新型球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

鄭福祿， 崔素文， 陳東猛， 劉超卓

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院，山東青島266580;2.濱州學(xué)院化學(xué)與化工系，山東濱州256603)

0 引言

隨著社會(huì)的全面發(fā)展，特別是工業(yè)及交通業(yè)的迅猛發(fā)展，振動(dòng)這一現(xiàn)象變得越來(lái)越普遍。振動(dòng)作為一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)蘊(yùn)含著一定的能量，然而目前振動(dòng)機(jī)械能的利用率相對(duì)較低，通常被忽略，或被機(jī)械減震器和其他設(shè)備吸收［1］，造成能量的大量流失，如果將自然界中的振動(dòng)機(jī)械能貯存起來(lái)，那將是一個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)字。

鑒于振動(dòng)機(jī)械能難以直接利用，可先將其轉(zhuǎn)化為電能，然后再進(jìn)行使用。將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為電能的設(shè)備就叫做振動(dòng)發(fā)電機(jī)。振動(dòng)能量廣泛存在于汽車(chē)上，如:汽車(chē)懸架的振動(dòng)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及廢氣排放噪聲引起的振動(dòng)等，這些振動(dòng)機(jī)械能都可以作為振動(dòng)發(fā)電機(jī)的能量來(lái)源［2］。作為一種典型的能量采集技術(shù)，永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)利用電磁感應(yīng)原理可以把自然界中存在的大量機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，受到越來(lái)越多的重視［3］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的多所大學(xué)和機(jī)構(gòu)都在從事這方面的研究工作［4-15］。

本文設(shè)計(jì)了一種新型球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)，利用自然界中廣泛存在的振動(dòng)現(xiàn)象，使線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，切割磁感線，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成易被利用的電能。

1 理論依據(jù)

法拉第電磁感應(yīng)定律是該新型球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方法的理論來(lái)源。導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若導(dǎo)體可組成閉合回路，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的計(jì)算公式為

式中:B為磁場(chǎng)強(qiáng)度;l為切割磁感線的導(dǎo)體有效長(zhǎng)度;v是導(dǎo)體垂直于有效長(zhǎng)度方向的速度分量。

振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)的線圈在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該新型球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)的縱剖結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體上由定子和振子兩部分構(gòu)成。發(fā)電機(jī)的底座、儲(chǔ)能箱、外殼、外置磁體和限制缸組成定子部分;線圈、內(nèi)置球殼、滑竿、滑竿套筒、輕質(zhì)彈簧、內(nèi)置磁體和固定桿組成振子部分。

圖1 球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)縱剖圖

2.1 定子部分

定子部分起到固定、連接、支撐的作用。

底座呈圓盤(pán)狀，位于整個(gè)發(fā)電機(jī)的最底端，均勻分布有4個(gè)固定螺孔，固定螺栓可穿過(guò)固定螺孔將底座與振動(dòng)源連結(jié)，發(fā)電機(jī)整體固定在振動(dòng)源上。

儲(chǔ)能箱位于球殼與底座中間，呈圓盤(pán)狀，主體為蓄電池，還包括整流器、逆變器等部件。發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)整流器之后儲(chǔ)存在蓄電池中，蓄電池通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化成交流電，再通過(guò)2個(gè)電極為負(fù)載供電。

外殼固定于儲(chǔ)能箱之上，外置磁體附著在外殼內(nèi)側(cè)，與內(nèi)置磁體配合產(chǎn)生近似球形的磁場(chǎng)。外置磁體由兩塊完全相同的半球殼狀永磁體組合而成，內(nèi)側(cè)磁極相同，結(jié)合處留有一定空隙;內(nèi)置磁體由兩塊完全相同的半球形永磁體構(gòu)成，曲面?zhèn)仍谕?，磁極與外置磁體的內(nèi)測(cè)磁極相反，這樣便可在內(nèi)置磁體與外置磁體之間形成磁場(chǎng)。磁場(chǎng)或沿球體徑向向外發(fā)散或沿相反方向向內(nèi)匯聚，形狀近似為球形。

在磁體的上下、左右、前后6個(gè)頂端位置分布6個(gè)限制缸，用于限定滑竿套筒末端的運(yùn)動(dòng)范圍。

2.2 振子部分

振子部分在振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)在球形磁場(chǎng)中振動(dòng)，是振動(dòng)發(fā)電機(jī)的重要組成部分。

振子部分的6個(gè)滑竿套筒各由套筒和金屬桿兩部分構(gòu)成，金屬桿在外側(cè)，其末端處于磁鐵與內(nèi)置球殼所夾區(qū)域，可在定子部分的限制缸內(nèi)運(yùn)動(dòng);內(nèi)側(cè)為套筒，處在內(nèi)置球殼內(nèi)部，套筒一端封閉，與金屬桿焊接在一起，另一端半封閉。

滑竿的末端焊接有擋片，處在套筒內(nèi)，擋片直徑略小于套筒內(nèi)徑且大于套筒半封閉端開(kāi)口直徑，滑竿與套筒半封閉端套有一輕質(zhì)彈簧，這樣滑竿可依靠輕質(zhì)彈簧在套筒內(nèi)滑動(dòng)。3條滑竿通過(guò)兩條固定桿與內(nèi)置球殼固定在一起，固定桿與滑竿相交于內(nèi)置球殼球心位置。

線圈是振子部分的主要組成部分，它由3組不同方向的線圈構(gòu)成，分別是縱向線圈、橫向線圈和平向線圈，每組線圈都成半圓形，3組線圈分3層依次附著在內(nèi)置球殼外部;每個(gè)半圓形線圈的兩端都接在一接線點(diǎn)上，通過(guò)導(dǎo)線與儲(chǔ)能箱內(nèi)的整流器相連接，進(jìn)而與蓄電池相連接，將產(chǎn)生的電能輸送到蓄電池中貯存起來(lái)。

3 發(fā)電方法

新型球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)工作時(shí)需利用螺栓穿過(guò)底座上的4個(gè)固定螺孔將其與振動(dòng)源固定在一起，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，振動(dòng)發(fā)電機(jī)定子部分隨振動(dòng)源一起運(yùn)動(dòng)，定子部分的運(yùn)動(dòng)通過(guò)滑竿套筒和輕質(zhì)彈簧傳遞到振子部分。

球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中振子部分的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。以豎直方向上的運(yùn)動(dòng)為例，圖中a狀態(tài)為振動(dòng)發(fā)生前的平衡狀態(tài)，此時(shí)由于重力作用，上下2個(gè)輕質(zhì)彈簧都有一定程度的形變。若此時(shí)振動(dòng)發(fā)生，并首先向上運(yùn)動(dòng)，則下部滑竿套筒會(huì)減速向上運(yùn)動(dòng)，下部輕質(zhì)彈簧及其以上部分將加速向上運(yùn)動(dòng)，由于慣性，開(kāi)始時(shí)該部分的速度小于下部滑竿套筒的速度;下部輕質(zhì)彈簧被壓縮，當(dāng)兩者速度相等時(shí)，下部彈簧被壓縮的程度最大，即達(dá)到b狀態(tài)，此過(guò)程中，振子部分與定子部分產(chǎn)生較大的相對(duì)位移。下部滑竿套筒繼續(xù)減速，其上部分繼續(xù)加速，達(dá)到振動(dòng)的最高點(diǎn)，下部滑竿套筒的速度減為零，即c狀態(tài)。定子部分繼而向下運(yùn)動(dòng)，同樣因?yàn)閼T性，振子部分繼續(xù)向上做減速運(yùn)動(dòng)，上部輕質(zhì)彈簧被壓縮，向上速度減小為零時(shí)達(dá)到d狀態(tài)。振子部分轉(zhuǎn)而加速向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)平衡狀態(tài)e，然后減速向下運(yùn)動(dòng)，下部輕質(zhì)彈簧再次被壓縮，速度減小到零時(shí)達(dá)到狀態(tài)f。定子部分再次向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到平衡狀態(tài)a，完成一個(gè)周期的振動(dòng)，如此循環(huán)往復(fù)。

圖2 球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中振子部分運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

但是，由于輕質(zhì)彈簧的存在，振子部分的運(yùn)動(dòng)滯后于定子部分，在一個(gè)振動(dòng)周期中，兩者之間多次產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)振子部分附著在內(nèi)置球殼外部的3層半圓形線圈與由磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，半圓形線圈兩端的接線點(diǎn)通過(guò)整流器與蓄電池的輸入端相連接，將產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在蓄電池中。至此，完成振動(dòng)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。蓄電池的輸出端可與外電路相連，為外部負(fù)載供電。

4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

根據(jù)振動(dòng)方向不確定的特點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)直線式發(fā)電機(jī)圓柱形磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)理念，利用內(nèi)外置磁體產(chǎn)生近似球形的磁場(chǎng)，提高振動(dòng)和空間的利用率。

內(nèi)置球殼內(nèi)部滑竿、滑竿套筒與輕質(zhì)彈簧結(jié)構(gòu)將振子部分與定子部分連接在一起，利用振動(dòng)使線圈與磁場(chǎng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，外置磁體內(nèi)部附著6個(gè)均分布的限制缸，滑竿套筒的金屬桿末端可在整個(gè)限制缸限定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，拓寬了振子部分運(yùn)動(dòng)方向的范圍，也是對(duì)振動(dòng)的一種充分利用。

內(nèi)置球殼外部附著著3層不同繞向的半圓形線圈，以實(shí)現(xiàn)振子部分在較廣方向范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)都能切割磁感線的目標(biāo)。

以上所述為該永磁體外置式球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案的主要特點(diǎn)，這些設(shè)計(jì)特點(diǎn)都直接或間接地提高了該振動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型球形振動(dòng)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)理念及其發(fā)電方法，該振動(dòng)發(fā)電機(jī)將法拉第電磁感應(yīng)定律作為設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，附著有3層半圓形線圈的振子部分在由內(nèi)外置磁體產(chǎn)生的近似球形磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，線圈通過(guò)導(dǎo)線與整流器和蓄電池相連接，將由振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化而成的電能儲(chǔ)存在蓄電池中。

振動(dòng)發(fā)電機(jī)［16］的設(shè)計(jì)方案已申請(qǐng)專利，實(shí)用新型專利已獲授權(quán)，發(fā)明專利已進(jìn)入實(shí)質(zhì)審查階段，發(fā)展前景廣闊。

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