一种圆管型永磁直线电势发生器的设计

豆素勤，赵金国，冯宝文，赵发明

(西京学院，西安 710123)



一种圆管型永磁直线电势发生器的设计

豆素勤，赵金国，冯宝文，赵发明

(西京学院，西安 710123)

通过分析直线直流电势发生器的原理，利用汽车振动能量回收的减振器的内部空间，设计安装了一种圆管型永磁直线电势发生器装置，直线电势发生器电势的产生来自于圆管型直线发电机。仿真分析表明该装置为汽车新能源的发展提供了一个有效直流电源，解决了蓄电池延长续航能力的问题，同时制造出了样机，在奇瑞轿车上安装并满足了使用要求。

圆管型永磁直线电势发生器；电动汽车；自供电磁流

0 引 言

圆管型永磁直线电势发生器是将直线运动的机械的振动能转化为直流电能的装置。该发生器采用永久磁铁作为次级磁通源，通电初级线圈在气隙磁场作用下产生电磁力，由次级做直线往复运动进行位移实现直线运动。该发生器动子运动行程可以通过改变圆管形永磁直线发电机的结构设计来进行调节，输出力大小与方向都可以通过能动装置的大小和方向来实现。由于其具有结构简单、运行可靠、响应快、精度高等优点，可广泛应用在机械工程需要直线驱动的领域。

根据圆管型永磁直线直流电势发生器的原理[1]，为电动汽车减振器设计一个圆管型永磁直线发电机是可行的。通过仿真，得到了该装置的参数和波形，验证了该装置在电动汽车领域的必要性。

1 基本结构和工作原理

1.1 圆管型永磁直线电势发生器的基本结构

圆筒形永磁直线电势发生器主要结构形式如图1所示。

图1 圆筒形永磁直线电势发生器主要结构

圆筒形永磁直线电势发生器[1]的特点是采用集中绕组(分布)、无刷式，结构简单，体积小，重量轻。初级为静止固定部分，初级绕组由两个线圈组成，由线圈骨架支撑，并固定在机壳壳内圆上；次级为轴向移动(工作状况一般为上下运动)，次级一侧装配有N极、S极的永久磁铁。该直线电机装在汽车底盘减振器内部，减振器连接于汽车悬架。

1.2 圆筒形永磁直线电势发生器主要工作原理

圆筒形永磁直线电势发生器工作原理，如图2所示。

(a)外力向外(b)外力向内

图2 圆筒形永磁直线电势发生器工作原理

图2中两个线圈串联连接，永久磁铁N极、S极内部磁力线的方向为S极指向N极，永久磁铁外部磁力线的方向为N极指向S极。当次级由外力(实质上是由车辆振动引起)使其轴向反复运动时，设次级如图2(a)位置向右移动时，两个串联的线圈被磁力线切割感应电势e，e=Blv，e的方向用右手定则判断，即图2(a)中左边线圈，上边导体电势方向为流进，下边导体电势方向为流出。同理，图2(a)中右边线圈上边导体电势方向为流出，下边导体电势方向为流进。

设次级如图2(b)位置向左移动时，两个串联的线圈被磁力线切割感应电势e，e=Blv，e的方向用右手定则判断，即图2(b)中左边线圈，上边导体电势方向为流出，下边导体电势方向为流进。同理，图2(b)中右边线圈上边导体电势方向为流进，下边导体电势方向为流出。

在图2(a)和图2(b)中，初级两个线圈是串联连接，所以两个线圈的电势对外输出为两倍的e。两倍的e对于本项目设计值为8 V，运行时次级连续轴向反复运动，发出的8 V电势大小和方向都在随时间改变，即属于交流电。车辆上一般装有4个减振器，即4个永磁直线直流电势发生器的输出电势均为32 V，再经过电力电子变换的逆变器将交流电变换为可以实用的直流电，以便给24 V的蓄电池充电。

2 设计内容

2.1 主要技术指标

圆筒形永磁直线电势发生器主要技术指标：UN=24～28 V(车用)，PN=40～60 W，环境温度-20～80 ℃，IN=2.5 A，无明显的电磁噪声。

2.2 圆筒形永磁直线电势发生器主要尺寸的确定

将圆筒形永磁直线电势发生器安置在特殊设计的减振器中，减振器具体结构如图3所示。活塞采用材料牌号：圆环形钕铁硼，工作温度：80 ℃；尺寸：外径25 mm,内径8.1 mm,厚度20 mm。

图3 圆筒形永磁直线电势发生器装置具体结构示意

圆筒形永磁直线电势发生器电磁绕组由线圈骨架、线圈、硅钢片组合而成，如图4所示。

图4 圆筒形永磁直线电势发生器电磁绕组示意图

圆筒形永磁直线电势发生器的结构和参数如表1所示。

表1 圆筒形永磁直线电势发生器的结构和材料参数

2.3 能量回收

利用汽车减振器设计为可发电的圆筒形永磁直线电势发生器装置，其发电系统具有自动控制充电电流的功能，蓄电池充足电后即自动关闭。若将蓄电池正负线接错或短路，能自动保护，安全可靠。发电机还能在蓄电池充电饱和状态下，提供一维护性充电电流，这对于常用但要求能随时启用的蓄电池更为适合。当汽车在凹凸不平的恶劣路面上行驶，车轮剧烈地跳动，ECU电子控制器通过加速度传感器和其他传感器立即感知和控制电子开关切断该减振器的功率输出电路，输入电路连接到定子线圈和定子线圈的输入电流，发电减振器立即进入直线电机，电阻和在相反方向的阻尼力，缓解路面冲击和振动[3]。所施加的电流输入是更大的，所产生的定子线圈，电流控制的直线电机的相对方向的强磁场，和阻尼力更大的系统完全和驾驶加速度和颠簸的适应。这意味着各种道路条件下，选择最佳的负载阻尼力，乘坐舒适性和运动的完美统一，振动阻尼器的振动性能和振动性能的完美统一[4]。

3 电势发生器产生效能的分析

对本样机进行实验分析，样机的次级激振杆质量分别为10 g，15 g，17.84 g，20 g和25 g，激振力幅值F=1 500 N时，通过压力传感器、电流表和电压表，以及示波器，对电流、自供电磁流输出电压随激振力频率f的变化情况进行实测,如图5所示。输出电压、电流随压力频率的变化，如图6所示。随着激振杆质量的增大，电流、自供电磁流产生的输出的电压均减小。当自供电磁流一阶固有频率与激振力频率一致时，自供电磁流处于谐振状态，自供电磁流输出电压和电流达到最大，并且自供电磁流位移幅值、应变和应力也均达到最大，实测数据如表2所示。

图5 样机实验分析实况图

图6 输出电压、电流随压力频率的变化曲线拟合

表2 样机实验实测数据分析

对激振杆质量m=17.84 g，频率f=1 650 Hz，作用力F=1 500 N时电流、自供电磁流电压随振动的变化情况进行分析。自供电磁流长度对输出电流、电压的影响曲线拟合，如图7所示。当自供电磁流的振动位移达到最大时，其输出电压、电流也达到最大。可见，当自供电磁流长度正好满足自供电磁流的谐振频率方程时，自供电磁流处于谐振状态。

图7 自供电磁流长度对输出电流、电压的影响曲线拟合

4 结 语

本文利用汽车振动能量回收的自供电磁流的原理，对汽车减振器进行设计改造为可产生电能的装置，如图8所示。其电路控制系统具有自动控制充电电流的功能，蓄电池充足电后即自动关闭。通过样机测试结果可知，能在蓄电池充电饱和状态下，提供一维持性充电电流，这对于常用但要求能随时启用的蓄电池更为适合。当电动汽车在凹凸不平的路面上行驶，车轮剧烈跳动时对电能蓄电储能效果更好，在一定程度上,提高了电动汽车电池寿命和应用程序的可行性。

图8 样机与电源

通过以上研究，该装置在电动汽车技术发展领域可起到一定的技术推动作用。

[1] 陈隆昌，阎治安，刘新正.控制电机(第四版)[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013.

[2] 宋媛，王淑红.圆筒形永磁动圈式直线电动机气隙磁场和推力解析分析[J].微特电机,2011,39(5)：12-13.

[3] 黄克峰，李槐树，周羽.轴向充磁圆筒型永磁直线电机磁场解析[J].哈尔滨工程大学学报,2013,34(7):883-887.

[4] 胡登科，徐衍亮.圆筒型横向磁通永磁直线电机的研究[D].济南：山东大学，2014.

Design of a Circular Tube Type Permanent Magnet Linear Potential Generator

DOUSu-qin,ZHAOJin-guo,FENGBao-wen,ZHAOFa-ming

(Xijing University, Xi'an 710123, China)

Through analyzing the principle of linear dc power generator, a pipe type permanent magnet linear potential generator unit was designed and installed, using the internal space of the shock absorber of automobile vibration energy recovery. Linear potential generator voltage generated from the circular tube type linear generator, the simulation analysis shows that the device provides an effective dc power supply for the new energy vehicles' development, solving the problem of the battery to extend battery life. A prototype was created, and was installed in a Chery car, satisfying the requirements in the use for cars.

circular tube type permanent magnet linear voltage generator； electric car； autonomous electromagnetic flow

2015-09-14

西京学院科研项目基金(XJ140114)

TM351;TM359.4

A

1004-7018(2016)08-0026-03

豆素勤(1982-)，女，硕士，讲师，主要研究方向为汽车新技术。