Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０１３钲 山东工业技术 第４期 一种汽车永磁减震与循环能源发电装置的研究 黄嘉麟 周雅夫２ （１．大连育明高级中学，辽宁大连１ １６０００；２．大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连１ １６０２４） 【摘要】阐述所设计的汽车永磁减震循环能源发电结构原理，采用在减震中各永磁体的相互作用使发电线圈产生磁通量 的变化从而通过整流器对车内蓄电池进行充电．充电后的汽车再度行进继续带动永磁体重复作用的创新型环保循环能源发电 减震结构，不仅解决了汽车在行进中的颠簸减震问题，又进行了能源循环利用转换，将机械能转化为电能，从而为汽车提供了用 电。达到了节省并且充分利用能源的目的。 【关键词】汽车永磁减震器；永磁电线圈供电；循环能源 １背景及意义 汽车作为现代社会中人们出门的必备工具．不仅在人 民的生产和生活中扮演着重要角色．而且也是国民经济的 支柱产业之一。减震器是车辆悬挂系统中重要的阻尼元件， 它对于车辆的平顺性和安全性都有重要的作用ｆｌ１ 汽车行进 时的减震效果．不仅影响了人们在乘坐汽车时的感受而且 也影响到了汽车的其他机件的耗损度和寿命 现有的减震 器中．比较常见的有液压减震器．充气式减震器。弹簧式减 震器。橡胶式减震器。液压减震器利用车架与车桥做往复相 对运动．活塞在减震器的缸筒内往复运动．壳体内的油液在 反复运动后会造成乳化现象：充气式减震器很好的避免了 上述缺点，但是它对于油封的要求很高，充气工艺复杂，不 易维修，当缸筒受外界较大冲击而变化时。则不能工作；传 统的弹簧式减震器则会因为长期使用导致减震失效．并且 在使用过程中噪声不断增大：橡胶式减震器。则是使用寿命 短．耐盐雾和腐蚀性差。永磁减震作为一种新兴的减震器发 展方向，具有舒适，平稳，减震效果好，使用寿命长等优点得 到了众多关注和发展 在此次设计中不仅考虑到了要利用 永磁体在汽车上实现较好的减震效果．而且又设计进行了 能源循环转换．将颠簸减震中设备产生的机械能转化为了 电能，电能带动汽车前进，继续产生机械能，实现了能源的 有效利用 ２设计方案 本设计的结构图如图１所示 ２．１永磁减震器 永磁减震器包括外壳体。内主滑柱．外上永磁体。外下永 磁体，内主磁体，上止滑弹簧，下止滑弹簧，上滑导柱和发电 线圈，车体连接上滑导柱，上滑导柱连接上止弹簧，并且最终 与外壳体相连．外壳体内的内主滑柱内部的上滑导孔与上述 上滑导柱相迎合。外上磁体（磁极方向为上Ｎ下ｓ）缠绕在外 壳体最上端，外壳体中间部分外部缠绕发电线圈．外壳体的 最下端连接外下磁铁（磁极方向为上Ｎ下Ｓ） 指导教师：周雅夫，教授。 图１ 如图所示１．车体；２．上滑导柱；３．上止弹簧；４．外壳体；５． 上滑导孔；６－夕 上磁体；７．内磁体；８．发电线圈；９－夕 下磁体；１０． 下止弹簧；１１下连接体；１２．轮胎；１３．电路控制器；１４．整流器； １５．内主滑柱：ｌ６蓄电池。 本减震器可以在行车过程中．通过同级相斥的原理．起 到减震作用，在此过程中。对永磁铁的矫顽力要求明显降低． 对于不同减震要求．可以选择不同矫顽力的永磁铁．甚至可 以选用高居里温度的永磁铁 ２．２电磁发电装置 电磁发电装置包括电路控制器、整流器和蓄电池。三者 通过感应线圈。连接成一个完整的电路，利用感应线圈将机 械能转换为电能 ２．３永磁减震与循环能源发电装置 永磁减震器通过感应线圈与电路相连接．当汽车行进并 且产生颠簸的时候有轮胎通过下连接体将上下运动的状态． 传递到本装置外壳体．外壳体与内主滑柱产生上下滑动．在 起到减震作用的同时．感应线圈产生的电流通过整流器后储 存在蓄电池中．形成一个永磁减震与循 能源发电系统 本设计已经申请国家发明专利，专利号为：２０１３１００６６７７６，９。 山东工业技术Ｊ ４５ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ『 Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｉｎｄｕｓ￣ｉＤ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 第４期 ３理论设计计算 ｌ：Ｅ／Ｚ 山东工业技术 上置重物为普通石块。 试验结果： （１）当Ａ的重量增加时，Ｂ下降，Ｄ减小； （２）当Ａ的重量下降时，Ｂ上升，Ｄ增大； ２０１３正 式中——Ｅ为感应电动势，ｚ为总电阻（其中有电感）。 其中感应电动势为： Ｅ＝ｎＡ ／△ｔ （３）当Ａ＝ｘ（某重量），Ｄ＝某中间点，Ｂ＝某中间位置。 式中——△中／△ｔ为△ｔ时间内通过该回路的磁通量的变 化率：ｎ为感应线圈匝数。 其中总电阻为 Ｚ＝Ｒ１＋Ｒ２ 式中Ｒ１为整流器电阻．Ｒ２为永磁材料电阻ｆ一个为实 部，一个为虚部，要考虑电感）。 其中磁通量为： 中＝ＢＳ 式中——Ｂ为磁感应强度，Ｓ为与磁通垂直的面的面积。 ４工作原理 闭合导体与磁极发生切割磁感线的运动时．由于闭合导 体所穿透的磁通量发生变化．闭合导体会产生感生电流．这 一电流所产生的磁场会阻碍两者的相对运动 其阻力大小正 比于磁体的磁感应强度、相对运动速度等物理量。 汽车在前进中产生颠簸．颠簸产生的运动是经过轮胎通 过下连接体将运动传送给外壳体．导致外壳体向上运动。此 时上扬的内主滑柱在车体本身自重通过上滑导柱以及上止 弹簧的压制作用下保持原位．而外壳体则连带着缠绕在壳体 本身上的外上磁体及外下磁体一起向上做移位．这样原本是 保持异性相吸状态的内主此题和外磁体发生了变化．运动过 程中内主磁体的ｓ、Ｎ极与外上磁体、外下磁体的ｓ、Ｎ极发生 同性相斥．抑制外壳体向上运动．并且通过磁极和弹簧作用 将其复位．与此同时通过发电线圈的磁通总量却发生了变 化．其变化率与外壳体的移动速度及幅度成正比 发电线圈 切割磁力线产生感应电动势．通过电路控制器和整流器构成 回路．对蓄电池充电 当外壳体向下运动时．其作用原理与向上运动时相同 本设计中．永磁铁的材料使用铷铁硼．属第三代稀土永 磁材料，具有体积小、重量轻和磁性强的特点．其产品档次 高、附加值高、运用领域尖端。其高能量密度的优点使钕铁硼 永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用 钕铁硼 现已成为支撑现代电子信息产业的重要材料之一 专家预计 在未来２Ｏ一３Ｏ年里，难有替代钕铁硼的磁性材料出现目。 本装置属于能源发电循环转化系统．在汽车前进的过程 中．颠簸产生的机械能通过电磁能转化为电能．储存在蓄电 池中．电能带动汽车前进的过程中产生颠簸．又将产生切割 磁感线的运动．从而形成一个循环转化的系统 ５定性试验 定性试验（一）如图２所示。 试验时：两磁体为１０ｗ扬声器的圆形永磁铁氧体，直径 为：外径１０ｃｍ，内径２．５ｃｍ，中间导轨为无磁性高分子材料， ４６ １山东工业技术 ｌＳｈａｎｄｏｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 图２ 定性试验（二）如图３所示。 永磁减震与发电试验： 试验条件：上、下磁体为１０ｗ扬声器的圆形永磁铁氧体． 直径为：外径１０ｃｍ，内径２．５ｃｍ，内永磁体为铁氧体磁棒，直 径２．４ｃｍ：发电线圈为中＝０．３５漆包铜线．线圈匝径为６ｃｍ．匝 数为２５００匝；负载为１．５ｖ，１５０ｍＡ小灯泡。 试验结果：（１）当动轮在外力作用下转动时，通过凸轮带 动外壳上下动作，阻尼作用十分明显；当开关Ｋ闭合时，阻尼 作用变大．小灯泡闪亮。 上永磁体 内永磁体 一负载 下永磁体 图３ ６创新点及应用 ａ．永磁材料为高磁性铷铁硼．如使用超导材料效果更佳 ｂ．永磁强度及发电线圈线径、匝数应与汽车的重量有关。 ｃ．对纯电动汽车而言．如４个轮胎均安此装置．可大幅提 高汽车的续驶里程 ｄ．以磁代油．以电磁场瞬时消能减震代替油摩擦滞时消 能减震．本质上解决了传统减震器漏油失效的困境。 ｅ．根据路况．自动调整阻尼，以减少车身晃动和倾斜，满 足舒适性和平稳性 ￡以震消震．利用震动能量驱动磁场产生电磁场，形成最 优磁阻尼．达到平稳消能吸震的目的。 （下转第５１页） Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０１３正 山东工业技术 （２） （３） 第４期 ，Ｄ５＝１／３（ 耶＋ｊｃｓ）＝－ｊｏ￣Ｃｏｓ ＿ｊ ｉｏ＝１／３（ＩＢＩ＋ ｃＩ）＝－ｊｏＪＣｏⅡ 式中 为故障点的零序电压。 图中。１、２为断路器，３、４、５…６ ７ ８为线路分段开关。ａ、 ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ分别代表线路Ｉ和Ⅱ上的６段配电线路。仿真时 每段线路取等长为Ｌ＝２ｋｍ。假设在ｂ段线路上发生单相金属 性接地故障。仿真结果如图４和图５所示。 图４中．我们可以清楚的看到零序电压超前零序电流， 超前的角度约为９０￣。图５中，由于ｂ段发生短路故障，零序 对于故障线路Ｉ。在Ｂ相和ｃ相上，与非故障线路一样， 流有它本身的电容电 ， ａ而不同之处是在接地点要流回全 电压相位开始滞后零序电流相位９０。，与理论推导情况相符。 区间ｃ段的零序电压、电流相位差和ｂ段基本一致。 系统Ｂ相和ｃ相对地电容电流之和．其值为： ，Ｄ＝（， ＋，。。）＋（ ＋，。 ）＋（ ＋ｊ ） （４） 当发生非金属性接地短路故障时．随着故障接地电阻的 增大，系统中馈线各段零序电压、零序电流的相位角不断变 化，但始终满足上面的规律：在故障点前端零序电压超前零 序电流相位９０。．在故障点后端零序电压相位滞后零序电流 相位９０￣．根据这个特征我们可以迅速对故障点所在区段进 行判断。 此电流要从Ａ相流回去。因此，从Ａ相流出的电流可表 示为 。一 ，这样在线路Ｉ始端所流过的零序电流则为： ｉｏＩ＝１／３（ｊ＾Ｉ＋ 日Ｉ＋ ｃＩ） ＝１／３【ＩＢＩ＋，ＣＩ－（ ｎ＋，。 ）一（ｊ ｌ＋ｊ。Ｉ）一（ ＋ ）Ｊ （５） （６） （７） 实际使用时，可通过ＦｒＵ装置配合测量零序电压、零序 电流的相位值，这样可以大大减轻故障定位中的计算量。为 快速准确的确定故障区段提供了有力的保证。 设线路Ｉ端的两组对地电容相等将式１、２代人式５可得： ＩｏＩ＝－ｊｗ（ＣｏⅡ＋ ） ｊ。Ⅱ＝ｊｏＪＣｏⅡＵｏ＝Ａｏ￣ＣｏⅡ 同理．当在ａ点发生非金属性接地短路故障时．也有： ４结束语 本文通过结合１０ｋＶ配电网单相接地短路故障的原理． 对故障区段前后端的零序电压、零序电流相位差进行了分 析，提出了用零序电压、电流相位差来进行准确故障定位的 零序相位法。该方法配合丌ｕ使用，易于实现，经仿真试验效 ｊ。Ｉ＝ （Ｇ０Ｉ＋ ）Ｖｏ－－Ｚｏ，（ＣｏⅡ＋ ） ｅ ＩｏＩ＝ｊｏ￣Ｃ＇ｏＩ￡， ＝Ａ∞ｃ Ｉ ‘∞ （８） （９） 根据以上分析可得出１０ｋＶ配电线路发生单相接地短路 时．系统零序电压和零序电流的关系： 果良好，有广泛的应用前景。ｅ 【参考文献】 ［１］翁韶芳小电流接地系统馈线单相接地故障定位新装置［Ｊ］．广东电 力，２００８，２１（８）． １）非故障线路的零序电流超前零序电压９Ｏ。；故障线路 的零序电流滞后零序电压９０￣：故障线路的零序电流与非故 障的零序电流相位差为１８０ｏ。 ２）故障区段前端的各分段处零序电流滞后零序电压９０。； 故障区段及故障区后端的零序电流超前零序电压９０ｏ。当发 生非金属性接地故障时．接地电阻不影响零序电流与零序电 压之间的相位差，只影响幅值与初相角。 ［２］桑在中，潘贞存，李磊，等．，Ｊ、电流接地系统单相接地故障选线测 距和定位的新技术［Ｊ】．电网技术，１９９７，２１（１０）． ［３］谭万禹，纪秀，赵垒，等．１０ｋＶ配电网单相接地故障精确定位研究 ［Ｊ】．长春工程学院学报，２００７，８（４）． 根据上面所得到的１、２点结论，我们可以比较准确的定 位到底是哪条线路哪个区段发生了单相接地短路故障。 ［４］夏雨，刘全志，王章启．配电网馈线单相接地故障区段定位和隔离 新方法研究［Ｊ］．高压电器，２００２，３８（４）． ［５］夏雨，贾俊国，靖晓平，等．基于新型配电化开关的馈线单相接地 ３ Ｍａｔｌａｂ仿真分析 运用Ｍａｆｌａｂ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱对１０ｋＶ配电网进行了 仿真。仿真模型如图３所示。 故障区段定位和隔离办法明．中国电机工程学报，２００３，２３（１）． ［责任编辑：王迎迎］ （上接第４６页）ｇ．电磁场工作区间呈悬浮状态，关键部件 采用采用耐磨，耐蚀，高强度的特殊材质制造，正常使用寿命 是传统油压减震器的３倍以上 ｈ．减震效果好，延长了变速箱，车轮，转向器，轮胎等部件 及整车的使用寿命 是有理论根据及实际效果的。如能进步开展定量分析及试 验，能成为一个实用的新产品。ｅ 【参考文献】 ［１］徐传波，王开文．变阻尼电磁阻尼器的结构设计计算及应用分析 ［Ｊ】．机械设计与制造，２０１０，６． ［２］钕铁硼应用前景广阔［Ｊ】．现代材料动态，２００７，１０（２）：２６—２７． ｉ．紧急制动时，瞬时产生的震动能量可通过电磁场的能 量转化迅速消耗掉，控制轮胎紧贴路面，明显提高制动效率． 急刹时稳定性好，驾乘更安全。 ｊ．通过理论分析及定性试验。证明永磁减震与发电装置 ［责任编辑：周娜】 山东工业技术Ｊ ５１ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉ
