基于音圈电机的电磁式振动发电电池

代平均 徐英杰 尹振斌 邰源政 彭兵

（沈阳工业大学电气工程学院 辽宁省沈阳市 110870）

1 背景

随着生活水平的不断提高，家用电器的使用变得越来越普遍，与此同时，越来越多的电器朝着智能化、便利化的方向发展。“遥控”便是便利化的一项重要体现。遥控是指通信媒体对远距离被控对象进行控制的技术，在实现遥控的过程中，需要有小功率供电电源提供电能，这就产生了对普通干电池的大量需求。而普通干电池存在使用寿命短，更换频繁以及浪费资源等缺点，此外，普通干电池内含有铅、汞等重金属，会对人类赖以生存的生态环境造成污染。因此，研究一种长寿命、无污染、材料低消耗的应用于遥控器、无线鼠标等低功耗电子产品的新型微型电源具有非常重要的意义。

2 微型振动发电技术的发展

振动发电技术是一种基于法拉第电磁感应定律，通过吸收机械能，从而获得电能的一种有效途径。

荷兰一家夜总会利用弹簧地板收集人们舞动时的能量并且将其转化为电能供应照明，这是振动发电的一个经典案例，此外，英国南安普顿大学的一个研究小组还开发出了如同方糖大小的振动发电机，并且试图将其用于工业领域的传感器上，他们甚至还计划将这种发电机进一步微型化之后植入人体，为那些需要长时间供电的医疗设备提供电力。由此可见，振动发电技术已在很多领域有取得了一定的成就。

文献[1]研究了偏心轮组结构的振动发电电池，但存在结构复杂，能量转化效率低等不足。文献[2]研究了基于电磁感应原理磁路开放的振动发电电池，但存在磁场利用率低、装置体积、重量大的缺陷。文献[3]研究了基于磁悬浮原理的振动发电电池，但存在运动幅度小，能量损耗大的缺点。本文拟研究一种磁场集中，能量转化效率高，体积小，重量轻以及结构较简单的电磁式振动发电电池。

3 电磁式振动发电电池原理

本电池[2]由机电转换单元、电能转换单元、电能储存单元三部分组成。机电转换由音圈电机执行，电能变换通过电子器件将交流电变换成直流电，超级电容实现电能的储存。振动发电电池的系统原理框图如图1所示。

3.1 音圈电机原理与设计

3.1.1 音圈电机结构

音圈电机[4]是把机械能转换为电能的关键设备。音圈电机主要由铁磁材料外壳，钕铁硼磁瓦两部分组成，如图2所示。其中，磁瓦的N 极朝向圆心，N 极发出的磁力线将会经过气隙、铁磁材料柱心、外壳底部以及外壳壁，最后回到磁瓦S 极，这样，就在气隙中形成了辐射状磁场。

3.1.2 机械能与电能的转换

在塑料空心圆筒上，沿同一方向进行绕制漆包线，即可得到所需要的线圈[3]。对于线圈铜丝线径的选择，综合考虑气隙宽度、铜丝电阻以及线圈体积等因素，当铜丝直径为0.35mm 时，较为合适，过大的直径将会引起有限体积内线圈数量减少，过小的直径会引起线圈电阻的迅速增大。当运动机构如图3所示作直线运动时，线圈两端将会产生感应电动势。

当运动机构往复运动时，由于线圈相对运动方向的不断改变，在电路闭合时，线圈中将出现交变电流。

假定图3中运动机构向左运动时，线圈中产生了图4绿色剪头所示方向（逆时针方向）的电流，则在后半个周期，即运动机构向右运动时，线圈中电流方向将变为顺时针方向，最终，运动机构不断往复运动，线圈中电流方向也就不断变化，向外输出交变电流。

3.2 电能变换与储存电路

3.2.1 电能变换电路[5]

由于磁场强度以及线圈匝数的限制，线圈两端电动势不可能很大，要想达到遥控器的额定电压，需要经过处理电路，处理电路主要是实现整流和倍压两个任务，交变的电动势通过整流倍压电路，将得到电压增大的直流量，将直流电量储存在超级电容中，即可给用电器供电，处理电路原理图如图5所示。

3.2.2 超级电容（电能储存）

电能的储存选用了超级电容，超级电容器是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。比较适合振动电池的工作特点。

4 样机、测试结果与分析

本文样机如图6所示，样机的直径40mm，高度130mm。

4.1 气隙磁场分布

利用霍尔元件的霍尔效应，对气隙磁场进行测量，得到如图7所示的结果，从图中我们可以看到：沿轴向，在气隙内部，磁场基本均匀，在槽口和槽底处，磁场强度有明显的下降，这是因为空气隙磁阻较大以及铁磁材料磁阻很小造成的。

4.2 处理后电压波形

整流电路的作用结果是将交流量转化为直流量，处理结果如图8所示。经倍压电路与整流电路共同作用，输出电压幅值可达4V左右。

4.3 充电时间

超级电容的应用主要分为高功率脉冲应用和瞬时功率保持，在遥控器供电系统属于超级电容的瞬时功率保持应用，由公式[5]

其中，Uwork为电路的起始工作电压，约为5.0V；

Umin为器件工作的最小电压，约为2.8V；I 为负载电流，该电流是一个脉冲电流，平均值约为100mA；t 为电路中要求的保持时间或脉冲应用中的脉冲持续时间，约为1s。

由此可见，超级电容选用容量0.5F 即可。

经过多次试验，多次充放电，在距离上次充电时间足够长的情况下（24h 左右），以2Hz 频率，中等强度摇动，约7s 即可满足一般空调遥控器用电一次。

5 应用与推广

根据振动发电电池的特点，可以将其推广为：一种振动强度检测装置。将音圈电机做成振动探头，在不同的振动强度下，音圈电机产生的电动势不同。用单片机对音圈电机输出电动势大小进行检测及判断，随振动强度增大，用指示灯表示不同的振动强度。

根据待检测设备振动强度的差异以及振动强弱的界定，可以通过更换振动探头以及调节电压区间来适配不同的设备。

6 结论

经过较短时间的手摇，振动发电电池实现对超级电容的充能，经过多次试验，多次充放电，在距离上次充电时间足够长的情况下（24h 左右），以2Hz 频率，中等强度摇动，约7s 即可满足一般空调遥控器用电一次，达到了预期目标。此外，电磁式振动发电电池可以做的推广有：振动强度检测，高振动强度机械设备减震以及机械设备自发电等，有较为广阔的应用前景。