电磁式振动发电机结构设计及谐振频率分析

张露予，李志鹏，王博文，王志华，李雨婷

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

电磁式振动发电机结构设计及谐振频率分析

张露予，李志鹏，王博文，王志华，李雨婷

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

设计了一种新型振动发电机结构．对振动发电机结构进行了数值仿真、谐振频率分析，并运用有限元方法分析了E型磁轭三维磁场分布、磁路结构优化及振动发电机输出电压波形．通过优化设计使振动发电机在低频振动环境条件下的能量获取能力显著提高．理论与实验表明振动发电机在频率为10Hz，振幅为10mm时，输出开路电压有效值为5.5 V．

电磁式；振动；发电机；谐振频率

机械振动是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源[1]．无线传感器网络、嵌入式传感器系统等迅速发展，对电源提出微型化、长寿命等要求．振动能是环境中最普遍存在的能量，将机械振动能转换为电能的微型振动发电机已引起人们广泛关注[2]．考虑到为传感器供电的电池寿命有限和废弃电池对环境的影响，研究人员一直致力于用其他形式电源代替电池的研究工作，如太阳能、风能、振动能量等[3]．振动能量源的普遍性并且不受时间限制，所以振动能量转换装置成为现在电源研究的一大热点[4]．为了有效利用这种能量，一种异于传统旋转电机的小型低频直线电机越来越倍受青睐[5]．1995年英国设菲尔德大学的Williams课题组发表了第一篇关于电磁式微型振动发电机的论文，此后世界上许多研究机构都在致力于该方面的研究．目前，对永磁直线振动发电机的应用，小到便携式发电装置，大到利用海洋波发电[6]，并将其直接并入电网，以及植入汽车减震器[7-9]，通过吸收减震器内的振动能量，将其转换成电能，应用领域与应用范围十分广泛．

本文对一种新型电磁式振动发电机结构进行有限元仿真，并进行谐振频率分析．该振动发电机结构特点是形成闭合磁路，使漏磁通显著减少，运用直线轴承对永磁体与磁轭进行限位，降低了磁力作用对发电机振动所造成的影响．根据需要，改变磁轭间距，使输出电压达到不同效果．

1 振动发电机结构设计及输出电动势优化

本文所研究的振动发电机的振源为自然界及现实生活中普遍存在的振动能量，特别针对在低频振动情况下，提出了一种新型电磁式振动发电机结构．振动发电机磁轭结构为E型结构，磁轭结构及绕线方式如图1所示．图中A、B端为输出电压端口，连接示波器可以检测出发电机输出电压．采用如图所示的绕线方式是使各个线圈独立串联联接，可提高输出电压．在条件允许的情况下，可以增加发电机的磁极对数以及磁轭的纵向高度来获得更高的能量输出．图1中：L为磁轭高度；D为磁轭间距；h为磁轭前端面高度；d为磁轭宽度．此4项参数为磁轭设计的重要参数．

发电机磁轭部分采用DW 465-50型硅钢片叠压而成，根据实际物理环境确定发电机磁轭高度L，设计过程中充分考虑了磁场的最大利用率，使磁轭中磁感应强度最大值小于硅钢片的饱和磁感应强度，据此确定d和h．硅钢片的BH曲线如图2所示，磁轭中磁感应强度分布如图3所示．

根据实际加载力的大小确定磁轭间距D，运用有限元软件对振动发电机结构进行优化，优化前振动发电机磁轭结构尺寸如表1所示．由于磁轭部分结构对称，因此选取发电机左侧磁轭A线圈进行仿真研究．A线圈由上、下两部分线圈串联联接，上、下线圈输出感应电动势分别如图4和图5所示．

从图中可知在发电机运行过程中，上、下线圈输出感应电动势变化两次，原因是磁轭前端面尺寸h过小，使发电机在上升或下降过程中磁轭中磁感应强度B变化两次．对端面尺寸h进行优化，结果如表2所示，发电机输出感应电动势如图6所示．

为避免发电机其余部分铁磁物质对磁路造成影响，本结构选用圆柱形奥氏不锈钢（非导磁材料）作为发电机振动轴．振动轴中部凹陷，三块圆柱形永磁体异相排列，分别嵌镶在圆柱形振动轴凹陷部分中．振动轴末端开有方槽并放置平键，防止发电机在振动过程中，振动轴发生偏转．

永磁与磁轭之间存在较强吸引力，在发电机运行过程中由于引力的作用，振子会发生偏转，因此运用分布在两端的圆法兰直线轴承对振动轴进行限位，将永磁与磁轭之间的引力转化为振动轴与轴承之间的滚动摩擦力，大幅度削减磁力作用对发电机振动的影响．

2 发电机谐振频率分析

振动发电机的谐振频率特性对发电机正常工作有重要影响．发电机在谐振状态下机械阻尼最小，输出功率最高．由于磁轭内部磁场强度很小，故存储在磁轭部分的磁场能量远小于存储在空气隙中的部分，因而前者可忽略不计，气隙磁场的总能量为[10]

式中：V为场域的体积；B为磁感应强度；H为磁场强度；S为磁轭表面积；L为气隙长度；uc为真空中磁导率．

图1 永磁发电机磁轭基本结构Fig.1 Basic structureof yoke of the PM generator

图2 磁轭BH曲线Fig.2 BH curveof the yoke

图3 磁轭中磁感应强度分布Fig.3 Distribution diagram ofmagnetic flux density of yoke

表1 磁轭初始结构参数Tab.1 Initial structure parametersof the yoke

表2 磁轭最终结构参数Tab.2 Finalstructure parametersof the yoke

图4 上线圈感应电动势Fig.4 EMF of the upper coilof yoke

图5 下线圈感应电动势Fig.5 EMF of the lower coilof yoke

图6 发电机输出感应电动势Fig.6 EMF curveafter cascadeof coil

虚功力法公式推导相对复杂，但不存在积分路径问题，受剖分单元类型、剖分精度的影响不大．根据虚功力法，当发电机振动时，其受力分析如下

由于发电机结构对称，x、y方向的虚功力相互抵消，受电磁合力的方向为z方向，方程（2）可表示为

图7 发电机z方向受力分析图Fig.7 Forceanalysis of the generator yokeacross z direction

由式(3)计算得到发电机延z方向所受电磁力分析结果如图7所示．

由图7可知在振幅为10mm到10 mm范围内，振子受力与位移呈线性分布，根据式F=kx可以确定所需弹簧的刚度为10N/mm，计算弹簧的固有频率为其中m为振子质量．因此可计算出系统的固有频率为11.25Hz．当外界振动与弹簧的固有频率一致时，系统有最大能量输出．

3 测试结果与分析

图8 振动频率为10Hz时输出电压波形Fig.8 Outputvoltageat the frequency 10 Hz acrossz direction

根据理论计算与仿真结果制作了样机．实验中，将振动发电机置于地板下方，在行人通过的振动条件下，发电机输出电动势波形如图8所示，其中，地板的最大振幅为10mm．图8中，输出电动势的有效值达5.5V，发电机的振子运动到最大位移处时将会换向及运动到顶点位置时速度变为零，这时波形发生明显的转折．

4 结论

本文介绍了一种新型振动发电机，并进行了相关谐振频率计算．通过优化设计，磁场利用率达90.33%，漏磁通显著减少．实际应用中可根据施加压振动应力的方向确定发电机的摆放位置．通过优化设计使振动发电机在低频振动环境条件下的能量获取能力显著提高，理论与实验表明振动发电机在频率为10Hz，振幅为10mm时，输出开路电压有效值为5.5V．

[1]杨燕花，杨嘉祥，马凤莲．直线式振动能/电能转换器的结构优化[J]．微特电机．2011（2）：33-36．

[2]于慧慧，温志渝，温中泉．宽频带微型压电式振动发电机的设计[J]．传感器技术学报，2010，23（5）：643-646．

[3]杨晓光，汪友华，张波．一种新型振动发电装置及其建模与实验研究[J]．电工技术学报，2013，28（1）：113-118．

[4]王佩红，戴旭涵，赵小林．微型电磁式振动能量采集器的研究进展[J]．振动与冲击，2007，26（9）：94-98．

[5]OhashiS，M atsuzuk a T．Basic characteristicsof the linearsynchro-nousgeneratorusingmechanicalvibration[J]．IEEETransactionsOnM agnetics，2005，41（10）：3829-3831．[6]Wang Peihong，DaiXuhan，Fang Dongm ing．Design,fabrication and performanceofanew vibration-based electromagneticmicro powergenerator [J]．Microelectronics journal2007，38：1175-1180．

[7]JiabinWang，WeiyaWang，KaisAtallah．A Linear permanent-magnetmotor foractivevehicle suspension[J]．IEEE transactionson vehicular technology，2011，60（1）：55-62．

[8]IsmenioM artins，Jorge Esteves，GilD Marques．Permanent-magnets linearactuatorsapplicabilityin automobileactive suspensions IEEE transactionson vehicular technology，2006，55（1）：86-94．

[9]Bart L J，Gysen，Johannes JH，etal．Active electrom agnetic suspension system for improved vehicle dynamic[J]．IEEE transactionson vehicular technology，2010，59（3）：1156-1163．

[10]戴魏，余海涛，胡敏强．基于虚功法的直线同步电机电磁力计算[J]．中国电机工程学报，2006，26（22）：110-114．

[责任编辑 代俊秋]

Design of electromagnetic vibration-powered generatorand its resonant frequency analysis

ZHANG Lu-yu，LI Zhi-peng，WANG Bo-wen，WANG Zhi-hua，LI Yu-ting

（Province-M inistry JointKey Laboratory of Electromagnetic Field and ElectricalApparatusReliability，HebeiUniversity of Technology, Tianjin 300130，China）

A new typeof structureofelectromagnetic vibration-powered generator is proposed according to thevibration power．Themagnetic field distribution of the yoke and the optimaldesign of themagnetic circuit for thegeneratorare simulatedby using themethod of finiteelementanalysis．Ithasbeen found thattheability ofenergy harvestinggenerator is significantly im proved under the condition of low-frequency vibration．The open circuitRM Svoltage is5．5V w ith the vibration frequency of10 Hz and the amplitude of10mm．

electromagnetic type；vibration；powered generator；resonant frequency

TP391.41

A

1007-2373(2014)01-0001-04

2013-02-17

国家自然科学基金（51171057,51107030）

张露予（1989-），女（汉族），博士生．通讯作者：王博文（1956-），男（汉族），教授，博士生导师．