CN111446834A - 一种利用电磁感应原理的摆动发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用电磁感应原理的摆动发电装置，包括支撑框架、发电组件和负载电路，所述支撑框架包括框架上板、框架下板和框架桶，所述框架上板和框架下板之间设置有所述框架桶；所述发电组件包括漆包线和磁球，所述磁球位于框架桶中，并能够在框架桶、框架上板和框架下板构成的空间内自由移动；所述漆包线缠绕在所述支撑框架外，并紧密排列；所述漆包线的两端分别通过两根导线与负载电路相连形成闭合电路。本发明能够利用外界摆动进行发电。

Description

一种利用电磁感应原理的摆动发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，特别是涉及一种利用电磁感应原理的摆动发电装置。

背景技术

在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。电磁感应是因磁通量变化产生感应电动势的现象。电磁感应现象的发现，是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实用上有重大意义。现有的发电装置主要是磁场固定、导线转动切割磁力线产生电流，在生活中应用较广，而导线固定、磁场运动的案例相对较少。

发明内容

本发明提供一种利用电磁感应原理的摆动发电装置，能够利用外界摆动进行发电。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种利用电磁感应原理的摆动发电装置，包括支撑框架、发电组件和负载电路，所述支撑框架包括框架上板、框架下板和框架桶，所述框架上板和框架下板之间设置有所述框架桶；所述发电组件包括漆包线和磁球，所述磁球位于框架桶中，并能够在框架桶、框架上板和框架下板构成的空间内自由移动；所述漆包线缠绕在所述支撑框架外，并紧密排列；所述漆包线的两端分别通过两根导线与负载电路相连形成闭合电路。

所述框架上板、框架下板和框架桶采用透明材料制成。

所述漆包线缠绕在所述支撑框架外共有80-90圈。

所述负载电路包括第一LED和第二LED，所述第一LED的正极端与第二LED的负极端相连，算是第二LED的正极端与第一LED的负极端相连，所述第一LED的正极端还与与漆包线连接的两根导线中的一根相连，所述第二LED的正极端与与漆包线连接的两根导线中的另一根相连。

所述负载电路固定在所述框架上板上。

所述支撑框架外采用防水绝缘胶带固定缠绕。

所述磁球靠近漆包线构成的线圈时产生的电动势大小为

其中，磁球在P1处时的磁感应强度为b，P1处为漆包线与支撑框架侧面的一个接触位置，漆包线缠绕圈数为n，每半圈的长度为l，磁球转动轨迹直径为D，磁球转动频率为F。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用支撑框架缠绕导线，导线连接负载电路组成闭合电路，在框架内放置磁球，通过磁球转动切割磁力线产生电流，其可以应用到波浪能发电、中学生物理实验、电子玩具、健身器材等领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的纵截面剖视图；

图3是本发明的横截面剖视图；

图4是本发明中负载电路的电路图；

图5是本发明的发电原理示意图；

图6是电压随时间变化的波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种利用电磁感应原理的摆动发电装置，如图1所示，包括支撑框架、发电组件和负载电路。所述支撑框架包括框架上板1、框架下板8和框架桶2，所述框架上板1和框架下板8之间设置有所述框架桶2；所述发电组件包括漆包线3和磁球7，所述磁球7位于框架桶2中，并能够在框架桶2、框架上板1和框架下板8构成的空间内自由移动；所述漆包线3缠绕在所述支撑框架外，并紧密排列；所述漆包线3的两端分别通过两根导线与负载电路相连形成闭合电路。本实施方式中负载电路采用电路板，导线与负载焊接在电路板上，减少了短路或断路的可能性。

该发电装置的纵截面包括有截面A-A、截面B-B和截面C-C，如图2所示。截面A-A是沿着图1中A-A线的纵截面向上投影，磁球7可以在装置内自由运动，此时磁球7停留在沿着A-A线的位置上，截面上部是框架上板1，下部是框架下板8，在框架上板1上放置电路板5，电路板5上固定着负载6；在框架上板1和框架下板8上并排平行缠绕漆包线3；左侧和右侧是框架桶2，为圆筒形，被压在框架上板1和框架下板8之间。截面B-B是沿着图1中B-B线的界面向右侧投影，截图上侧和下侧是框架桶2，右侧框架上板1，左侧是框架下板8，右侧框架上板上是电路板5。截面C-C是沿着图1中C-C线的向左侧投影，截面上侧和下侧是漆包线3，左侧是框架上板1，右侧是框架下板8，内部是磁球7，在磁球7和漆包线3之间是框架桶2。该发电装置的横截面如图3所示，其最外面的正方形是框架上板1，框架上板1的上侧和下侧黑色部分是漆包线3，圆环形的是框架桶2，内部的球形是磁球7。

所述负载电路包括第一LED和第二LED，所述第一LED的正极端与第二LED的负极端相连，算是第二LED的正极端与第一LED的负极端相连，所述第一LED的正极端还与与漆包线连接的两根导线中的一根相连，所述第二LED的正极端与与漆包线连接的两根导线中的另一根相连。具体如图4所示，包括两个一样的LED灯，LED灯由LED灯管603、LED灯正极导线(长头)601、LED灯负极导线(短头)602组成，导线4连接在LED灯的导线上。LED灯分别为LED灯1(左侧)，LED灯2(右侧)，左侧的导线4连接了LED灯1正极导线和LED灯2负极导线，右侧的导线4连接了LED灯2正极导线和LED灯1负极导线。当左侧导线4为高电平，右侧导线4为低电平(与左侧导线相比)，LED灯1亮，LED灯2不亮；当右侧导线4为高电平，左侧导线4为低电平(与右侧导线相比)，LED灯2亮，LED灯1不亮；右侧导线4和左侧导线4电平相同时两个LED灯都不亮。

该发电装置的漆包线、导线、LED灯共同组成闭合回路，其中部分导体在做切割磁感线时，闭合回路中将会产生感应电流，这时电路中存在感应电动势，切割磁感线的那部分导体相当于电源，为整个电路提供电能。如果垂直于闭合回路的磁感应强度为B，导体棒切割磁感线的长度为L，导体棒切割的速度为v，闭合回路中产生的感应电动势的大小为：E＝BLv。

如图5所示，P1到P3间缠绕漆包线，P2、P4没有导线缠绕。设磁球转动频率为F，则转动角速度为2πF，假设时刻t，磁球在P5处，P1到P5的角度为α＝2πFt，P1所受的感应强度与磁球距离成反比例关系，设磁球在P1处时的磁感应强度为b，P1到P5距离为s，则t时刻磁球在P5时P1处的磁感应强度近似为：

发电装置的漆包线缠绕圈数为n，每半圈的长度为l，则导体棒切割磁感线的长度近似为：L＝nl。设磁球转动轨迹直径为D，则磁球转动速度为πDF，则t时刻P₅处的转动速度为v＝πDF*cos(2πFt)。

根据上述公式可以得到P1处的电动势的大小为

P3处与P1处相对，角度相差π，在t时刻P3处电动势与P1处的电动势的和为

该发电装置的模型制作方式如下：支撑框架包括框架上板1、框架下板8，框架上板1和框架下板8均用厚度为3mm，长宽为150×150mm的亚克力透明板做成；两个框架板之间是框架桶2，该框架桶2采用亚克力透明管，其直径为150mm、厚为3mm，高度为40mm；在框架上板1和框架下板8外缠绕漆包线3，漆包线3的直径为0.5mm，长度为31m，共缠绕87圈；漆包线连接导线4；框架上板1上放置电路板5；电路板5上固定着LED灯6，导线4连接到LED灯6；框架桶内放置的磁球7为高强度钕铁硼磁铁，直径为30mm，最后装置用20mm宽的透明PVC电工防水绝缘胶带固定缠绕。在摆动该发电装置时，会产生交流的电流，两个LED灯会交替的发出亮光。

发电转置模型在实验中，卸下两个LED灯，直接连接到示波器。测试中选用了安捷伦MSO6014A示波器，测量交流电的脉冲电流波的形状和电压。它能快速捕获和分析模拟、数字和串行信号，快速发现微小的信号细节和偶然事件。其存储器深度8Mpts，显示屏6.3英寸彩色，256级亮度，显示更新率达10万次/s，有标准的USB输出接口。

输入阻抗(Impedance)为1MΩ，示波器的输入阻抗高，从被测电路流入示波器的点可忽略不计。耦合方式(Coupling)为直流(DC)，被测信号含有交流分量和直流分量都可以通过。关闭带宽限制，被测信号含有的高频分量可以通过。显示屏上的网格，横坐标单位为10ms，纵坐标单位为1V。

发电装置中磁球快速转动，漆包线相对磁球磁场运动，切割磁力线产生电动势，在示波器上产生交流电的脉冲电流波的形状和电压。利用示波器的USB接口保存测试的数据。共采样7组数据，每组1000条，每条数据之间时间间隔0.1ms，合计采样7000条数据。如图6所示，脉冲电流波的形状为正弦和余弦叠加的波形，波峰和波谷为磁球在P1处或P3处的电压，两处电压相反(如果波峰为P1处电压，则波谷为P3处电压)。0值电压出现在P2处。

7组采样数据的最小电压为第三组的-1.37V，最大电压为第七组的1.29V。7组的最大电压差为2.59V。磁球的转动频率为20HZ左右，转动频率与电压差存在正相关性，相关系数为0.9。

表1装置的电压与频率统计

名称	Volt1	Volt2	Volt3	Volt4	Volt5	Volt6	Volt7
								最小电压/V	-1.12	-1.09	-1.37	-0.56	-0.96	-0.93	-1.31
最大电压/V	1.22	1.44	0.88	0.41	0.60	1.19	1.29
								电压差/V	2.34	2.53	2.25	0.97	1.56	2.13	2.59
变化频率/HZ	25.84	26.53	24.57	17.51	24.57	23.89	25.81

n为87圈，l为装置高度和球直径的两倍的和100mm，π取3.14，D为装置直径150mm，F为测试中的频率，计算获得b值平均约为4.1E-8，在F和t已知的情况可以计算磁球在某处时的电动势。但是由于磁球磁场与漆包线的夹角不固定，因此b会不断变化，因此计算的电动势为

波浪能是海洋能中最主要的能源之一，它具有蕴藏量丰富，利用波浪能能够驱动该发电装置为海洋仪器设备供电是一种有效的方式。透过该发电装置的透明壳体能够看到磁球的运动，并使LED灯闪烁，理解发电的过程，了解电磁感应原理，是良好的科普工具。中学生物理实验中，充分利用三角函数、转动速度、频率等数学、物理知识概念，推导装置的电动势的方法，是很好的教学案例。该发电装置可以作为健身器材，老人、学生、上班族在休息时间可以手里拿着装置摆动，是LED等不断闪烁增加趣味性，吸引人的锻炼健身欲望。不难发现，本发明利用支撑框架缠绕导线，导线连接负载电路组成闭合电路，在框架内放置磁球，通过磁球转动切割磁力线产生电流，其可以应用到波浪能发电、中学生物理实验、电子玩具、健身器材等领域。

Claims (7)

1.一种利用电磁感应原理的摆动发电装置，包括支撑框架、发电组件和负载电路，其特征在于，所述支撑框架包括框架上板、框架下板和框架桶，所述框架上板和框架下板之间设置有所述框架桶；所述发电组件包括漆包线和磁球，所述磁球位于框架桶中，并能够在框架桶、框架上板和框架下板构成的空间内自由移动；所述漆包线缠绕在所述支撑框架外，并紧密排列；所述漆包线的两端分别通过两根导线与负载电路相连形成闭合电路。

2.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理的摆动发电装置，其特征在于，所述框架上板、框架下板和框架桶采用透明材料制成。

3.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理的摆动发电装置，其特征在于，所述漆包线缠绕在所述支撑框架外共有80-90圈。

4.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理的摆动发电装置，其特征在于，所述负载电路包括第一LED和第二LED，所述第一LED的正极端与第二LED的负极端相连，算是第二LED的正极端与第一LED的负极端相连，所述第一LED的正极端还与与漆包线连接的两根导线中的一根相连，所述第二LED的正极端与与漆包线连接的两根导线中的另一根相连。

5.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理的摆动发电装置，其特征在于，所述负载电路固定在所述框架上板上。

6.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理的摆动发电装置，其特征在于，所述支撑框架外采用防水绝缘胶带固定缠绕。

7.根据权利要求1所述的利用电磁感应原理的摆动发电装置，其特征在于，所述磁球靠近漆包线构成的线圈时产生的电动势大小为

其中，磁球在P1处时的磁感应强度为b，P1处为漆包线与支撑框架侧面的一个接触位置，漆包线缠绕圈数为n，每半圈的长度为l，磁球转动轨迹直径为D，磁球转动频率为F。

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