基于磁性液體二階浮力原理的振動發(fā)電裝置

李成 鄧磊 祝林

【摘要】基于磁性液體二階浮力原理的振動發(fā)電裝置，是永磁體懸浮于磁性液體中構(gòu)成的。在任意方向振動能的驅(qū)動下，懸浮于磁性液體中的永磁體會與容器外壁線圈產(chǎn)生相對運動，根據(jù)電磁式原理，永磁體的回復(fù)運動在線圈內(nèi)感應(yīng)出電動勢，進而形成感應(yīng)電流，即可實現(xiàn)一個單元的發(fā)電。實驗結(jié)果可知，在振動能的驅(qū)動下，永磁體振動頻率為20Hz時，振幅為30mm，輸出電壓為2.7V，實現(xiàn)機械振動能轉(zhuǎn)化為電能。

【關(guān)鍵詞】磁性液體;二階浮力原理;電磁式;振動發(fā)電

1.引言

日常生活中，機械振動能量廣泛存在，這些能量只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，有的能量會對人們帶來危害，有的卻白白流失，人們常常忽略對其的利用價值，如果我們將這些能量合理的采集利用，在一定程度上既減少振動能量在生活中的影響，又創(chuàng)生新的可用資源[1]。隨著人們對能源、環(huán)保、健康等問題的關(guān)注與重視，研究一類清潔可靠廉價的發(fā)電裝置成為新的研究熱點。

國內(nèi)外發(fā)電的主要方法有：風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能發(fā)電。這些方法的發(fā)電量巨大，大約占據(jù)了全世界總發(fā)電量的95%以上。大規(guī)模的發(fā)電提供給生產(chǎn)上或家庭使用，相比較而言，振動發(fā)電機這類微小的“移動電源”任意性發(fā)電，實現(xiàn)無電池應(yīng)用，外出攜帶便捷使用簡單，并且逐漸的無污染化，繼而滿足經(jīng)濟、安全與環(huán)保性的發(fā)電和儲能等需求的微型振動式發(fā)電機[2]被提出，由于振動能量具有任意性的特性，為接收任意性特性的振動能，又不束縛于傳統(tǒng)的緊固連接部件設(shè)計，基于磁性液體二階浮力原理的振動發(fā)電技術(shù)被提出，實現(xiàn)發(fā)電體系三維空間的簡單懸浮運動，在有限承載范圍內(nèi)，裝置可將接收的外界振動能轉(zhuǎn)化成電能的新型振動發(fā)電裝置。

2.振動發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理

一種基于磁性液體二階浮力原理的振動發(fā)電裝置，如圖1所示，在非導(dǎo)磁性耐沖擊材料構(gòu)成的容器中，裝有高濃度、高穩(wěn)定、低粘度（礦物油基）的磁性液體，液體中央有靜置懸浮的永磁體，永磁體被特定的減阻材料包覆。容器外壁放置維度線圈，線圈引線端與負載及指示燈連接成回路。該裝置接受外界的振動時會引起永磁體與外圍線圈的相對運動，但最終永磁體因在磁性液體中的不對稱性引起的壓力差而產(chǎn)生回復(fù)運動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進而形成感應(yīng)電流，即可實現(xiàn)一個發(fā)電單元的發(fā)電。線圈引線端口固定于容器外壁，該端口可檢測線圈的發(fā)電狀態(tài)。線圈內(nèi)部添加鐵芯，鐵芯底端有霍爾元件，霍爾元件引線端口固定在容器外壁，該端口可檢測磁變化。

圖1 振動發(fā)電裝置示意圖

磁性液體是由強磁性納米顆粒、基液以及表面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀溶液。該流體在靜態(tài)時無磁性吸引力，當外加磁場作用時才表現(xiàn)出磁性，它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性。磁性液體的二階浮力原理是由Rosensweig最先提出的[3.4]，是指磁性液體可以將浸在其中的比重比磁性液體大的永磁體懸浮起來，當有力的驅(qū)動時，永磁體在液體中隨牽引力自由運動，但最終永磁體因在磁性液體中的不對稱性引起的壓力差而產(chǎn)生回復(fù)運動，回到平衡位置，即回到液體中央。該振動發(fā)電裝置基于磁性液體二階浮力原理，利用簡單的懸浮特性，提供永磁體系運動的三維空間，在有限承載范圍內(nèi)，裝置可接收來自任意方向的振動能。

當裝置接收到振動能量時，線圈與永磁體的相對運動，使線圈回路的磁通量發(fā)生變化，回路中有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，進而形成感應(yīng)電流，實現(xiàn)機械振動能轉(zhuǎn)化為電能，感應(yīng)電動勢U的大小與通過該回路的磁通量隨時間的變化率?φ/?t成正比，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：

（1）

式中N為線圈匝數(shù)，S為線圈面積，B為磁感應(yīng)強度，時間t。

線圈內(nèi)部插入鐵芯，鐵芯有高導(dǎo)磁率，變化的磁感線依附鐵芯而行，形成“磁路”，穿過線圈磁通量φ的多少可以理解為磁感線條數(shù)的多少，在鐵芯下方放置的霍爾元件，可檢測磁變化，根據(jù)霍爾效應(yīng)[5]，可得輸出霍爾電勢差EH，根據(jù)公式：

（2）

式中KH為霍爾元件靈敏度，I為電源電流，由公式可知輸出的霍爾電壓能時時反映線圈內(nèi)磁感應(yīng)強度B的變化。

進行振動測試時，調(diào)節(jié)振動源不同的振動頻率fs，使線圈與永磁體相對運動，獲得不同的輸出電壓U，其函數(shù)關(guān)系式記為：

（3）

永磁體在內(nèi)部有限空間做往復(fù)回復(fù)運動，用霍爾測速原理標定永磁體運動情況，設(shè)永磁體的振動頻率為fc，在測試過程中，振動源頻率恒定時產(chǎn)生的振動能E恒定，發(fā)電裝置的質(zhì)量m不變，振動能在傳遞過程中有能量損耗[6.7]，裝置僅接收到部分能量驅(qū)動發(fā)電體系振動，系統(tǒng)僅改變振動頻率fs時，能得到不同的永磁體振動頻率fc，其函數(shù)關(guān)系式記為：

（4）

式中α記為能量傳遞損耗因子，并且頻率限定也與裝置承受范圍有關(guān)，m質(zhì)量，f頻率，x是裝置距振動源心得距離，表征振動能量在傳遞過程中的流失，裝置僅接收到部分能量驅(qū)動發(fā)電體系振動。

永磁體振動頻率fc，選取頻率周期性變化較為恒定的一段時間為?t，令T=?t，即可得永磁體運動周期T，則有：

（5）

由以上式子討論分析，線圈輸出電壓與永磁體的運動狀況有關(guān)，頻率fc越快，穿入線圈的磁通量隨時間的變化率?φ/?t越大，輸出電壓越大，則發(fā)電量越大。根據(jù)不同的調(diào)頻振動測試，找到有限承載范圍內(nèi)的最大的輸出電壓Um。

3.調(diào)頻振動與電壓輸出

進行振動測試步驟框圖如圖2，所需以下實驗儀器：振動臺、數(shù)字示波器、直流電源、激光測頻顯示器。線圈匝數(shù)N=10000，線圈電阻R=1632?，線圈面積S=0.00707m2;接入負載電阻R=800?;激光測頻電路電壓U0=5v;霍爾元件型號AH3503，輸入霍爾元件電壓U1=5v;永磁體表磁為0.3T，邊長分別為5mm，9mm，15mm。

圖2 實驗測試框架圖

在不同的振動頻率下得到不同的電壓輸出特性曲線，如圖3所示，其中1為線圈輸出電壓隨時間的變化曲線U-t圖，2為霍爾電壓隨時間的變化曲線EH-t圖：

（a） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）

（c） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（d）

圖3 電壓輸出特性曲線

測試數(shù)據(jù)記錄于表1。

當永磁體呈周期性振動時，霍爾元件感應(yīng)到的磁感應(yīng)強度B呈周期性變化，霍爾電壓輸出量隨之變化;此時，穿過線圈的磁通量φ發(fā)生變化，感應(yīng)電動勢也隨之也呈周期性變化，并且在該裝置中線圈面積S不變，變化量僅由磁感應(yīng)強B度標定，設(shè)輸出電壓變化的頻率為fU，霍爾電壓變化的頻率為fH，這兩個頻率即為永磁體振動頻率fc。

振動能在傳遞過程中會有損耗，裝置僅接收到部分能量驅(qū)動發(fā)電體系振動，僅在該振動臺測試下，在振動頻率為23Hz時，由表1所列結(jié)果估算出α=1.3。

由理論計算可知，電磁感（下轉(zhuǎn)第118頁）（上接第115頁）應(yīng)強度B隨時間的變化率越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大，輸出電壓越高，即f∝dB/dt，f∝U，根據(jù)多次測試結(jié)果，測得振動源頻率15Hz時，線圈輸出電壓約為2.5V，逐次提高振動頻率至23Hz、29Hz時，電壓輸出均在2.7V范圍內(nèi)浮動，因此在裝置有限承載范圍內(nèi)共振頻率為23Hz。裝置在低頻20Hz時，即能接近共振，獲得最大輸出電壓。

4.結(jié)論

該振動發(fā)電裝置基于磁性液體二階浮力原理，利用簡單的懸浮特性，提供永磁體系運動的三維空間，在有限承載范圍內(nèi)，裝置可接收來自任意方向的振動能，實現(xiàn)機械振動能轉(zhuǎn)化為電能，在電磁式發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)一種新型的構(gòu)造技術(shù)。在裝置承載的有限范圍內(nèi)，內(nèi)部永磁體的振動頻率越快，穿入線圈的磁通量隨時間的變化率越大，對應(yīng)的輸出電壓越大。該裝置設(shè)計為拾振結(jié)構(gòu)，任意性發(fā)電，實現(xiàn)無電池應(yīng)用，外出攜帶便捷、使用簡單，可為家庭式間歇使用的電子產(chǎn)品供電;裝置置于特定環(huán)境中能間接消除振動能，轉(zhuǎn)有害能量為可利用資源。

參考文獻

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