基于磁性液体二阶浮力原理的振动发电装置

李成 邓磊 祝林

【摘要】基于磁性液体二阶浮力原理的振动发电装置，是永磁体悬浮于磁性液体中构成的。在任意方向振动能的驱动下，悬浮于磁性液体中的永磁体会与容器外壁线圈产生相对运动，根据电磁式原理，永磁体的回复运动在线圈内感应出电动势，进而形成感应电流，即可实现一个单元的发电。实验结果可知，在振动能的驱动下，永磁体振动频率为20Hz时，振幅为30mm，输出电压为2.7V，实现机械振动能转化为电能。

【关键词】磁性液体;二阶浮力原理;电磁式;振动发电

1.引言

日常生活中，机械振动能量广泛存在，这些能量只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，有的能量会对人们带来危害，有的却白白流失，人们常常忽略对其的利用价值，如果我们将这些能量合理的采集利用，在一定程度上既减少振动能量在生活中的影响，又创生新的可用资源[1]。随着人们对能源、环保、健康等问题的关注与重视，研究一类清洁可靠廉价的发电装置成为新的研究热点。

国内外发电的主要方法有：风力发电、水力发电、火力发电、核能发电、太阳能发电。这些方法的发电量巨大，大约占据了全世界总发电量的95%以上。大规模的发电提供给生产上或家庭使用，相比较而言，振动发电机这类微小的“移动电源”任意性发电，实现无电池应用，外出携带便捷使用简单，并且逐渐的无污染化，继而满足经济、安全与环保性的发电和储能等需求的微型振动式发电机[2]被提出，由于振动能量具有任意性的特性，为接收任意性特性的振动能，又不束缚于传统的紧固连接部件设计，基于磁性液体二阶浮力原理的振动发电技术被提出，实现发电体系三维空间的简单悬浮运动，在有限承载范围内，装置可将接收的外界振动能转化成电能的新型振动发电装置。

2.振动发电装置的结构设计与原理

一种基于磁性液体二阶浮力原理的振动发电装置，如图1所示，在非导磁性耐冲击材料构成的容器中，装有高浓度、高稳定、低粘度（矿物油基）的磁性液体，液体中央有静置悬浮的永磁体，永磁体被特定的减阻材料包覆。容器外壁放置维度线圈，线圈引线端与负载及指示灯连接成回路。该装置接受外界的振动时会引起永磁体与外围线圈的相对运动，但最终永磁体因在磁性液体中的不对称性引起的压力差而产生回复运动，从而产生感应电动势，进而形成感应电流，即可实现一个发电单元的发电。线圈引线端口固定于容器外壁，该端口可检测线圈的发电状态。线圈内部添加铁芯，铁芯底端有霍尔元件，霍尔元件引线端口固定在容器外壁，该端口可检测磁变化。

图1 振动发电装置示意图

磁性液体是由强磁性纳米颗粒、基液以及表面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状溶液。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时才表现出磁性，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。磁性液体的二阶浮力原理是由Rosensweig最先提出的[3.4]，是指磁性液体可以将浸在其中的比重比磁性液体大的永磁体悬浮起来，当有力的驱动时，永磁体在液体中随牵引力自由运动，但最终永磁体因在磁性液体中的不对称性引起的压力差而产生回复运动，回到平衡位置，即回到液体中央。该振动发电装置基于磁性液体二阶浮力原理，利用简单的悬浮特性，提供永磁体系运动的三维空间，在有限承载范围内，装置可接收来自任意方向的振动能。

当装置接收到振动能量时，线圈与永磁体的相对运动，使线圈回路的磁通量发生变化，回路中有感应电动势产生，进而形成感应电流，实现机械振动能转化为电能，感应电动势U的大小与通过该回路的磁通量随时间的变化率?φ/?t成正比，根据法拉第电磁感应定律：

（1）

式中N为线圈匝数，S为线圈面积，B为磁感应强度，时间t。

线圈内部插入铁芯，铁芯有高导磁率，变化的磁感线依附铁芯而行，形成“磁路”，穿过线圈磁通量φ的多少可以理解为磁感线条数的多少，在铁芯下方放置的霍尔元件，可检测磁变化，根据霍尔效应[5]，可得输出霍尔电势差EH，根据公式：

（2）

式中KH为霍尔元件灵敏度，I为电源电流，由公式可知输出的霍尔电压能时时反映线圈内磁感应强度B的变化。

进行振动测试时，调节振动源不同的振动频率fs，使线圈与永磁体相对运动，获得不同的输出电压U，其函数关系式记为：

（3）

永磁体在内部有限空间做往复回复运动，用霍尔测速原理标定永磁体运动情况，设永磁体的振动频率为fc，在测试过程中，振动源频率恒定时产生的振动能E恒定，发电装置的质量m不变，振动能在传递过程中有能量损耗[6.7]，装置仅接收到部分能量驱动发电体系振动，系统仅改变振动频率fs时，能得到不同的永磁体振动频率fc，其函数关系式记为：

（4）

式中α记为能量传递损耗因子，并且频率限定也与装置承受范围有关，m质量，f频率，x是装置距振动源心得距离，表征振动能量在传递过程中的流失，装置仅接收到部分能量驱动发电体系振动。

永磁体振动频率fc，选取频率周期性变化较为恒定的一段时间为?t，令T=?t，即可得永磁体运动周期T，则有：

（5）

由以上式子讨论分析，线圈输出电压与永磁体的运动状况有关，频率fc越快，穿入线圈的磁通量随时间的变化率?φ/?t越大，输出电压越大，则发电量越大。根据不同的调频振动测试，找到有限承载范围内的最大的输出电压Um。

3.调频振动与电压输出

进行振动测试步骤框图如图2，所需以下实验仪器：振动台、数字示波器、直流电源、激光测频显示器。线圈匝数N=10000，线圈电阻R=1632?，线圈面积S=0.00707m2;接入负载电阻R=800?;激光测频电路电压U0=5v;霍尔元件型号AH3503，输入霍尔元件电压U1=5v;永磁体表磁为0.3T，边长分别为5mm，9mm，15mm。

图2 实验测试框架图

在不同的振动频率下得到不同的电压输出特性曲线，如图3所示，其中1为线圈输出电压随时间的变化曲线U-t图，2为霍尔电压随时间的变化曲线EH-t图：

（a）                      （b）

（c）                        （d）

图3 电压输出特性曲线

测试数据记录于表1。

当永磁体呈周期性振动时，霍尔元件感应到的磁感应强度B呈周期性变化，霍尔电压输出量随之变化;此时，穿过线圈的磁通量φ发生变化，感应电动势也随之也呈周期性变化，并且在该装置中线圈面积S不变，变化量仅由磁感应强B度标定，设输出电压变化的频率为fU，霍尔电压变化的频率为fH，这两个频率即为永磁体振动频率fc。

振动能在传递过程中会有损耗，装置仅接收到部分能量驱动发电体系振动，仅在该振动台测试下，在振动频率为23Hz时，由表1所列结果估算出α=1.3。

由理论计算可知，电磁感（下转第118页）（上接第115页）应强度B随时间的变化率越大，产生的感应电动势越大，输出电压越高，即f∝dB/dt，f∝U，根据多次测试结果，测得振动源频率15Hz时，线圈输出电压约为2.5V，逐次提高振动频率至23Hz、29Hz时，电压输出均在2.7V范围内浮动，因此在装置有限承载范围内共振频率为23Hz。装置在低频20Hz时，即能接近共振，获得最大输出电压。

4.结论

该振动发电装置基于磁性液体二阶浮力原理，利用简单的悬浮特性，提供永磁体系运动的三维空间，在有限承载范围内，装置可接收来自任意方向的振动能，实现机械振动能转化为电能，在电磁式发电领域内实现一种新型的构造技术。在装置承载的有限范围内，内部永磁体的振动频率越快，穿入线圈的磁通量随时间的变化率越大，对应的输出电压越大。该装置设计为拾振结构，任意性发电，实现无电池应用，外出携带便捷、使用简单，可为家庭式间歇使用的电子产品供电;装置置于特定环境中能间接消除振动能，转有害能量为可利用资源。

参考文献

[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]刘路，解晶莹.微能源[J].电源技术，2002，26（6）：470-474.

[3]Rosensweig R E.Buoyancy and stable levitation of a magnetic body immersed in a magnetizable fluid[J].Nature，1966，210（5036）：613-614.

[4]Rosensweig R E.Fluid magnetic buoyancy[J].AIAA Journal，1996，4（10）：1751-1758.

[5]刘战存，郑余梅.霍尔效应的发现[J].大学物理，2007，26（11）：51-55.

[6]邵毅敏，肖会芳.动力系统非连续单一叠加结构界面变形与能量损耗特性[J].振动与冲击，2011，30（4）：217-222.

[7]王佩红，赵小林.戴旭涵.基于MEMS技术的微型电磁式振动能量采集器的研究[D].上海交通大学，2010.