永磁直线振动发电机的结构优化与输出特性研究

摘要

如今，煤炭、石油和天然气等化石燃料不断减少及使用化石燃料造成的空气问题引起了全球的高度关注，从可再生能源中开发新能源成为能源研究及开发的重要领域。振动能作为新能源的研究热点，具有独特的优势。振动能广泛存在自然环境中，有较高的功率密度且不受时间限制,利用振动发电装置可把振动能转化为电能。 根据电磁感应定律和有限元理论,本文设计了两种类型永磁直线振动发电机，包括极靴型振动发电机和无铁芯振动发电机。设计了极靴型振动发电机的磁轭结构、永磁体尺寸和振子的结构；对无铁芯振动发电机的外壳材料和永磁体的材料、厚度、宽度及永磁体和线圈的间距进行了分析，最终确定了两种振动发电机优化后的结构参数。 对永磁直线振动发电机的输出电动势进行了分析，确定了影响直线振动发电机输出电动势的因素。通过软件仿真分析了极靴型发电机和无铁芯发电机的动子在工作状态下所受的电磁力，得到电磁力曲线；采用三次曲线拟合法对电磁力进行拟合，结果表明拟合效果良好。通过仿真，分析了两种结构发电机输出电动势与振幅和频率之间的关系，仿真结果表明，仿真结果与理论分析相一致。分析了极靴型振动发电机内部线圈不同联接方式对输出功率的影响，确定了输出功率达到最大的条件。 制作样机，研究了振动发电机的输出特性。在电动式振动台上进行实验测试，改变输入激励的频率与振幅，利用示波器记录振动发电机的输出电动势。实验结果表明，输出电动势的有效值随振幅的增大呈非线性增加，随频率的增大呈线性增加，此结论与仿真分析所得结论一致;对极靴型振动发电机十组线圈不同联接方式下的输出电动势与输出功率进行了研究，确定了振动发电机在不同线圈连接方式下的最大输出功率。 设计了电能处理电路，对振动发电机的输出电动势进行整流和滤波后进行存储，并设计了稳压和备用电源模块。制作了电能处理的电路板，并结合样机对处理电路进行实验测试，实验表明，电路板可以输出稳定的电压，负载可以正常运行。

目录

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 振动发电机的研究现状

1.3 课题的研究目的及意义

1.4 本文的主要研究内容

第二章 永磁直线振动发电机的结构优化与磁场分析

2.1 电磁场理论分析

2.1.1 电磁场有限元理论简介

2.1.2 电磁感应理论分析

2.2 永磁特性及其有限元分析

2.2.1 永磁材料的种类与特性

2.2.2 永磁体的有限元分析

2.3 极靴型振动发电机的结构优化设计及磁场分析

2.3.1 振动发电机磁轭的设计

2.3.2 振动发电机永磁体的设计

2.3.3 振动发电机振子的设计

2.3.4 振动发电机的磁场分析

2.4 无铁芯振动发电机的结构优化设计及磁场分析

2.4.1 振动发电机外壳的确定

2.4.2 永磁体材料的选择

2.4.3 永磁铁厚度的确定

2.4.4 永磁铁宽度的确定

2.4.5 永磁体与线圈间距的确定

2.5 本章小结

第三章 永磁直线振动发电机的输出特性

3.1 振动发电机感应电动势的分析

3.2 振动发电机的电磁力数值分析与仿真分析

3.2.1 电磁力理论基础

3.2.2 极靴型振动发电机的电磁力仿真分析

3.2.3无铁芯振动发电机的电磁力仿真分析

3.3 永磁振动发电机的输出电动势仿真分析

3.3.1 极靴型振动发电机

3.3.2 无铁芯振动发电机

3.4 线圈不同联接方式发电机输出功率的分析

3.4.1 串联方式输出功率分析

3.4.2 并联方式输出功率分析

3.4.3 混联方式输出功率分析

3.5本章小结

第四章 永磁直线振动发电机的样机制作与实验研究

4.1 样机制作与实验设备

4.2 极靴型振动发电机的试验研究

4.3 线圈不同联接方式的输出特性

4.3.1 串联方式

4.3.2 并联方式

4.3.3 混联方式

4.4 电能处理电路的设计与制作

4.4.1 电能处理电路的设计

4.4.2 电能处理电路的制作与实验

4.5负载实验

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 对下一步工作的展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢