遙控器的額定電壓，需要經過處理電路，處理電路主要是實現整流和倍壓兩個任務，交變的電動勢通過整流倍壓電路，將得到電壓增大的直流量，將直流電量儲存在超級電容中，即可給用電器供電，處理電路原理圖如圖5所示。

3.2.2 超級電容（電能儲存）

電能的儲存選用了超級電容，超級電容器是通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種。比較適合振動電池的工作特點。

4 樣機、測試結果與分析

本文樣機如圖6所示，樣機的直徑40mm，高度130mm。

4.1 氣隙磁場分布

利用霍爾元件的霍爾效應，對氣隙磁場進行測量，得到如圖7所示的結果，從圖中我們可以看到：沿軸向，在氣隙內部，磁場基本均勻，在槽口和槽底處，磁場強度有明顯的下降，這是因為空氣隙磁阻較大以及鐵磁材料磁阻很小造成的。

4.2 處理后電壓波形

整流電路的作用結果是將交流量轉化為直流量，處理結果如圖8所示。經倍壓電路與整流電路共同作用，輸出電壓幅值可達4V左右。

4.3 充電時間

超級電容的應用主要分為高功率脈沖應用和瞬時功率保持，在遙控器供電系統屬于超級電容的瞬時功率保持應用，由公式[5]

其中，Uwork為電路的起始工作電壓，約為5.0V；

Umin為器件工作的最小電壓，約為2.8V；I 為負載電流，該電流是一個脈沖電流，平均值約為100mA；t 為電路中要求的保持時間或脈沖應用中的脈沖持續時間，約為1s。

由此可見，超級電容選用容量0.5F 即可。

經過多次試驗，多次充放電，在距離上次充電時間足夠長的情況下（24h 左右），以2Hz 頻率，中等強度搖動，約7s 即可滿足一般空調遙控器用電一次。

5 應用與推廣

根據振動發電電池的特點，可以將其推廣為：一種振動強度檢測裝置。將音圈電機做成振動探頭，在不同的振動強度下，音圈電機產生的電動勢不同。用單片機對音圈電機輸出電動勢大小進行檢測及判斷，隨振動強度增大，用指示燈表示不同的振動強度。

根據待檢測設備振動強度的差異以及振動強弱的界定，可以通過更換振動探頭以及調節電壓區間來適配不同的設備。

6 結論

經過較短時間的手搖，振動發電電池實現對超級電容的充能，經過多次試驗，多次充放電，在距離上次充電時間足夠長的情況下（24h 左右），以2Hz 頻率，中等強度搖動，約7s 即可滿足一般空調遙控器用電一次，達到了預期目標。此外，電磁式振動發電電池可以做的推廣有：振動強度檢測，高振動強度機械設備減震以及機械設備自發電等，有較為廣闊的應用前景。