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3种不同金属铸接式衔铁磁力差异的比较
目的:分别对金合金、镍铬合金及纯钛3种金属铸接式衔铁,进行磁力测试,比较3种金属衔铁磁力的差异.方法:采用金合金、镍铬合金、纯钛3种金属为材料,分为3组,每组4件样本,与Magdisc500成品衔铁包埋铸造,制作根面结构.通过拉伸实验测试附着体磁引力大小并进行方差分析.结果:金合金组磁引力均值为4.84N,镍铬合金组均值为4.61N,纯钛组均值为4.12N.方差分析显示:3组两两间均存在显著差异(P＜0.01).结论:采用3种金属,通过铸接法制作的衔铁,其磁力均有一定程度下降,金合金组磁力下降最小.
作者单位：
上海交通大学医学院附属第九人民医院·口腔医学院,口腔修复科,上海市口腔医学重点实验室,上海市口腔医学研究所,上海,200011
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永磁继电器工作原理是什么？
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永磁继电器工作原理：
1.这个原理就是玻璃管内部封装了一对(一组)接触点的干簧管，遇到了磁铁就可以转换状态。
2.干簧管(Reed Switch)也称舌簧管或磁簧开关，是一种磁敏的特殊开关，是干簧继电器和接近开关的主要部件。干簧管于1936年由贝尔电话实验室的沃尔特·埃尔伍德(Walter B. Ellwood)发明，他本人于日在美国申请专利，专利号为2264746。
回答数：27330
被采纳数：4
永磁继电器工作原理：
永磁继电器的工作原理并不复杂，它主要是利用电磁感应原理而工作的。当线圈通以电流时，线圈便产生磁场，线圈中间的铁心被磁化产生磁力，从而使衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，此时衔铁带动支杆将板簧惟开，使两个常闭的触点断开。当断开继电器线圈的电流时，铁心便失去磁性，衔铁在板簧的作用下恢复初始状态，触点则又闭合。
希望我的回答可以帮助到您。
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被采纳数：3
　　原理就是y在一个维持电压下吸合。这样当外部电源出现电压不稳定时，如果01、02两端电压降低，jy继电器就先于其它继电器率先断开，起一个欠电压保护作用。问题补充&&
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后方触点结合，4为高电位与ST没有电位差，吸引线圈退出工作ST点火开关启动脚
B+蓄电池正极 启动时ST脚供电
此时4为低电位 吸引线圈通过碳刷与马达线圈回路，与保持线圈同时工作能**生较大的磁力，吸引衔铁运动，当衔铁运动到位后
热心网友&7-02 15:28
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电磁式低频振动能量收集装置的设计与研究
全日制学术型
硕士学位论文
论文题目： 电磁式低频振动能量收集装置的设计与研究
作者姓名指导教师学科专业
模式识别与智能系统
信息工程学院
浙江工业大学硕士学位论文
电磁式低频振动能量收集装置的设计与研究
作者姓名：林晨宽指导教师：张端 副教授
浙江工业大学信息工程学院2013年3月
Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technologyfor the Degree of Master
Design and research of low-frequency electromagnetic vibrationgenerator for energy harvest
Candidate: Chen-kuan LinAdvisor: A.Prof. Duan Zhang
College of Information EngineeringZhejiang University of TechnologyMar 2013
浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对
作者签名：
日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打D√‖）
作者签名：导师签名：
浙江工业大学硕士学位论文
电磁式低频振动能量收集装置的设计与研究
振动能量收集装置能从环境中收集振动的能量并转化为电能,应用于无线传感网络供电、日常生活、科学研究等领域。这不仅解决了很多无线传感网络因无法更换电池导致寿命过短的问题，而且减少了化学电池带来的环境污染。因此，它的研究具有重要的意义。1．对目前现有振动能量收集装置进行了归纳总结，查找了现有大多数装置发电效率偏低的原因。依据新的工作原理，在振动能量收集装置中引进闭合磁路和多齿结构，设计了两种高效的、可工作在低频振动的环境下的振动能量收集装置，并分析了其基本结构以及工作原理。2．详细分析了装置的所涉及的基本理论基础。其中，简要介绍了电磁感应原理；详细分析了绕线线圈和磁性材料的特性，并以此确定了本装置的磁性材料；分析了外力作用在装置时装置的受力情况以及装置工作时的能量损耗问题；同时介绍了装置所采用的Maxwell有限元分析软件中的基本磁场理论以及采取的数学计算方法。3．通过有限元分析软件对装置进行的仿真和优化。在Maxwell静态仿真中，通过对比不同衔铁高度、不同空气隙宽度、不同软磁材料在磁导率时的静态仿真结果，得出了装置性能较好时它们的数值，优化了装置；在Maxwell动态仿真中，模拟了装置的空载感应电动势，并在此基础上计算了装置最大有效功率。在Maxwell动态仿真中，对比了不同的线圈匝数时装置的空载感应电动势及有效功率，分析了负载电阻以及线圈匝数对负载有效功率的影响；通过将仿真和理论分析相结合的方法验证了装置结构设计的合理性。4．设计了装置的整流滤波电路，并分析它的工作的原理。对比了Multisim仿真软件对比不同的电感和滤波电容值时的输出电压结果，并介绍了滤波电容和电感的选择依据。关键词：振动能量收集，电磁式，低频，数值分析，无线传感网络
浙江工业大学硕士学位论文
Design and research of vibration generator for energyharvest
Vibration energy harvesters can harvest environmental vibration energy and convert it to electricity, which can be widely used in wireless sensor networks, daily life, scientific researches and some other fields. This can not only extend the service lives of wireless sensor networks supplied with chemical batteries that were almost unchangeable sometimes, but also greatly reduce the environmental pollution caused by chemical batteries. Thus, the research of vibration energy harvesting devices has important significance.In the paper, two new vibration energy harvesting devices which are adept at working under the condition of low-frequency vibration are designed. These devices are constructed including several closed magnetic circuits, which significantly improve the ability of energy harvesting. Meanwhile, the rack structures in the device lead to the change frequency of the coil magnetic field increasing, so that the device can adapt to work with low frequency vibration. The main work and results of this paper are listed as follows:1. According to the literatures about vibration energy harvesting devices, the author finds out the reasons for the low efficiency of existing devices. In this paper, two new vibration energy harvesting devices including closed magnetic circuits and multi-tooth structures are proposed. The devices are effective enough to work with low frequency vibration due to the closed magnetic circuits and multi-tooth structures constructed in the devices which significantly improve the ability of energy harvesting. The paper describes their structures and working principle later.2. The basic theories involved in the vibration energy harvesting devices are described in detail. First of all, electromagnetic induction principle is introduced simply. Then, the paper introduces and analyzes the material characteristics of magnetic material and coils used in the devices. After then, the paper describes the device’s force analysis and energy loss during work. As the device use Maxwell finite element analysis software to do the numerical analysis, the paper elaborates the basic magnetic field theory and mathematical calculations involve in the numerical analysis of device.
浙江工业大学硕士学位论文3. The paper does numerical analysis of the second device proposed in the paper by finite element analysis software. Maxwell static simulation of the device in different values of armature height, air gap and ferromagnetic material’s differential permeability are done. By comparing the results of them, the best values of them are selected, with which, the device is optimized In the Maxwell motion simulation, the paper compares device’s unloaded induced electromotive force in different turns of coil, calculates the effective power. Then, with the results, the paper analyzes the influence of load resistance and the turns of coil show on load effective power. After then, the paper verifies the rationality of device’s structure designed in the paper by a combination of simulation and theoretical analysis.4. Rectifier and filter circuit is presented and analyzed in the paper. The output voltage results in different inductance and filter capacitance values are simulated using Multisim simulation software. And then, the paper introduces the basis of inductance and filter capacitance choice.
Key Words:
vibration energy harvest, electromagnetic, low frequency, numerical analysis， wireless sensor networks
浙江工业大学硕士学位论文
要 ......................................................................................................................................... 1第1章
论 ......................................................................................................................... 11.1
课题研究的背景及研究意义 .............................................................................................................. 11.2
国内外研究现状及发展趋势 .............................................................................................................. 11.2.1
国内外的研究现状 .................................................................................................................. 21.2.2
国内外所研究装置的问题及其发展趋势 ....................................... 71.3
低频振动能量收集装置的应用领域 .................................................................................................. 81.4
振动能量收集装置的基本结构和工作原理............................................................... 122.1
引言 ................................................................................................................................................... 122.2
一种低频振动能量收集装置的基本结构和工作原理 .................................................................... 122.2.1
装置的结构 ............................................................................................................................ 122.2.2
装置的工作原理 .................................................................................................................... 132.2.3
装置的优缺点 ........................................................................................................................ 152.3
另一种低频振动能量收集装置的基本结构和工作原理 ................................................................ 152.3.1
装置的结构 ............................................................................................................................ 152.3.2
装置的工作原理 .................................................................................................................... 162.4
装置的优点........................................................................................................................................ 172.5
本章小结 ........................................................................................................................................... 18第3章
振动能量收集装置的基本理论基础 ........................................................................... 193.1
引言 ................................................................................................................................................... 193.2
电磁感应原理.................................................................................................................................... 193.3
线圈的特性........................................................................................................................................ 203.4
磁性材料的选择 ................................................................................................................................ 233.4.1
永磁体的选择 ........................................................................................................................ 233.4.2
软磁材料的选择 .................................................................................................................... 243.5
振子的受力分析 ................................................................................................................................ 253.6
装置的能量损耗 ................................................................................................................................ 263.7
磁路与漏磁通.................................................................................................................................... 263.7.1
磁路的分析方法 .................................................................................................................... 273.8
有限元分析........................................................................................................................................ 283.8.1
Maxwell软件的介绍 ............................................................................................................. 283.8.2
Maxwell静态磁场仿真的理论基础 ..................................................................................... 283.8.3
Maxwell瞬态磁场仿真的理论基础 ..................................................................................... 29浙江工业大学硕士学位论文3.9
本章小结 ........................................................................................................................................... 30第4章
低频振动能量收集装置的仿真和优化 ....................................................................... 314.1
引言 ................................................................................................................................................... 314.2
四片磁轭的振动能量收集装置的静态仿真和优化 ........................................................................ 314.2.1
Maxwell的静态仿真和边缘效应的削弱 ............................................................................. 314.2.2
网格独立性检验 .................................................................................................................... 344.2.3
Maxwell的边缘效应及其削弱 ............................................................................................. 364.2.4
永磁体尺寸及线圈铁芯尺寸的确定 .................................................................................... 414.2.5
装置的最终模型 .................................................................................................................... 414.3
四片磁轭的振动能量收集装置的动态仿真和结果计算 ................................................................ 434.3.1
装置的动态仿真与优化 ........................................................................................................ 434.3.2
振子运行在有齿边缘时的受力分析 .................................................................................... 494.4
本章小结 ........................................................................................................................................... 50第5章 外围电路的设计 ............................................................................................................. 525.1
引言 ................................................................................................................................................... 525.2
全桥式整流滤波电路 ........................................................................................................................ 525.3
本章小结 ........................................................................................................................................... 56第6章
结论与展望 ................................................................................................................... 576.1
结论 ................................................................................................................................................... 576.2
展望 ................................................................................................................................................... 58参
献 ........................................................................................................................... 59致
谢 ....................................................................................................................................... 63攻读学位期间参加的科研项目和成果 ....................................................................................... 64
浙江工业大学硕士学位论文
课题研究的背景及研究意义近年来，无线通信、片上系统和低功耗嵌入式技术的飞速发展孕育出了无线传感网络。无线传感网络以其低成本、分布式、低功耗、和自组织等特点得到了迅速广泛应用。但是无线传感网络进一步发展遇到了瓶颈，主要是其节点的供电问题[1]。目前的无线传感网络节点的能源主要由其自身携带的能量有限的电池提供，由于无线传感网络节点使用的范围广、数量多，甚至分布环境复杂，造成了其电池更换成本比较高甚至于无法更换[2][3]，一旦电池能量耗尽，该节点就很难再次被使用。这样易造成资源浪费，一个节点故障，影响整个网络拓扑结构的变化。因此，有效的延长无线传感器网络节点的使用寿命变得尤其重要。解决无线传感网络节点的供电问题可以考虑优化网络结构上以减少能耗。除此之外，也可以从能源的提供和补充角度来解决上述问题[4]。增加电池的容量会一定程度上延长无线传感网络节点的使用寿命，但这毕竟不是长远之计。因此，学者们开始考虑利用周围的各种环境能源，如人们身边微小的振动、光、热和电磁波等都可以被收集起来并转换为电能，这就是能量收集技术。在室外，太阳能可以提供15000μW/cm3的能量密度，约比其他能源高出两个数量级，然而，在室内，太阳能并不是一种有力的能源，因为室内的光能密度降低10~20μW/cm3。此时，振动能量收集（300μW/cm3）和气流发电（360μW/cm3）成为更有力的代替方案[5-7]。在自然界中，振动无处不在，如海浪波动，人行走时产生上下振动，汽车颠簸，树枝随风摇摆等，其振动能量通常被忽略，或者被减震器等设备吸收[8]。如果把振动产生的能量采集起来并为无限传感网络供电，不仅能解决上述问题，而且大量减少电池对环境造成的污染。除此之外，振动能量收集技术也可以整合进其他装置或系统，应用于实际生活或者科学研究。而通常的振动能量收集装置结构、原理简单，成本低，普及可行性比较高。因此，振动能量收集技术的研究具有重要的意义。
国内外研究现状及发展趋势未来几年将是能量收集技术实现爆发式增长的关键时期，它的应用范围也将不断扩大。据英国IDTechEx公司预测，能量收集技术的应用范围将遍及消费性电子、军事、航- 1 -浙江工业大学硕士学位论文天、保健、石油与天然气、建筑、大众运输等市场。它在飞机制造、个人健康监视系统以及防盗检测系统等领域的应用，将形成一个规模可达数十亿美元的市场。而振动能量收集技术作为最重要的能量收集技术之一，也已经逐渐成为广大学者的研究热点。特别是近几年，越来越多的振动能量收集装置被设计和研究出来，广泛应用于实际生活、科学研究和无线传感网络等领域。
国内外的研究现状振动能量收集装置即振动发电装置。目前国内外研发试制的振动发电装置依据其工作原理主要分为三种形式：电磁式、压电式和静电式。以下对三种形式振动发电装置的研究现状作简要介绍：第一，现有的电磁式振动发电装置均运用了导线切割磁磁力线产生电动势的原理。近期对基于电磁式振动发电的研究主要集中在如下3个方面：人体振动能量捕获、微型电磁式振动发电装置和宽频带振动发电。1) 人体振动能量捕获。著名的Science期刊上发表的文献[9]报道了一种安装于登山背包中并采集背包上下振动能量的振动能量收集装置，如图1-1所示。当背包重20~38千克时功率可达7W以上；Science上另一文献[10]报道，利用
一种基于人体运动的振动能量收集装置[9]膝关节往复摆动发电的装置，功率可达5W。文献[11]用永磁体间的斥力替代弹簧，设计了一种无弹簧的振动发电装置，捆绑在人体臂、腿、头和腰各处，当上述部位运动时可捕获振动能量，装置的参数设计运用了2阶段优化。文献[12]报道的发电装置与中的装置大致相同，装置由人随身携带，对人行走和跑动时进行测试表明可得到1~3毫瓦的功率，大致能为某些低功耗微传感器供电。2) 微振动发电装置。文献[13]道了多极磁体可改善在电磁- 2 -浙江工业大学硕士学位论文式振动发电装置在低频下工作性能。文献[14]认为制作电路板的材料FR4为较硅更好的振动弹性材料，为此试制了电磁式振动发电装置加以对比验证。文献[15]设计中一种MEMS电磁式振动发电装置，包含稀土永磁体、平面铜弹簧和两层铜线圈，当振动频率为121.25Hz、加速度为1.5?9.8m/s2时产生电压振幅为60mV；同一作者的进一步成果见于文献[16]，当振动频率为94.5Hz、加速度为4.94m/s2时产生电压振幅为42.6mV。英国南安普顿大学Beeby等人组成的研究小组，一直致力于微型电磁式振动发电装置的开发，文献[17]、[18]、[19]和[20]反映了研究小组在该领域的持续努力，于2007发表的论文[21]引起了轰动，被世界主要大媒体广泛报道。该论文报道的振动发电装置(见图1-2)包含一条作为弹性元件、经蚀刻加工的悬臂梁，梁末端固定2组4块稀土永磁体，当梁振动时2组永磁体中间的线圈不动，线圈中将产生电动势。装置的总体积0.15cm3，线圈绕线2300转，在振动频率为52Hz、加速度为0.59m/s2时，电压达428mV，功率46μW，能量转换率30％，为当时最好的结果. 3) 宽频带振动发电。文献[22]设计了压电执行器调整固有频率使得电磁振动发电装置达到谐振。文献[23]设计包含一组不同尺寸悬臂梁的电磁式微型振动发电装置，当外界振动频率在Hz内变化时，其发电性能均较好，能产生10mV电压、功率0.4μW。文献[24]以分段线性悬臂梁代替线性悬臂梁设计了宽频带电磁振动发电装置。
四极电磁发电装置示意图[21]
第二，压电式振动发电装置的工作原理是利用压电材料在受外界机械作用发生形变、形成内应力的情况下会产生电场。近期对基于压电振动发电的研究主要集中在如下3个方面：新型压电材料的开发、系统工作频率调整扩展和高效能量转换与存储电路设计。1) 新型压电材料的开发。压电材料对压电式振动发电装置的能量捕获能力起着至关重要的作- 3 -浙江工业大学硕士学位论文用，其性能参数直接影响产生电量的大小。目前应用最广泛的压电材料是压电陶瓷锆钛酸铅，为提高压电系统强度和能量转换效率，用于能量采集的压电材料一直在研究开发中。近期的研究结果有如下：文献[25]以离子聚合金属复合材料为压电材料，研究了其在液体环境中振动发电的机理，并进行了实验；文献[26]研究了如何应用绕性较好的复合粗光纤制作振动发电装置，并讨论了装置的有限元模拟和优化。2) 系统工作频率调整扩展。多数振动发电装置仅能在外界振动频率接近与其自身谐振频率时才能有效工作，这以成为振动发电装置未能广泛应用的瓶颈。美国麻省理工学院的研究团队等提出了一个压电系统，可以采集人体在步行中产生的能量[27]，其平均输出功率1.8mW。文献[28]设计压电振动发电装置，假设在外界振动为某种高斯白噪声，对装置充电电路中有电感和无电感两种情况，依据随机过程的理论分析了其发电能力并进行了数值分析。文献[28]设计了一种在一段频段内均能较有效通过振动采集能量的发电装置，并用于为楼宇空调暖通系统中的无线传感节点供电。3) 高效能量转换与存储电路设计。研究表明充电电路的能量损失量往往大于系统能量采集量，充电电路的优化设计是大幅度提高系统效率的重要途径。文献[29]研究了用电容储能的情况下压电振动发电过程中的充放电过程，分别对一般尺寸和微尺寸的情形进行了理论推导和实验验证。文献[30]报道了如何实现单个芯片上集成压电振动发电装置和能量转换、存储电路，并以铝氮化合物作为压电材料。文献[31]研究了利用压电振动发电实现自充电的无线传感器节点建立健康监测网络，特别是以同步切换采集技术实现高效能量采集。文献[32]主要研究能量转换和存储电路的设计，在同步切换采集技术的基础上提出了同步电荷抽取技术，并行感应同步切换采集技术和序列感应同步切换采集技术，大幅度提高了能量采集率。第三，静电式振动能量采集方法通过改变电容来产生电能。在振动能量输出电能之前，需要对电容进行极化，此时电容上带有定量电荷，当振动块运动时会改变极板之间的距离或极板对应的面积从而使电容改变，最终使电荷移动形成电流。美国加州大学伯克利分校研制出的静电式振动能量采集结果，该结构以低频振动为能量来源，采用基于硅的MEMS工艺加工制造而成的可变电容器，其基于距离调谐的静电式振动能量采集结构在工作频率为120Hz，加速度为2.25m/s2时，输出红绿为1162.25μW/cm3。2005年，日本东京大学一研究小组提出了一种微型静电式振动能量采集结构[33]，见图1-3，该结构采用高性能的聚合驻极体材料CYTOP提供电荷，实验证明，当振动频率为20Hz、负载为4MΩ时，该结构最大输出功率为0.278mW、输出电压峰值为120V。文献[34]从静电振动发电的原理出发，从理论上计算其发电能力。文献[35]的分析比较了不同容量下静电振动发电机，认为静电振动发电的最高电压偏低。- 4 -浙江工业大学硕士学位论文
一种微型静电式振动能量采集结构示意图[33]
近年来，国外在振动发电装置的研制上取得一系列重要成果。2009年，美国佐治亚理工学院实施了借助手指敲击以及仓鼠运动发电的实验，并获得了100~150mV的交流电压。该实验由佐治亚理工学院教授王中林的研究小组实施。王中林的小组一直在进行通过具有压电效应的氧化锌纳米线、从微小振动中获取电能的研究。此次将1~4根用于通过振动产生交流电压的氧化锌纳米线串联起来，像背包一样套在人的手指以及在转笼中转圈的仓鼠后背上，然后进行发电实验。每根纳米线的直径为100~800nm，长度为100~500μm。最终，通过手指发电时，手指在桌子上叩击一次可获得±20mV的交流电压，通过仓鼠的运动则获得了约15Hz、最大为100m~150mV的交流电压。2009年，比利时研究机构IMEC、荷兰研究机构HolstCentre与TNO在“2009 IEEE International Electron Devices Meeting”上宣布，联合开发出了将振动能量转换为电力的MEMS元件，该元件采用MEMS技术在150mm的SOI晶元上制成。元件尺寸为3mm?3mm?1.7mm，当振动频率为1011Hz时，能最大输出489μW的电力。该发电元件由蚀刻SOI晶元制成的悬臂型振荡器，以及将振荡器的振动转换为电力的压电电容器组成。压电电容器采用用金属箔夹着压电材料氮化铝薄膜的构造。金泽大学副教授上野敏幸开发出了可获得高达2W发电量的振动发电机。发电机的外形尺寸仅长250mm?20mm?20mm，如图1-4所示。发电原理利用施加应力后使磁化发生变化的逆磁致伸缩效应。目标是配备在汽车及家电产品上。该发电机于德国当地时间日在环境发电国际会议上发布。在此次国际会议上，金泽大学演示了用手轻击振动发电机来点亮50个LED的过程。
- 5 -浙江工业大学硕士学位论文
一种逆磁致伸缩式振动发电机
2010年，一个来自美国密歇根州的研究小组开发出利用昆虫飞行时翅膀振动发电的技术。研究人员将数枚压电发电机安装在一只经过特殊处理的绿花金龟的翅膀上，利用绿花金龟翅膀的振动发电。实验数据显示，绿花金龟飞行中的输出功率约为45mW；并且研究人员预计，如果将发电机直接与绿花金龟的飞行肌相连，发电功率还可以再提高一个数量级。这样一来，昆虫翅膀振动产生的电能足以让安装在昆虫身上的神经控制系统运转，从而实现对昆虫飞行动作的人工控制。土耳其安哥拉中东大学的Ibrahim Sari、Tuna Balkan等人和中国某一微细加工重点实验室共同研发了一种MEMS振动发电装置，该装置利用光刻技术集成线圈，通过与永磁体之间产生相对运动来发电，产生电能达微瓦级别，可以为某些低功耗设备供电[37]-[40]。2005年，宾州州立大学的研究者Geffrey等人研制出了一种的采用驱动器作为能量收集元件的压电能量收集装置[39]。该装置使用了DC-DC变换器，其最大可获70.42mW的功率。三美电机在“CEATEC JAPAN 2012”上参考展出了利用空调管道等的振动来发电的“微振动发电元件”。此次开发的微振动发电元件采用电磁感应方式。其特点是与现有振动发电元件相比，能够利用宽频带的振动进行发电。为了利用宽频带的振动，采用了竹中建筑开发的技术。据三美电机介绍，该元件除空调管道外，还可利用汽车、桥梁及建筑等的振动。该微振动发电元件的外形尺寸为直径91mm?115.5mm?37mm。能利用100mG的振动发电1.6~1.8mW。除发电元件外，三美电机还准备了集成有传感器、无线部分、DC-DC转换器及电源电路等的传感器模块，无需追加部件便可构建传感器网络。国内一些学者也致力于振动你能量收集技术的研究，并取得积极成果。文献[41]提出- 6 -浙江工业大学硕士学位论文了采用蓄能稳压技术把波浪产生的不稳定能量输入转换为稳定的能量输出的方法，并进行了数值分析和模拟。文献[42]推导出有关波浪能输出能量大小的一些重要结论。文献[43]提出了一种永磁式直线波力能量收集装置，该文献通过采用电磁场有限元数值分析的方法仿真出了了电机磁场分布以及该装置在空载时的感应电动势，并通过理论计算的方法求解了该能量收集装置的攻角特性曲面以及其定子绕组的电感参数。2011年，上海交通大学的马华安等人设计了基于环境能量采集的压电振动能量采集[45]，在悬臂梁上施加磁铁时固有频率为86Hz，产生峰值电压最大值18.6V；在悬臂梁上下方施加上面排斥下面吸引的磁铁时的固有频率为77Hz，相应峰峰值电压最大15.4V，为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案。2000年，香港中文大学的研究人员设计了一种磁体弹簧结构，它有稀土永磁体安装激光微加工的螺旋铜弹簧上形成。对蜿蜒弹簧和螺旋弹簧进行了仿真，结果表明螺旋弹簧具有双倍的位移[45]。弹簧有100μm厚德通篇经激光微加工形成。弹簧直径从4mm到10mm不等，宽度/间距从40/40μm到100/100μm不等。弹簧-质量块结构的谐振频率为64Hz。绕线线圈固定在器件外壳上。器件的整体尺寸约为1cm3。振幅100μm，在谐振频率处产生2V电压，输出功率为10mW。作者在其后的一篇论文中介绍了制备与印制电路板上的类似器件。通过对螺旋弹簧的改良，在200μm的振幅、100Hz的频率以及第三模态下，输出峰值电压科大4.4V，最大功率830μW。
国内外所研究装置的问题及其发展趋势就振动发电而言，普遍认为，鉴于尺寸效应上的特点，利用静电发电原理仅适合在微尺寸下作振动发电装置；从发电功率来看，较其他两种方式也有较大差距[46]。文献[47]比较了电磁式和压电式振动能量收集装置，结果显示当振动频率较高、加速度较大时压电式较好，而振动频率较低、加速度较小时电磁式表现较好。同时，相比其它两种方式的振动能量收集装置，电磁式的振动能量收集装置的适用频率范围比较广、结构简单、成本比较低。就虽然目前国内外已经有了相当多的电磁式振动能量收集装置，但是从现有文献看，现有的电磁式振动发电技术仍有如下问题和挑战：1. 现有文献讨论的振动能量收集装置中均未实现闭合磁路，即磁力线需在空气等磁阻很大的介质穿越较长距离，对提高磁感应强度提高发电电动势极为不利。2. 现有文献讨论的振动能量收集装置均采用导线切割磁力线的发电原理，该工作方式- 7 -浙江工业大学硕士学位论文下线圈中总磁通变化速度较慢造成发电电压偏低。如果为提高电动势而选用匝数更多的线圈，会使磁路的气隙宽度提高，从而降低磁感应强度。3. 从电磁发电的原理来说，低振动频率对获得较高电动势是不利的。现有文献中考虑的最低频率主要见于研究捕获人体振动能量的文献中[48]，其数值在2Hz以上，非常不利于研制可应用于生活实际的装置。4. 上述振动发电相关文献大多工作在其固有频率附近，或者可以工作在某个高频区段，对工作于生活中的振动一般发生在的低频区段以及振动频率随机变化的情况研究不足。鉴于上面提到的目前振动能量收集装置存在的问题，装置发电效率较低是其主要问题。而注意到目前的振动能量收集装置大多数都未能形成闭合磁路，永磁体利用率较低，这样的装置往往通过高频振动才能产生一定的能量，大大限制了振动能量采集装置的应用领域。如何研制出具有闭合磁路的、同时加快在同频率下磁通的变化率，使其能工作在实际生活中的低频振动的条件下、且产生较大的振动能量给某些较高功耗的产品或者系统使用的振动能量收集装置是未来振动能量收集装置发展的主要方向。
低频振动能量收集装置的应用领域低频振动能量收集装置的研究具有重要的意义的。其研究成果可广泛应用于实际生活以及科学研究，以下是其可能的应用领域。1. 振动能量收集装置可设计成的干电池形状的通用性振动发电电池。2010年，日本的兄弟工业公司推出了一种新型振动发电电池，它可以取代AAA电池（7号电池）。这种电池内置有一个小型的振动发电机，电池组由一个发电机和蓄电电池组成，能够支持功耗为100mW以内的电子产品使用。如可应用于在电视机遥控器上，只要在使用前只要轻轻振动几下即可，永久环保。2. 振动能量收集装置可以制成移动电源的形式。振动能量收集装置能耦合USB充电电路，装在背包里，在人体登山或者运动的情况下，振动能量收集装置能产生电能通过USB给手机、相机等电子产品充电。在外出旅行或者登山的情况下充电时常比较困难，拥有移动电源式的振动能量收集装置，那么能源提供问题将得到解决。如图1-5为国外开发的一个小型的振动发电移动供电源，该设备最大可供1000mAh电池充电。3. 振动能量收集装置可以作为无线传感网络节点的供电源[49]。无线传感器网络中存在大量在长期工作无人职守的环境中负担着数据采集、计算与通讯工作的传感器节点。由- 8 -浙江工业大学硕士学位论文于传感器网络中节点个数多、分布区域广、所处环境复杂，通过更换电池的方式来补充能源通常不可行，电池寿命成为节点寿命的瓶颈。这种永久性的振动能量收集装置的成功应用于无线传感网络系统，将升华无线网络系统，并为无线传感网络的二次开发打下坚实的基础。振动能量收集装置可以安装在自然环境中，在风吹动振动能量收集装置的过程中，振动能量收集装置将会收集振动能量并转换为电能给无线传感网络节点供电。
一个小型的振动发电移动供电源
4. 振动能量收集装置可应用于海洋波浪发电。随着海洋开发技术的进步，人们研制和生产了大量在海洋中使用的设备，如军事监测设备、海洋环境监测设备、海洋水产监测设备、小型航标和水雷等。这些海上信息设备需要有各自独立的供电装置，目前使用较多是蓄电池，但是蓄电池的电量有限，同时其携带的物质易引起二次污染。低频振动能量收集装置的研究可以解决上述问题，目前海洋波浪发电也比较多[50]-[55]。如图1-6为一种海洋波浪发电示意图。5) 振动能量收集装置可以应用在科学研究领域，如可应用于动物迁徙路径的研究中。振动能量收集装置可以安装在动物身上，连接GPS模块，当动物在迁徙的过程中，振动能量收集装置能收集振动的能量并转换为电能GPS模块供。通过GPS定位系统，那么就能得到动物的位置，这样就可研究得到动物的迁徙路径- 9 -浙江工业大学硕士学位论文
一种海洋波浪发电示意图
本章首先介绍振动能量收集装置的研究现状，接着对现有振动能量收集装置进行了归纳总结，提出了目前大多数装置存在的缺点，最后本章阐述了装置的发展趋势以及可能的应用领域。第1章：介绍课题的研究背景，国内外振动能量收集装置在工业应用与学术研究中的现状以及装置的研究意义。第2章：详细介绍了所设计的两中振动能量收集装置的基本结构以及工作原理，并阐述了所设计的振动能量收集装置相比其他装置所存在的优点。第3章：介绍并分析振动能量收集装置所涉及的的基本理论。本章以分析电磁感应原理开始，介绍了绕线线圈的特性、以及装置磁性材料的特性及选择，并分析了装置振子的- 10 -浙江工业大学硕士学位论文受力情况以及装置的能量损耗。最后介绍了装置所采用Maxwell有限元分析软件中的基本磁场理论以及采取的计算方法。第4章：通过Maxwell静态仿真优化了装置了结构和尺寸，并通过Maxwell动态仿真出了装置的空载感应电动势，进一步计算了装置的有效功率。首先本章介绍了Maxwell仿真的步骤及其方法。之后，在Maxwell的静态仿真中，通过采取固定其他参数，而调整其中某一参数的方法，分别分析了装置中气隙宽度、导磁材料的相对磁导率、衔铁高度以对装置的影响。而利用Maxwell动态仿真模拟出了装置的空载感应电动势，并进一步计算了其发电功率。最后文章仿真出了装置的受力情况以及其中的一些能量损耗，验证了装置设计的合理性。第5章：设计了装置的外围电路，并通过Multisim仿真软件仿真出了在振动能量收集装置输出电压固定情况下，不同滤波电容和电感元件对负载输出电压的影响，介绍了滤波电容和电感的选择依据。第6章：对本人研究工作进行总结，同时对接下来的研究工作进行展望。- 11 -浙江工业大学硕士学位论文
振动能量收集装置的基本结构和工作原理
引言实际生活的振动频率是比较低的，比如基于人体运动的振动，或者是波浪的振动。因此要想振动能量收集装置在实际生活中有较多的应用和发展，那么必须要求所设计的振动能量收集装置效率够高，能在低频的振动条件下产生较大的电能。第一章中介绍了一下振动能量收集装置的研究现状并进行了分析，结果表示大多数设计或者产品都未在其设计中引进闭合磁路，永磁体的利用率比较低，同时磁通量的变化速度也不够快，因此常常用高振动频率来弥补其效率的不足，虽然能够产生一定的可利用的电能，但其应用领域得到很大的限制。本章将介绍所设计的两种新型振动能量收集装置的具体结构，以及它们的工作原理。同时指出该装置相比现有振动能量收集装置所具有的优点。
一种低频振动能量收集装置的基本结构和工作原理2.2.1
装置的结构- 12 -浙江工业大学硕士学位论文作为振子上下运动的轨道，限制振子运动范围，防止其卡入左、右磁轭的齿间；另一方面也用于左、右磁轭，底座和线圈支架的径向定位，防止其发生转动。线圈支架的中间部分为细小圆柱体，称为中心铁芯，能缠绕漆包线形成线圈。
低频振动能量收集装置的结构
装置的工作原理当该振动能量收集装置轴向运动时，外壳及磁轭等与振子发生相对运动，感应线圈上磁通大小和方向不断变化，依据电磁感应的原理，线圈上将产生感应电压。结合图2-1中该振动能量收集装置的结构考虑如下五种情形，分析其磁路变化：1) 当下衔铁与左磁轭齿顶正对时，该衔铁与右磁轭齿底正对，上衔铁与右磁轭齿顶相对且与左磁轭的齿底相对。磁路走向为由永磁体N极，先后经过上衔铁、气隙、右磁轭、线圈支架、左磁轭、气隙和下衔铁回到永磁体S极，形成闭合回路。2) 振子向上振动，当下衔铁与左磁轭齿顶的相对面积大于与齿底的相对面积时，磁路走向为由永磁体N极经上衔铁、气隙后，一部分磁通经右磁轭、线圈支架、左磁轭、气隙、下衔铁，回到永磁体S极；一部分磁通经右磁轭、下衔铁，回到S极；另一部分经左磁轭、下衔铁，回到S极。- 13 -浙江工业大学硕士学位论文3) 振子继续向上运动，当下衔铁与左磁轭齿顶相对面积等于与齿底相对面积时，磁路走向为由磁体N极，经上衔铁、气隙、分别经左、右磁轭和下衔铁回到永磁体S极；由于对称性，线圈支架及上衔铁以上的磁轭部分磁通为零。4) 振子继续向上振动，当下衔铁与左磁轭齿顶的相对面积小于与齿底的相对面积时，磁路走向为由永磁体N极，经上衔铁、气隙后，一部分磁通经左磁轭、线圈支架、右磁轭、气隙、下衔铁，回到永磁体S极；一部分磁通经左磁轭、下衔铁，回到S极；另一部分经右磁轭、下衔铁，回到S极。此情形下，线圈支架上磁通方向与情形2)正好相反。5) 振子继续向上运动，当下衔铁和左磁轭齿底正对时，磁路走向为由永磁体N极，先后经过永磁体上衔铁、气隙、左磁轭、线圈支架、右磁轭、气隙和永磁体下面的衔铁回到永磁体S极，形成闭合回路。此情形下，线圈支架上磁通方向与情形1)正好相反。
图 2-2 五种情形的磁路
根据上述分析，当振子位移一个齿距，通过线圈的磁通将完成一次周期变化。根据电磁感应原理：
Vcoil?N???B?S
?N?t?t(2-1)其中，Vcoil为线圈的感应电压，N为线圈的匝数，??为磁通量变化量，?t为磁通变?t化所耗时间，?B为磁感应强度的变化量，S为线圈支架中心轴的截面积。磁轭的多齿结构，导致振子在一次振动中的磁场可产生多次交变，且变化的速率较快。使其在低频振动- 14 -浙江工业大学硕士学位论文条件下产生较大的感应电动势。
装置的优缺点本节所提出的振动能量收集装置形成了闭合磁路，提高了磁路利用率，并通过增加磁通量的变化率大大增加了装置的发电效率，使得本装置可以广泛应用于实际生活或者科学研究。同时，本发明结构设计紧凑合理解决了已有装置制造、安装困难等缺点。但是该振动能量收集装置在工作过程中左磁轭对振子衔铁的吸引力与右衔铁对振子的吸引力在水平方向不对称，导致振子在振动过程中会发生倾斜，从而使得其与滑动导轨的摩擦力增大，装置振动的振动幅度和频率也相应得到一定程度的下降，降低了装置的发电效率。
另一种低频振动能量收集装置的基本结构和工作原理上一节中提出了一种新型的振动能量收集装置，指出了该装置相比其他振动能量收集的优点。但同时指出装置在工作时由于振子受力不均衡引起的摩擦力偏大问题。本节基于该装置基础上进行了进一步的改进，在提出了另一种新型的振动发电装置，该装置在保留原装置优点的同时，解决了其振子在工作时受力不均衡的问题，提高了其发电效率。本节并对其结构工作原理进行了详细分析。
装置的结构所述改进了的装置与第一个提出的装置结构跟基本相同。为了增加振子的受力平衡，修改两片磁轭为四片磁轭，其具体结构如图2-3所示。其中，4片磁轭上各有一段凹凸等宽的方齿，相对两片磁轭成轴对称，相邻两片磁轭上的方齿错位一个齿宽。永磁体呈圆柱体，按图中竖直方向充磁，不妨假设上方为N极下方为S极。永磁体上下各有一块圆柱体衔铁，衔铁厚度等于磁轭齿宽。永磁体厚度为齿宽的偶数倍，这样可保证当衔铁正对一侧磁轭上的齿顶时，另一侧正对磁轭齿底处。振子衔铁外径稍大于永磁体外径，而磁轭方齿内径又略大于衔铁外径，即径向存气隙,气隙的大小将在后面讨论。底座起定位作用，与磁轭支架一起卡死4片磁轭。衔铁外侧分别沾接着上下缓冲，保护振子特别是永磁体，避免振子与底座或线圈支架碰撞受损，但其实这种情况不太会发生，
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顶轭盖子橡胶圈线圈上磁轭支架外壳衔铁弹性缓冲垫磁轭下磁轭支架
另一种低频振动能量收集装置的结构图
装置的工作原理该四片磁轭的振动能量收集装置的工作原理与前面的所述装置的工作原理比较相似。同样，为分析线圈磁通的变化，考虑下列5种情形：1) 永磁体下面的下衔铁与左右磁轭的齿顶相对时，该下衔铁与前后磁轭的齿底相对，永磁体上面的上衔铁与前后磁轭齿顶相对且与左有磁轭的齿底相对。由于铁磁材料传递磁力线的特性，磁力线由永磁体的N极发出，先后经过永磁体上面的上衔铁、气隙、前后磁轭、顶轭、左右磁轭、气隙和永磁体下面的下衔铁回到永磁体的S极，形成闭合回路。2) 振子向上振动，当永磁体下面的下衔铁与左右磁轭的齿顶的相对面积大于与齿底的相对面积时，磁力线从永磁体的N极发出，经过上衔铁后，大部分磁力线经过气隙向前后磁轭走，再经过顶轭、左右磁轭、气隙、下衔铁，回到永磁体的S极，但也有磁力线经上衔铁、气隙、四片磁轭、气隙、下衔铁，回到永磁体的S极。与情形1)相比，通过线圈支架的磁通减少了。3) 振子继续向上继续振动，当永磁体下面的下衔铁和左右磁轭的齿顶相对的面积跟与齿底相对的面积相等时，磁力线从永磁体的N极发出，传向上衔铁，再经过气隙分别传向- 16 -浙江工业大学硕士学位论文四片磁轭，由于左右对称性，磁力线向上走的部分相互抵消，即磁轭上面中轴上的磁感应强度为0。四片磁轭各自向下走的磁力线，分别经过磁轭和气隙传到下衔铁，再回到永磁体的S极。4) 振子继续向上振动，当永磁体下面的下衔铁和左右磁轭的齿顶的相对面积比与齿底相对面积小时。磁力线从永磁体的N极发出，大部分磁通经上衔铁、气隙、四片磁轭、气隙、下衔铁，回到永磁体的S极。另有一部分磁通经过上衔铁、气隙、左右磁轭、顶轭、前后磁轭、气隙、下衔铁，回到永磁体的S极。与情形2)相比通过线圈支架的磁通方向相反。5) 振子继续向上振动，当永磁体下面的下衔铁和左右磁轭的齿底对齐时，磁力线由永磁体的N极发出，先后经过永磁体上面的上衔铁、气隙、左右磁轭、顶轭、前后磁轭、气隙和永磁体下面的下衔铁回到永磁体的S极，形成闭合回路。此时的磁力线走势跟情形1)正好相反。相比于上一节提出的低频振动能量收集装置，该装置解决了前面提出的振动发电装置的受力不平衡以致影响装置性能的缺点，减少了导轨对振子的摩擦力。在受同一外力作用下，装置的振幅以及速度得到了一定的提高，进而提高了该装置的发电效率，
装置的优点前面两节提出两种新型的低频振动能量收集装置，并介绍了其结构以及工作原理。比较其他同类装置，该装置具有如下显著特点：第一，注重构成闭合磁路，使得装置可高效地利用磁能，能量转换率大幅提高；第二，针对低频振动的条件限制，设计了多齿结构，导致振子在一次振动中磁场可产生多次交变，大大提高了感应电动势和发电功率；第三，磁轭多齿结构形成的磁场限制了振子运动范围，无需安装专门的弹簧或永磁体进行限位，保护振子免受撞击，简化了结构和组装，这将在第四章中结合仿真结果和理论分析来作进一步说明。此外，
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本章小结本章提出了两种可工作在低频环境下，并产生较大电能的振动能量收集装置。本章首先提出了一种振动能量收集装置，详细地介绍了它的结构以及工作原理，同时也指出了该装置存在的缺点。进一步，作者通过改进第一种装置的缺点，提出了第二种振动能量收集装置，同样的，论文详细介绍了它的结构以及工作原理。最后论文分析了这两种装置对比起它现有装置所具有的优点。- 18 -浙江工业大学硕士学位论文
振动能量收集装置的基本理论基础
引言3.5节对装置振子的在工作时进行了基本的受力进行。3.6节介绍了装置工作中的能量损耗问题。3.7分析装置的磁路以及漏磁通问题。而在3.8节中，作者通过分析Maxwell有限元分析中采取的分析方法和计算手段，对三维静态磁场和动态磁场的仿真的基本理论做了详细描述。
电磁感应原理[55]。电磁感应的定律为：线圈的感应电动势，与线圈磁通随时间变化率成正比，即 V??d?
dt (3-1)式中，?为线圈的磁通，V为感应电动势，。本装置中的线圈由漆包线绕制而成，假设其匝数为N。则线圈的感应电动势可表示为：
V??d?d???N
dtdt(3-2) 式中，?为每匝线圈的平均磁通。磁通的大小可由磁感应强度在其面积上的积分求得，即???B.dA，则线圈的总磁通又可表示为每匝线圈的磁通之和：????B.dAi?1N(3-3)式中，B为第i匝线圈的磁通密度。假设磁通在感应线圈中均匀分布，则式3-3又可简化??NBAsin(?)，?为磁通密度和线圈平面的夹角。因此感应电动势可表示成：
V??NAdBsin(?)
Dt(3-4)在本装置中，线圈感应电动势在一段时间的变化情况决定于振子与装置其他部分的相- 19 -浙江工业大学硕士学位论文对运动，假设振子相对于装置其他部分的运动方向为x方向。则的感应电动势可以进一步表示为速度与磁链梯度的乘积。
V??d?dxd?dx??N
dxdtdxdt(3-5)若在装置两端接入电阻RL的负载，则线圈与负载将形成闭合回路，负载可以从回路中提取功率。此外，感应线圈中的电流也会产生磁场，其方向与永磁体产生的磁场的方向相反，形成阻碍振子运动的作用力。在装置振动的过程中，机械能与电磁力Fem为相互作用的过程，并转化为电能。而电磁力与回路中的电流成正比，则可得到其也正比于速度，因此，Fem可进一步表示为电磁阻尼Dem与速度的乘积：
dt(3-6)为了负载获得较大的输出功率，振动能量收集装置设计过程中应使电磁阻尼Dem最大化，因此如何合理设计电磁磁阻及其参数至关重要。电磁力提取的瞬态功率可表示为电磁力与速度的乘积：
Pe?Fem(t)dx(t)
dt(3-7)这些功率主要消耗在负载和感应线圈上，忽略其他消耗，则可得：
dtRL?Rc?jwLc(3-8)式中， Rc为线圈电阻，RL为负载电阻，Lc为线圈电感，代入前面的式子可得，感应电压等于磁通梯度与速度的乘积，则电磁阻尼可由下式表示：
Dem?1d?2()
RL?Rc?jwLcdt(3-9)由上式可知，要使电磁阻尼达到较大值，需要增加线圈磁磁通密度。而磁通梯度又主要取决于线圈的匝数、线圈的磁通面积、产生磁场的永磁体的特性（见3.4节）。对于实际生活中低频振动的环境下，线圈的阻抗组要表现为电阻，线圈电阻取决于线圈的匝数、漆包导线的特性以及线圈的绕线方式等。本装置的线圈采用的式绕线式线圈，其特性在下一节讨论。
线圈的特性前面提出了线圈的特性对装置性能有一定影响，本节将介绍线圈的主要特性。文献[57]- 20 -浙江工业大学硕士学位论文对线圈的特性作了详细介绍。在线圈固定情况下，线圈的匝数决定于线圈的具体绕线结构、所用漆包导线的尺寸和以及其绕线密度。漆包导线由外面绝缘部分以及其中心金属线组成，其中金属线所占的百分比称为填充率。假设填充率为f，则其与线圈的面积Acoil和导线的面积Awire的关系可表示为Awire?f?Acoil/N。填充率决定了线圈的匝数和其电阻，进而影响装置性能。本装置采用标准漆包线，其填充率可由表3-1求得。在前面提到线圈的导线的粗线以及线圈的匝数决定了装置的感应电压和负载的有效功率，选用何种尺寸的漆包导线需要认真考虑。依据本装置的结构特点，漆包线直径范围可取0.045~0.35mm，其标准漆包线规格见表3-1。本装置绕线线圈图3-1所示，包括线圈内半径ri，线圈外半径ro以及线圈高度t。线圈匝数，绕线导线的总长度以及线圈的总电阻可由3-10至3-13求得。
VT??(ro2?ri2)t- 21 - (3-10)浙江工业大学硕士学位论文
Lw?4fVT?wd2(3-11) (3-12) (3-13)LwN2?(ro?ri)NLMTRc??????AwAwf(ro?ri)tN?Lw
ri?(ro?ri)/2表3-1
漆包线圈的规格
- 22 -浙江工业大学硕士学位论文在式3-10至3-13中，wd为导线直径；Aw为导线面积；Acoil为线圈面积；Lw为导线长度；为LMT每匝平均长度；N为线圈匝数；VT为线圈体积；f为线圈填充率；?为导线电阻率；Rc为线圈总电阻。知，单位导线长度的电阻值通过查询可知。则线圈匝数已知的情况下，可通过计算得到导线的总长度，并进一步计算线圈的总电阻，在第四章将作具体求解。线圈电感可以表示成线圈匝数和线圈尺寸的函数。然而，在
磁性材料的选择本装置形成了闭合磁路，依靠软磁材料制成的磁轭和线圈支架来传递磁力线，软磁材料的磁传导能力决定了装置的性能。提高磁轭和线圈支架的导磁能力能使较多磁力线按着装置设计的磁路传递；而在一定范围内提高永磁体性能，则能有效提高线圈的磁链，在同一振动频率下能有效提高感应电动势。因此磁性材料的选择至关重要。
永磁体的选择电磁式振动能量收集装置中的磁场由永磁体或者通电磁铁产生。由于通电磁铁由于其需要通电，导致其适应范围比较狭隘，因此为提高通用性，本装置采用永磁体。永磁体特性的主要参数有磁能积、矫顽力、剩于磁感应强度三项。其中，磁能积代表了永磁体在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量。磁能积越大，则储存在单位体积内的磁能也越大，材料性能越好。矫顽力是指使磁化至技术饱和的永磁体的磁感应强度降低到零所需要加的反向磁场强度，矫顽力越大，永磁性就越好。剩于磁感应强度是指永磁体经磁化至技术饱和并去掉外磁场后，所保留的磁感应强度。参数数值愈大表明永磁材料的性能愈好。文献[57]对永磁体作了详细分析。永磁体包括磁钢、铁氧体和稀土永磁体。磁钢开发于20世纪40年代，它的优点是不受温度影响，可用于高温环境，同时它的耐腐蚀性比较好，因此具有较长的适用寿命，其最大磁能积仅次于稀土永磁体。而铁氧体的性能相比其他两种永磁体而言是比较差的，但是由于其成本低廉，也被广泛应用。稀土永磁材料是指将钐、钕混合稀土金属与过渡金属(如钴、铁等)组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种具有高磁能积、高矫顽力、高剩磁磁性材料，其中的钕铁硼系列- 23 -浙江工业大学硕士学位论文永磁体最大磁能积可达398kJ/m3，剩磁最高可达1.47T，是目前磁性最高的永磁材料。在相同体积下，稀土永磁体的磁场强度最大，因此常常成为振动能量装置的首选，同时由于它的矫顽力比较高，不会因为装置的振动而退磁，因此，本装置选用稀土永磁体作为其材料，确定以NdFe35作为永磁材料。
软磁材料的选择本装置中的磁轭和线圈支架的材料选用软磁材料。所谓软磁材料是指磁化发生在矫顽力不大于1000A/m的磁化材料，文献[58]中详细描述了软磁材料。软磁材料的主要磁性能参数包括磁导率、饱和磁感应强度、矫顽力、剩余磁感应强度、居里温度和损耗。磁导率决定了该材料传递磁导率传递磁力线的能力，是比较重要的参数之一。本装置中的磁轭和线圈支架起着传导磁力线的作用，且传递方向不断改变，因此宜选用而低矫顽力、高磁导率特点的材料，而软磁材料恰好具有以上两个特点。软磁材料的磁导率决定了装置的性能，这主要是由于直线感应电机边缘效应的存在。在第四章中，论文将详细分析边缘效应，并通过对比不同的软磁材料磁导率时装置的仿真结果来削减边缘效应并选取适合本装置的软磁材料。饱和磁感应强度指的是物体可以达到的最大磁化状态。物体内部可以看做有很多个磁畴，没有充磁之前是杂乱排列的，不显宏观磁性，加上外加磁场后，磁畴定向排列，显磁性，外加磁场越大所显磁性越强，当达到一定程度时，物体磁性不再增加，即达到饱和磁化状态，此时物体内部的磁场强度就为饱和磁感应强度。本装置中的衔铁高度较小，容易达到饱和磁感应强度，达到饱和后的衔铁将具有一定磁性，其对衔铁的吸引力也会增大，导致振子与滑动导轨的摩擦力增加，影响装置的性能。下一章中，作者将通过静态仿真来确定相应的相对磁导率来确定材料，进而选择合适的饱和磁感应强度。软磁材料的矫顽力与永磁材料的矫顽力类似，矫顽力越大，材料的磁化难度越大，本装置中的磁轭和线圈支架起着传导磁力线的作用，且传递方向不断改变，宜选用低矫顽力的材料。剩余磁感应强度是指软磁材料的磁场强度为0时的磁感应强度，其值可由材料的磁滞回线得到。居里温度是软磁材料能工作的基本因素。当软磁材料达到某一温度时，其磁化将消失，材料转变为顺磁性，这一临界温度称为居里温度，应保证软磁材料的工作温度低于距离温度。本装置的工作在低频条件下，摩擦力较小，产生温度远远小于一般材料的居里温度，因此不予以考虑。- 24 -浙江工业大学硕士学位论文损耗是主要包括涡流损耗及磁滞损耗，本装置软磁材料的损耗的计算复杂，在下一章Maxwell仿真软件来计算软磁材料的损耗。
振子的受力分析目前国内外的论文对于这种类型的振动能量收集装置的分析技术已经相当成熟了，包括文献[59][61]，文献[62]-[67]更是作了深入分析。其思路是考虑用弹簧质量模型代替原模型的分析。由于本装置不具有弹簧，采用该分析方法并不完全合适，但可以借鉴其分析方法。当外力作用在装置的外壳上时，振子和磁轭及外壳发生相对运动。振子Z方向受力分析如图3-2所示。振子的运动方程如下：F?f?mg?ma (3-14) 式中，F为磁轭对衔铁的吸引力的合力在Z方向的分量，其大小和方向在振子的运动过程不断变化；f为空气阻力和导轨对衔铁的摩擦力的合力；mg为振子自身的重力，其重力的分析基于装置在垂直位置工作的情况下考虑的，而实际生活中，装置常常有一定的倾斜度，假设其倾斜角度为?，则只需要将上式中的mg改为mgcos?就行。
振子的受力分析
磁轭对衔铁的吸引力可以用公式求得。本装置中，因为软磁材料的磁导率比较大，所以磁能大多数在空气隙里面，空气隙的能量可通过下式求得：- 25 -浙江工业大学硕士学位论文Wm??wmdV??VV1dV??BHdV 2?0?r2VB2(3-15)其中，B为空气的磁感应强度，H为磁场强度，dV为空气体积的微分，磁轭对衔铁的吸引力可以通过空气隙的能量对位置的偏微分可得，即：
F???Wm ?x(3-16)但是由于空气体积的积分比较难以求得，因此磁轭的衔铁的吸引力可以借助有限元分析软件仿真求得。第二章提到除非振子冲击力非常大，否则不会用到衔铁上附着的上下弹性泡沫。这是由于当振子运动到位于磁轭上有齿一段的上边缘或下边缘并继续向上或向下运动时，四片磁轭上方齿对振子的吸引力在轴向上的合力与运动方向相反，这将阻止振子继续向前运动，并将其拉回有齿段。第四章最后，文章通过动态仿真求出了振子过磁轭上有齿一段后对振子的吸引力的合力，并通过分析计算了其理由
装置的能量损耗装置在振动过程中，有部分功率被损耗掉，使装置发热。其能量的损耗包括：铜耗、铁损耗、机械摩擦损耗、以及其他损耗。其能量的总损耗公式所示：?P?PCu?PFe?Pmec?Pad
(3-17) 其中，PCu为铜耗，线圈的感应电压使线圈中产生电流，电流流过时线圈中的电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消失；PFe为铁损耗，为硅钢片的磁滞和涡流损耗。其中磁滞损耗是指铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。同时由于装置在振动时，线圈中会产生交变电流，它产生的磁通是交变的。这个变化的磁通在铁芯中产生感应电流，其环流在垂直于磁通方向的平面内，称为涡流。涡流同样会消耗一部分功率，同样使铁芯发热；Pmec为机械损耗，为振子上的衔铁与滑动轴之间的摩擦以及振子与空气之间的摩擦消耗掉的功率；Pad为其他没有考虑到而实际又存在的杂散损耗。上述提到的能量的损耗大多数可以通过Maxwell仿真软件求得，见第四章动态仿真结果。
磁路与漏磁通第二章介绍了装置的工作原理，磁力线由永磁体发出，经过软磁材料和气隙回到永磁- 26 -浙江工业大学硕士学位论文体构成闭合回路，该回路就是磁路。电动机、发电机、变压器等设备往往是由软磁材料、气隙构成多条磁通路径，这其中是沿着激励源伸展开的磁通路径成为磁路，磁路是机电能量转换装置中的重要组成部分。上一章中提到磁力线在振子处于不同情形下的磁路走势，这些由人为理想设计的磁通路径成为主磁路。主磁路是装置设计时考虑的首要因数，而有些磁通路径并非人为理想设计的，而是由材料特点、或者边缘效应等引起的称为漏磁路。在本装置中由于软磁材料的具有饱和的特性，当主磁路的软磁材料的局部磁通达到饱和值时，该软磁材料磁通不会增加，磁力线的为选择其他磁路较小的路径，例如情形1）下除了主磁路外，由永磁体发出的磁力线经过衔铁和气隙后传到前后磁轭后，有一部分往下经过气隙和衔铁回到永磁体。漏磁路影响装置的性能，如何削弱漏磁通是装置优化时考虑的一大重点和难点，这将在后面的章节讨论。
磁路的分析方法磁路与电路相似，除受磁路非线性的限制外，磁路的大部分分析方法跟电路的分析方法类似，文献[58]对装置磁路进行详细分析。假设铁磁材料组成的磁路由路段1,的磁场的关系可表示为：2,3,4组成，则在有负载情况下的电路与其产生?H.d?H11?H22?H11?H22?NI
(3-18) 由B??H和B??/A可得：
????1dd?A?NI
(3-19) 如果沿磁路方向的磁通?为常数，则：
?1A1????nd?nAn?NI
(3-20) (3-21) ?1?1??n?n?NI
(3-22)式中，值?被称为磁阻，它类似于电路中的电阻，是磁路中磁力线在传导过程中遇到的一种阻碍。磁路中磁阻在同一介质中的大小与该磁路的长度成正比，与磁路的传导介质的横截面积S成反比，这跟电阻基本一致。除此之外，它的大小还与组成磁路的介质的材料有关。在闭合磁路中，沿着闭合路径的所有磁势降之和等于该磁路的磁动势，这称为磁路- 27 -浙江工业大学硕士学位论文中的基尔霍夫定律，它保证穿出任何闭合面的总磁通量恒为零。在本装置中除了所设计的闭合磁路外，由于装置的边缘效应的存在也引起了副磁路的存在。因此在设计时增加主磁路所占的比重是需要重点考虑的，通过前面分析可知，可以通过增加副磁路的磁阻或者减少主磁路的磁阻来实现。
有限元分析由于本振动能量收集装置是新型的未经验证过的发电装置，需要通过一定的计算方法来验证装置的可行性及其发电效率。通常大型模型的磁场问题的研究和计算往往比较复杂，经常需要把计算细化、模型区域化来解决问题，这便通常用到有限元法。有限元方法能把复杂的问题简单化，把大模型转换为区域单元解决，已经成为电磁场、电磁波工程问题仿真与优化设计的主要方法。本装置采用有限元分析仿真软件对装置进行仿真。
Maxwell软件的介绍目前市面上有很多仿真软件，著名的有ANSYS、Maxwell等。本振动能量收集装置工作在低频条件下，宜选用Maxwell有限元仿真软件。Maxwell限元分析仿真软件的功能包括Maxwell 2D和Maxwell 3D，相比于Maxwell 2D，Maxwell 3D的功能更加强大且分析结果更加精确，它可以分析位移电流、涡流、集肤效应和邻近效应等对装置有一定影响且手动计算复杂的系统，同时也能得到永磁体、线圈等电磁部件的整体特性。当设定好相应的参数，如损耗参数后，Maxwell 3D还能仿真功率损耗、线圈损耗、以及电磁力等，这将大大减少计算工作，为用户带来极大方便。本装置的仿真不仅得仿真出装置的感应电压，同时也要仿真出各个备件的损耗及电磁力，因此选用Maxwell 3D仿真。本装置的有限元分析主要是静态磁场的仿真以及瞬态磁场仿真，文献[68]对Maxwell的静态磁场分析和动态磁场分析理论作了详细介绍。
Maxwell静态磁场仿真的理论基础在下一章中，作者将通过Maxwell的静态磁场来优化装置结构和材料。Maxwell静态三维磁场的仿真计算采用棱边法，通过剖分单元边上待求场量来计算自由度。相比其他仿真软件，三维静磁场仿真的功能更加强大，除了可以计算基本的工程电磁场外，也可以分析永磁体的性能。三维静态磁场的仿真计算是基于麦克斯韦方程组的，如下式：- 28 -浙江工业大学硕士学位论文???H(x,y,z)?J(x,y,z)
???B(x,y,z)?0?(3-23) 其中，H(x,y,z)为磁场强度，J(x,y,z)为电流密度，B(x,y,z)为磁感应强度。它们分别由它们各自三个方向的矢量相加所得。如：B(x,y,z)?Bxx?Byy?Bzz
(3-24) 其中，Bx，By，Bz为三个方向上的标量磁感应强度。而永磁材料的描述可以用下式表示：B??0??r?H??0?Mp
(3-25) 其中，?0是真空磁导率，?r是材料的相对磁导率，Mp永磁体材料的极化程度。软磁材料的各向磁导率往往是不同的，则其静态磁场通过三个方向各自相对磁导率的张量形式表示：??rx?r?????而磁场强度H又可以表示成：?ry???
?rz??(3-26)
H?HP????HC
(3-27) 其中，?为软磁材料的标量磁位，HP为其磁场强度，HC永磁体产生的磁场强度。本装置中的网格划分采用四面体网格划分，其四面体上有10个待求解的自由度，其中包括四面体六条边上的磁感应强度以及其四个顶点上的标量磁位。在Maxwell中静态仿真中，常常采用二次插值逐步逼近的方法来求解每个网格剖分单元内的场量。本装置中的静态仿真主要是指装置的磁场分布问题，在第四章中，将通过静态仿真结果优化装置的结构、尺寸以及相应的材料。
Maxwell瞬态磁场仿真的理论基础三维瞬态场的分析与静态磁场分析类似，都是采用T??算法，但同时也引进了局部剖分法来计算由瞬态运动导致的结果。在本装置工作的低频环境下，麦克斯韦方程组可以写为式3-47形式： ???H??E??B???E?
??t?????B?0- 29 -
(3-28)浙江工业大学硕士学位论文合并1，2两行得：
1?B??0?????H?
??t????B?0?(3-29)Maxwell的三维瞬态场的求解不同于其三维静态磁场求解，其四面体单元上的四个节点采用二阶元计算，而其六条棱边上的矢量位自由度则采用了一阶元计算。本装置的三维瞬态磁场中，感应线圈采用的是绕线式线圈。在其仿真时不考虑分布，认为线圈内的电密均匀的。同时，因其电阻值是一个集中参数，可以直接由电压源和直流电阻计算得到电流的数值。在本装置的三维瞬态磁场的仿真中，振子的运动都是瞬态的，在每一个瞬态的过程中同时也包含着电磁计算。通过Maxwell的瞬态仿真可以仿真出线圈的感应电动势、衔铁对振子的吸引力以及装置的能量损耗等问题，大大方便了装置的分析和验证。
本章小结本章详细分析了所设计的两种振动能量收集装置的基本理论。本章开始于电磁式振动能量收集装置所依据的电磁感应基本原理的介绍，接着分析了装置主要结构采用的材料的基本特性以及选择理由，包括线圈和磁性材料，接着分析了装置工作时的受力情况、能量损耗问题以及磁路等问题。最后，作者详细分析了Maxwell仿真软件中的基本理论基础，包括三维静态磁场理论分析和三维瞬态磁场理论。- 30 -浙江工业大学硕士学位论文
低频振动能量收集装置的仿真和优化
引言在第二章中，我们提出了两种低频振动发电装置的初始模型，并在第三章中介绍了装置的基本理论。本章将作者将根据文本提出的第二个模型进行仿真和优化，在4.2节中，介绍了Maxwell静态仿真的基本流程，并通过静态仿真结果分析了边缘效应，通过对比不同衔铁高度、气隙宽度、软磁材料的磁导率时的仿真结果，优化了装置的结构和尺寸。在4.3节中，使用装置的Maxwell动态仿真模拟出了振动能量收集装置的空载感应电动势，并在该结果上进一步计算了负载的最大有效功率。同时在装置尺寸固定条件下，对比了不同漆包铜线半径时的绕组的空载感应电动势以及相应的负载所能达到的最大有效功率。最后作者通过动态仿真求出了装置的能量损耗以及磁轭对衔铁的吸引力，并结合了理论分析，验证装置设计的合理性。
四片磁轭的振动能量收集装置的静态仿真和优化4.2.1
Maxwell的静态仿真和边缘效应的削弱Maxwell的仿静态仿真是指通过仿真软件求解装置的磁场分布，磁力线走势等问题，其流程如图4-1所示。其仿真的主要步骤包括建立模型、材料设置、施加载荷或、网格划分、设置求解参数、结果查看6个过程，下面将结合第二章提出的第二种振动能量收集装置对这六个过程作详细分析。建立模型就是在仿真软件中建立装置中各部分的结构。由于静态仿真只对装置的磁场进行仿真，因此模型中只保留了装置中与磁场相关的部分。其初始模型如图4-2所示。模型包括线圈铁芯、磁轭、衔铁和永磁体。其中线圈铁芯高度10mm，铁芯半径1.5mm；磁轭总高度56mm，包括扇形部分和有齿部分。扇形部分外半径7.5mm，内半径3mm，扇形高度1.5mm。有齿段的磁轭的支架外半径7.5mm，内半径5.8mm；方齿高为4mm，内半径4.8mm；；永磁体半径为3mm，高度为8mm；振子上下衔铁高度为4mm，半径为4.65mm；除此之外还应该建立一个仿真的环境，即空气模型，其形状为圆形，其地面半径、宽度分别为10mm、80mm。- 31 -浙江工业大学硕士学位论文图4-1
Maxwell仿真流程图
材料设置就是赋给模型中的零部件以相应材料，在仿真前，将材料赋予模型相应部分。在本装置的Maxwell仿真中，只需有永磁体，导磁材料和空气三种材料。空气在仿真中的材料属性只用到其相对磁导率，其数值为1；不同导磁材料的相对磁导率对装置的性能影响较大，设置导磁材料的初始相对磁导率7000；永磁体采用稀土永磁体NdFe35，其矫顽力为923KA/m，剩磁密度为1.3T，最大磁能积为239KJ/m3。载荷包括激励和边界条件，它是有限元分析能求解成功的关键因数，不同的有限元分析模型在不同的激励以及不同边界条件下相应。磁场中常见的有磁势、磁通量等边界条件等，就本装置的静态磁场仿真而言，只需主要设置空气模型的边界条件，仿真中设置空气模型边界上的垂直磁通量为零。磁场中的激励很多，如产生磁场的通电线圈、永磁体等，激励常常是磁场源，是仿真中必要条件之一。本装置仿真中，永磁体本身是唯一的载荷，不用额外为其施加载荷，只要赋予永磁体相应的材料属性即可。- 32 -
浙江工业大学硕士学位论文
振动能量收集装置的仿真模型
网格划分，就是将模型各个部分通过划分成有限元的方法把大区域划分成小区域，它是有限元模拟仿真的基础。Maxwell有两种网格剖分形式，其一是自适应剖分；其二是手动剖分。其中手动剖分为选择剖分和内部剖分。其中，选择剖分包括基于长度的网格划分和基于表层深度的网格划分。本装置是基于电磁场仿真，因此应该考虑电磁场的集肤效应以及气隙的网格密度。集肤效应主要集中在导磁体表面，因此可以考虑从内到外将网格剖分从疏到密的剖分，所以采用Maxwell提供的表层剖分功能。本装置仿真中内部结构的网格划分和空气网格划分如图4-3所示。网格的密集程度以及网格的划分质量对装置的仿真结果会产生一定的影响，这将在下一小节中讨论。Maxwell仿真的求解条件设置包括设置迭代方法、求解时刻以及求解时间间断。在静态仿真中主要是指设置迭代方法和迭代次数，在本装置的仿真中设置迭代次数为30次，设置求解时间间断为每0.001秒求解一次。结果查看是指根据仿真的目的查看相应的结果，例如磁通量、磁场吸引力、磁场强度等。本静态仿真的主要目的验证装置的工作原理以及优化装置的结构。在本装置的静态磁场仿真中，可以查看装置磁场分布的矢量图来验证装置的磁路走势，而查看装置磁场分布的标量图可以得到装置各零部件的磁场情况，进而通过比较、分析优化装置。如图4-4a所- 33 -浙江工业大学硕士学位论文示为装置在情形1）的矢量磁感应强度结果图及其部分区域放大图，图4-4b为其标量图。由图4-4a结果可知仿真结果的磁力线走势跟理论并不完全相同，这是因为边缘效应导致的。
模型的网格划分
网格独立性检验上一小节提到网格的密集程度以及网格的划分质量对装置的仿真结果有一定影响。本装置的零部件形状相对比较规则，采用的Maxwell提供的表层剖分功能划分出质量较高的网格。但是网格密集程度对仿真结果的有一定影响，网格的数量越多，仿真结果越精确，但同时也会减缓电脑运行，因此需要选择电脑在可承受范围内的合适的网格数量，并且保证网格划分对静态磁场仿真结果没有太大的影响，这就有必要进行网格的独立性检验。在本装置的Maxwell静态仿真中，论文通过对比了网格数量分别为、10000以及100000时的静态磁场仿真结果（见图4-5），由4-5的对比结果可知，当网格数量大于10000个时，线圈铁芯上的磁感应强度变化不大。因此，本装置的网格划分选用10000个网格单元的网格划分。- 34 -浙江工业大学硕士学位论文
情形1）的矢量磁场分布图及其部分区域放大图
情形1）的标量磁场分布- 35 -浙江工业大学硕士学位论文
网格的独立性格检验
Maxwell的边缘效应及其削弱在4.2.2小节提到了边缘效应影响了装置的磁力线走势，这里将对其作详细分析。在理想的情况下，装置的磁力线走势如第二章的5种情形所示，但是由于直线感应电机边缘效应的存在，磁力线的走势会发生一定变化。磁力线传递的路径称为磁路，本装置的磁路介质由空气和铁磁材料组成，空气中的磁阻较大，而软磁材料的磁阻较小，磁力线的传递跟磁阻的大小相关，总磁阻越小，则传递的磁力线越多。如在上述情况1）下，当上衔铁与左、右磁轭的相应磁顶对应时，其与前、后磁轭的相应齿底对应，但同时由于它与前、后磁轭相应齿底上、下的齿顶间的空气隙距离较小，即磁阻较小，所以磁力线从N极发出经过上衔铁后会有一部分传到前、后磁轭。如图4-6所示为理想情况下磁路走势和实际磁路走势的对比，图中左边磁轭代表实际中左、右磁轭，右边磁轭代表实际中的前、后磁轭。上面的由于边缘效应引起的另外一条磁路称为副磁路，副磁路在第二章中有了详细介绍。副磁路的存在影响装置的效率，因此应削减其在总磁路中的比例。为了削弱边缘效应，减少副磁路的比重，可以通过减小衔铁的高度来实现。减少衔铁的高度，则副磁路中的空气隙的距离增加，导致副磁路的磁阻增加，进而减小副磁路中的磁力线数量；也可以适当增加衔铁的半径，即主磁路中的空气隙的距离减小，导致主磁路- 36 -浙江工业大学硕士学位论文中的磁阻减小，主磁路中的磁力线数量得到增加；同样，选择较高磁导率的铁磁材料也能减少主磁路磁阻，进而削弱边缘效应。
理想磁路走势实际磁路走势图4-6
所示为理想情况下磁路走势和实际磁路走势的对比
上述提到减少衔铁的高度，可以削弱边缘效应。作者通过固定其他对比不同的衔铁高度时静态磁场仿真的结果的来查看衔铁高度对边缘效应的影响。在建立模型时，需要考虑在减少衔铁高度的同时，应保证上、下衔铁分别对应相应磁轭的中间部分以确保装置在磁力线按所设计的磁路方向传递，并且保持永磁体大小和高度不变以方便对比验证。为此，在建立模型时需在衔铁与永磁体之间增加与永磁体具有相同半径的铁磁圆柱体来传递磁力线，该圆柱体上、下分别与衔铁和永磁体相邻，如图4-7所示。不同的衔铁高度时对应的装置静态磁场仿真结果如图4-8所示。图中可知，衔铁高度变化，装置线圈铁芯上的磁感应强度有略微变化，特别变化不是特别明显，特别是当衔铁高度小于3mm时，衔铁高度的减少对边缘效应影响不显著，因此可以选择衔铁高度为3mm，其与方齿高度差1mm。上述提到增加衔铁的半径可以减小主磁路的空气间隙，进而削弱边缘效应，提高装置性能。在振子位于第二章的情形1）位置时，作者通过固定衔铁高度为3mm来对比不同的空气间隙时的铁芯上的磁感应强度，如图4-9为不同的空气间隙下的静态磁场仿真结果。根据该结果可以得到装置中线圈铁芯上磁感应强度与气隙宽度大小的关系图如图4-10所示。根据图4-10，随着单侧气隙减小，线圈最大磁感应强度持续增大。然而考虑到加工条件限制，本装置采用空气隙宽度为0.1mm。- 37 -浙江工业大学硕士学位论文
修改后的装置模型
图 4-8 不同衔铁高度时的仿真结果对比- 38 -浙江工业大学硕士学位论文
不同的空气间隙下的仿真结果对比
线圈铁芯磁感应强度与气隙宽度大小的关系图
提高软磁材料的磁导率能大大减小主磁路中的磁阻，进而对削弱边缘效应，提高装置工作效率。在软磁材料分别为、、12000时的仿真结果对比如图4-11所示。通过描点法可得线圈铁芯上的磁感应强度与软磁材料相对磁导率的关系如图4-12所示。根据图4-12，线圈磁感应强度随着软磁材料相对磁导率的增大而增大，当软磁- 39 -浙江工业大学硕士学位论文材料的相对磁导率大于10000后，线圈磁感应强度增长斜率下降明显，说明进一步提高软磁材料的相对磁导率将使边缘效应的削弱；同时由于软磁材料成本随其相对磁导率增大而显著增大。综合考虑，选用相对磁导率为10000的软磁材料。
图4-11 不同磁导率的软磁材料时的仿真结果对比
线圈铁芯磁感应强度与导磁材料相对磁导率的关系图- 40 -浙江工业大学硕士学位论文前面所述当振子处于不同位置时，装置的磁路走势以及会跟着相应变化，线圈铁芯的磁感应强度也会相应变化，其与振子偏离情形1）距离的关系如图4-13所示
线圈铁芯的磁感应强度与振子偏离情形1）距离的关系
永磁体尺寸及线圈铁芯尺寸的确定上一小节中，作者根据选用不同的磁导率的软磁材料对比了线圈铁芯的磁感应强度，最终确定永磁体的相对磁导率为10000。而相对磁导率为10000的软磁材料可为硅钢片，目前质量较好的硅钢片已经达到1.8-2.18T左右，本装置中选用饱和磁感应强度为1.8T的硅钢片。上一章中提到当软磁材料超过饱和磁感应强度后反而影响装置性能。为了保证所有软磁材料的磁感强度都不超过饱和磁感应强度，且永磁体被充分利用，作者通过修改永磁体尺寸、铁芯半径、仿真的一系列重复过程。最终确定永磁体半径为3.8mm、高度9mm时，线圈铁芯半径为1.7mm时，线圈铁芯在情形1）时的磁感应强度约为1.8T，如图4-14所示。
装置的最终模型经过前面静态磁场的仿真和优化，确定装置零部件尺寸以及其材料。确定了其中铁磁材料的相对磁导率为10000，而装置部分零部件修改后尺寸如下：铁芯半径改为1.7mm；永磁体半径为3.8mm，高度为9mm；振子上下衔铁高度为3mm，半径为4.7mm。装置的最终模型如图4-15所示。- 41 -浙江工业大学硕士学位论文
软磁材料达到饱和磁感应强度时的装置的静态仿真结果
装置的最终模型- 42 -浙江工业大学硕士学位论文4.3
四片磁轭的振动能量收集装置的瞬态仿真和结果计算根据装置的结构和工作原理，在装置已定情况下，影响能量收集装置运行的外部条件主要为外力的幅值及频率。因此在设计和仿真之前需要确定装置的工作条件，并以此作为设计基础。由于本装置收集的能量主要来源于波浪起伏振动、行走等低频振动。为此，假设振动频率为1Hz至4Hz，即1秒内振子来回振动1次到4次。通过上节的Maxwell静态仿真，确定了装置的最佳尺寸以及所有材料的磁导率。本节将通过Maxwell瞬态仿真确定装置的空载感应电压以及其他瞬态仿真结果，并以此计算装置的有效功率，验证装置设计的合理性。
装置的瞬态仿真与优化装置的Maxwell瞬态仿真步骤与静态仿真类似，但需为振子施加上下匀速运动以及添加绕组线圈。假设振动频率为1Hz，由根据装置的结构和尺寸可得，振子的运动速度为64mm/s。同时，在装置每个铁芯上面添加一个绕组线圈，设其匝数分别为1000。随着时间的变化，振子的向上运动，模型各部分的磁感应强度也断变化。其与在时间的关系如图4-16所示。
模型各部分的磁感应强度以及振子位置随时间的变化
当振子运动时指绕组的磁链不断变化，绕组中产生感应电压。Maxwell的瞬态仿真结果可以查看绕组的磁链、感应电压、导磁材料的铁损耗以及线圈铜耗的变化。图4-17、4-18、4-19和4-20分别为它们跟时间的关系。- 43 -浙江工业大学硕士学位论文
绕组磁链跟时间的关系
绕组感应电压跟时间的关系
导磁材料的铁损耗跟时间的关系
- 44 -浙江工业大学硕士学位论文
软磁材料的铁损耗跟时间的关系
前面提到衔铁高度和方齿高度差1mm时，其边缘效应得到大幅度削弱。在固定装置总高度为68mm且固定衔铁的高度比方齿的高度小1mm时，减小衔铁和方齿的高度，则能增加方齿的个数，使得装置在一次振动中变化速率得到加快。但是，在减小衔铁和方齿的高度的同时，应相应调整永磁体尺寸使得所有软磁材料的零部件的磁感应强度在情形1)下最大达到饱和磁感应强度1.8T