振动发电机组的模型和试验研究

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1、振动发电机组的模型和试验研究摘要：振动能量广泛的存在并被浪费。将运动能量转化为电能的能量捕捉装置已经引起了很大的兴趣。应用电磁感应原理将运动能量转换为电能的各种振动发电机的研究用于功率传感器。然而，功率的提供对于便携式电子设备和其他的一些低功率的滇西器械来说是一个瓶颈问题。在该文章中，对振动功率发电机进行了设计，并用有限元法对磁场分布进行了分析。然后，在振动方程和电磁感应定律的基础上，建立了发电机的输入——输出模型。计算结果表明，发电机的输出电压取决于振源的幅值，频率和波形。制造了发电机的模型并在开路和不同负载（阻性负载，感性负载，容性负载）下进行了测试。计算试验结果的比较

2、表明，模型可以描述振动发电机的输入——输出关系。关键词——电路模型，EMF，永磁体，振动发电机1.简介微型传感器和无线传输系统等已经得到更广阔的认可。但是电源阻止了这种趋势，尤其是在没有电子网络来驱动。另一方面，机械振动存在于自然界，日常生活和工厂的任何地方。因此，通过转换机械能量到电能来解决这个问题是一个有效的方法。通常永磁体可以在没有额外电源（supply）的作用下工作。所以，对永磁体振动发电机的研究就尤为重要，这无疑引起了学界足够的重视。……IbrahimSari和E.P.James等已经研究在微型机电系统中振动功率发电机的功用。他们将线圈整合进微型机电系统中，并且一

3、个较小的振动可以产生磁铁和线圈相对线性的移动。这种形式的振动功率发电机可以输出幅值达到uW的电功率，可以给数字处理器或者其他的电子器件提供功率。E.Koukharenko，M.J.Tudor和S.P.Beeby[6]通过利用化学剖光方法解决低掺杂硅的井壁粗糙度问题，提高了电磁式微型发电机的可靠性，寿命，振动加速度和幅值。Guoliang等[7]研究了国内和国外的使用永磁体的振动功率发电机。试验结果表明，后者可以产生更高的开路电压。参考文献[8]将混合器（shaker）和振源用磁性弹簧联系在一起，并通过将它改变为多层永磁体和铁片提高卡永磁体的性能。一个永磁体振动发电机的原型可

4、以从人体运动中产生高达2.5mV的功率。ThomasvonBüren第8页共8页andGerhardTröster[9]研究了一种新型的磁微型功率发电机来给人体的传感器结点供电。他们在测量人体加速度的基础之上优化了发电机的几何模型，共振频率，和电子负载。然而，永磁体的电功率和结构参数的输出并不是清晰的。在这篇文章中，建立了永磁体振动功率发电机的数学模型并且分析了线圈尺寸，磁场分布和输出电功率的振动情况。1.永磁体振动发电机的数学模型A.感应和运动的振动功率发电机电动势模型根据电磁感应定律，改变导体回路的磁通可以产生感应电动势。导体回路的磁通由两种途径产生[10]：1）磁通密

5、度B随时间变化。2）导体回路和磁性介质的相对运动。相应的，电动势可以分为动生电动势和感生电动势。通过合理的设计，表面的振动可以引起线圈和永磁体的相对运动，线圈端部就会产生一个电压。由此，振动的机械能可以转换为电能。在线圈中磁场的分布是非线性的，线圈的输出电动势是动生电动势和感生电动势之和。单匝线圈的总的电动势公式为：（1）其中：Ei为线圈总的电动势，Ein为线圈感生电动势，Emo为动生电动势；相应的，B,v,A,l分别为磁通密度，线圈和磁场的相对运动速度矢量，线圈的面积矢量，回路矢量。另外，l和A的方向应该和右手螺旋法则相一致。永磁体振动功率发电机总是制造成轴对称的结构，公

6、式（1）可以推导出适用于圆柱形公式。线圈的磁通密度可以表示为，其中，，分别表示重拨，切向，轴向分量。当相对运动为之言的时候，永磁体和线圈的轴线是重合的。如果我们假设位置矢量，线圈的速度矢量可以表示为。和应该遵循右手螺旋定则。线单元矢量为。相应地，面积单元矢量为，并且方向和相同。将以上参数带入公式（1）得到公式（2）：第8页共8页在此，S和l分别是线圈面积的幅值和周长。当为方向时，S和l都是正值。反之，v，S，l都为负值。方程（2）表明，总的电动势取决于磁通密度的轴向分量（）和radial分量，和切向分量无关，圆柱形永磁体的轴向磁化强度近似为零。此外，v和l对感应电动势的影响

7、很大。对于多匝线圈来说，总的电动势可以通过（2）叠加求出。（3）N指的是线圈匝数。事实上，其他结构的永磁体功率发电机产生的电动势也可以由同样的方法计算出。B．振动功率发电机的负载电路模型永磁体振动发电机可以通过连接在感应线圈两端来给负载电路提供能量。通常，负载电路包括整流器，滤波器和储存模块，在电路中存在非线性问题。在此，讨论了永磁体振动发电机的结构，可以假定为线性电路模型。负载电路的非线性问题将在以后的工作中进行研究。第8页共8页如图1的虚线框中所示，永磁体振动功率发电机电路模型是电阻RS,电感LS和电源E的串联