基于音圈電機(jī)的電磁式振動(dòng)發(fā)電電池

代平均 徐英杰 尹振斌 邰源政 彭兵

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧省沈陽(yáng)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(lái)越普遍，與此同時(shí)，越來(lái)越多的電器朝著智能化、便利化的方向發(fā)展?！斑b控”便是便利化的一項(xiàng)重要體現(xiàn)。遙控是指通信媒體對(duì)遠(yuǎn)距離被控對(duì)象進(jìn)行控制的技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)遙控的過(guò)程中，需要有小功率供電電源提供電能，這就產(chǎn)生了對(duì)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(fèi)資源等缺點(diǎn)，此外，普通干電池內(nèi)含有鉛、汞等重金屬，會(huì)對(duì)人類(lèi)賴(lài)以生存的生態(tài)環(huán)境造成污染。因此，研究一種長(zhǎng)壽命、無(wú)污染、材料低消耗的應(yīng)用于遙控器、無(wú)線鼠標(biāo)等低功耗電子產(chǎn)品的新型微型電源具有非常重要的意義。

2 微型振動(dòng)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

振動(dòng)發(fā)電技術(shù)是一種基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)吸收機(jī)械能，從而獲得電能的一種有效途徑。

荷蘭一家夜總會(huì)利用彈簧地板收集人們舞動(dòng)時(shí)的能量并且將其轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)照明，這是振動(dòng)發(fā)電的一個(gè)經(jīng)典案例，此外，英國(guó)南安普頓大學(xué)的一個(gè)研究小組還開(kāi)發(fā)出了如同方糖大小的振動(dòng)發(fā)電機(jī)，并且試圖將其用于工業(yè)領(lǐng)域的傳感器上，他們甚至還計(jì)劃將這種發(fā)電機(jī)進(jìn)一步微型化之后植入人體，為那些需要長(zhǎng)時(shí)間供電的醫(yī)療設(shè)備提供電力。由此可見(jiàn)，振動(dòng)發(fā)電技術(shù)已在很多領(lǐng)域有取得了一定的成就。

文獻(xiàn)[1]研究了偏心輪組結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)電電池，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)化效率低等不足。文獻(xiàn)[2]研究了基于電磁感應(yīng)原理磁路開(kāi)放的振動(dòng)發(fā)電電池，但存在磁場(chǎng)利用率低、裝置體積、重量大的缺陷。文獻(xiàn)[3]研究了基于磁懸浮原理的振動(dòng)發(fā)電電池，但存在運(yùn)動(dòng)幅度小，能量損耗大的缺點(diǎn)。本文擬研究一種磁場(chǎng)集中，能量轉(zhuǎn)化效率高，體積小，重量輕以及結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的電磁式振動(dòng)發(fā)電電池。

3 電磁式振動(dòng)發(fā)電電池原理

本電池[2]由機(jī)電轉(zhuǎn)換單元、電能轉(zhuǎn)換單元、電能儲(chǔ)存單元三部分組成。機(jī)電轉(zhuǎn)換由音圈電機(jī)執(zhí)行，電能變換通過(guò)電子器件將交流電變換成直流電，超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存。振動(dòng)發(fā)電電池的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

3.1 音圈電機(jī)原理與設(shè)計(jì)

3.1.1 音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)

音圈電機(jī)[4]是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)鍵設(shè)備。音圈電機(jī)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(fā)出的磁力線將會(huì)經(jīng)過(guò)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(chǎng)。

3.1.2 機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換

在塑料空心圓筒上，沿同一方向進(jìn)行繞制漆包線，即可得到所需要的線圈[3]。對(duì)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(dāng)銅絲直徑為0.35mm 時(shí)，較為合適，過(guò)大的直徑將會(huì)引起有限體積內(nèi)線圈數(shù)量減少，過(guò)小的直徑會(huì)引起線圈電阻的迅速增大。當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈兩端將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的不斷改變，在電路閉合時(shí)，線圈中將出現(xiàn)交變電流。

假定圖3中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生了圖4綠色剪頭所示方向（逆時(shí)針?lè)较颍┑碾娏?，則在后半個(gè)周期，即運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中電流方向?qū)⒆優(yōu)轫槙r(shí)針?lè)较?，最終，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(chǔ)存電路

3.2.1 電能變換電路[5]

由于磁場(chǎng)強(qiáng)度以及線圈匝數(shù)的限制，線圈兩端電動(dòng)勢(shì)不可能很大，要想達(dá)到遙控器的額定電壓，需要經(jīng)過(guò)處理電路，處理電路主要是實(shí)現(xiàn)整流和倍壓兩個(gè)任務(wù)，交變的電動(dòng)勢(shì)通過(guò)整流倍壓電路，將得到電壓增大的直流量，將直流電量?jī)?chǔ)存在超級(jí)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(jí)電容（電能儲(chǔ)存）

電能的儲(chǔ)存選用了超級(jí)電容，超級(jí)電容器是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。是一種介于傳統(tǒng)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(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。其基本原理和其它種類(lèi)的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。比較適合振動(dòng)電池的工作特點(diǎn)。

4 樣機(jī)、測(cè)試結(jié)果與分析

本文樣機(jī)如圖6所示，樣機(jī)的直徑40mm，高度130mm。

4.1 氣隙磁場(chǎng)分布

利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)，對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，得到如圖7所示的結(jié)果，從圖中我們可以看到：沿軸向，在氣隙內(nèi)部，磁場(chǎng)基本均勻，在槽口和槽底處，磁場(chǎng)強(qiáng)度有明顯的下降，這是因?yàn)榭諝庀洞抛栎^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(jié)果是將交流量轉(zhuǎn)化為直流量，處理結(jié)果如圖8所示。經(jīng)倍壓電路與整流電路共同作用，輸出電壓幅值可達(dá)4V左右。

4.3 充電時(shí)間

超級(jí)電容的應(yīng)用主要分為高功率脈沖應(yīng)用和瞬時(shí)功率保持，在遙控器供電系統(tǒng)屬于超級(jí)電容的瞬時(shí)功率保持應(yīng)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(fù)載電流，該電流是一個(gè)脈沖電流，平均值約為100mA；t 為電路中要求的保持時(shí)間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時(shí)間，約為1s。

由此可見(jiàn)，超級(jí)電容選用容量0.5F 即可。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，多次充放電，在距離上次充電時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下（24h 左右），以2Hz 頻率，中等強(qiáng)度搖動(dòng)，約7s 即可滿(mǎn)足一般空調(diào)遙控器用電一次。

5 應(yīng)用與推廣

根據(jù)振動(dòng)發(fā)電電池的特點(diǎn)，可以將其推廣為：一種振動(dòng)強(qiáng)度檢測(cè)裝置。將音圈電機(jī)做成振動(dòng)探頭，在不同的振動(dòng)強(qiáng)度下，音圈電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不同。用單片機(jī)對(duì)音圈電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)大小進(jìn)行檢測(cè)及判斷，隨振動(dòng)強(qiáng)度增大，用指示燈表示不同的振動(dòng)強(qiáng)度。

根據(jù)待檢測(cè)設(shè)備振動(dòng)強(qiáng)度的差異以及振動(dòng)強(qiáng)弱的界定，可以通過(guò)更換振動(dòng)探頭以及調(diào)節(jié)電壓區(qū)間來(lái)適配不同的設(shè)備。

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)較短時(shí)間的手搖，振動(dòng)發(fā)電電池實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容的充能，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，多次充放電，在距離上次充電時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下（24h 左右），以2Hz 頻率，中等強(qiáng)度搖動(dòng)，約7s 即可滿(mǎn)足一般空調(diào)遙控器用電一次，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。此外，電磁式振動(dòng)發(fā)電電池可以做的推廣有：振動(dòng)強(qiáng)度檢測(cè)，高振動(dòng)強(qiáng)度機(jī)械設(shè)備減震以及機(jī)械設(shè)備自發(fā)電等，有較為廣闊的應(yīng)用前景。