Разработка портативного зарядного устройства с постоянным магнитом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка портативного зарядного устройства с постоянным магнитом

В статье описаны две серии экспериментов по определению законов изменения индукции магнитного поля вокруг высококоэрцитивных постоянных магнитов. Измерения производились цифровым тесламетром с датчиком Холла. В проведенных экспериментах получены данные необходимые для разработки портативных зарядных устройств. Принцип действия последних, основан на получении энергии за счет колебаний высококоэрцитивных постоянных магнитов вблизи пары катушек, включенных встречно. Рассматривается топография индукции магнитного поля вокруг высококоэрцитивных постоянных магнитов различных размеров и конфигурации. Предложено производить нормирование полученных характеристик по максимальной индукции, а так же высоте, диаметру и квадратному корню суммы квадратов диаметра и высоты в зависимости от вида характеристики. Что позволило выбрать оптимальные размеры как самих высококоэрцитивных постоянных магнитов, так и катушек.

В настоящее время все больше людей пользуются различными мобильными устройствами:

смартфонами, планшетами, фотоаппаратами, ноутбуками и т.д. С каждым годом техника становится все совершеннее и мощнее, что требует разработки более емких элементов питания, однако на сегодняшний день самыми распространенными являются литий-ионные аккумуляторы и литийполимерные аккумуляторы.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) -- тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах [1]. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили. Однако энергоёмкость такого аккумулятора составляет: 110 … 243 Вт Ч ч/кг;

Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор (Li-pol) -- это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора [1]. В качестве электролита используется полимерный материал. Используется в мобильных телефонах, цифровой технике, радиоуправляемых моделях и пр. Его энергоёмкость больше, но и этого зачастую бывает недостаточно.

Еще несколько лет назад рассмотренные выше аккумуляторы позволяли работать мобильным устройствам около недели в режиме работы, для новейших же гаджетов требуется значительно большая емкость батареи, что достигается применением портативных аккумуляторных батарей. Однако, темпы жизни современного человека тоже поменялись и не всегда есть возможность зарядить мобильное устройство либо портативный аккумулятор. Предлагается в качестве альтернативы использовать портативное зарядное устройство, основанное на получении энергии за счет колебаний высококоэрцитивных постоянных магнитов вблизи катушек (рис. 1).

Рисунок 1. Конструкция зарядного устройства

Для разработки такого устройства возникает необходимость определения для известных размеров постоянных магнитов такой конфигурации катушек при которой устройство будет работать наиболее эффективно. Эксперимент проводился с тремя постоянными магнитами (ПМ) из сплава Неодим-Железо- Бор. Два ПМ имели форму цилиндров с высотами почти равными диаметрам (20х19 мм, 10х9 мм) и один с высотой в три раза превышающей диаметр (10х29 мм). Измерения производились цифровым тесламетром с датчиком Холла GAUSSMETER 2100.(рис. 2) [2].

Рисунок 2. Цифровой тесламетр GAUSSMETER 2100

портативный зарядный магнит

Первый эксперимент был проведен с ПМ размеры которого 20х19 мм. Вокруг него были определены точки с равными значениями индукции магнитного поля. Измерение индукции магнитного поля производились в плоскости с системой координат XOY (рис. 3).

.

Рисунок 3. Ориентация ПМ на плоскости с системой координат XOY

Для измерений был изготовлен трафарет (рис. 4), в центре которого находится ПМ размерами 20х19мм. Из центра ПМ начерчены лучи с шагом 6,5. Цифровым тесламетром были найдены точки на этих лучах с одинаковой магнитной индукцией. Выбраны четыре значения: 6 мТл, 15 мТл, 51 мТл, 155 мТл. Затем были измерены координаты полученных точек.

Рис. 4. Трафарет для проведения эксперимента Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1 Координаты точек равной магнитной индукции.

Рис. 5. Топография индукции магнитного поля ПМ размерами 20х19мм следующем эксперименте у всех тех ПМ измерялись значения индукции магнитного поля от центра ПМ (рис. 3): B_верт - по оси ОХ от центра ПМ; B_пер- по оси ОY от центра ПМ; B_кос- по оси ОZ от центра ПМ [4-5].

Результаты измерения индукции магнитного поля в окрестностях ПМ представлены в таблице 2.

Таблица 2. Измеренные значения индукции магнитного поля

Графики построенные по результатам табл.2 представлены на рисунках 6-8.

Рис. 6.Изменение индукции магнитного поля у поверхности ПМ

Рис. 7 -Изменение индукции магнитного поля у поверхности ПМ

Рис. 8. Изменение индукции магнитного поля у поверхности ПМ

Из рисунков 6-8 видно, что изменение магнитного поля по всем трем направлениям для ПМ разных размеров и формы различно.

Проведем нормирование значений индукции магнитного поля всех ПМ по всем осям по максимальному значению, так, чтобы нормированные значения изменялись от единицы до нуля. Кроме того, нормируем расстояние от центра ПМ до точки измерения по высоте, радиусу и корню квадратному от суммы квадратов диаметра и высоты ПМ. Для вертикальной и перпендикулярных осей при нормировании расстояния введем поправочный коэффициент k равный отношению диаметра к высоте ПМ.

где bi - нормированное значение индукции магнитного поля, i-того ПМ, k=h/d - поправочный коэффициент, hi- высота i-того ПМ , диаметр i-того ПМ, xnd- нормированное по диаметру расстояние, xnh- нормированное по высоте расстояние.

Полученные нормированные кривые представлены на рис.9-11.

Рис. 9. Зависимость нормированных значений индукции магнитного поля по вертикальной оси

ПМ от расстояния нормированного по высоте

Рис. 10. Зависимость нормированных значений индукции магнитного поля по оси перпендикулярной поверхности ПМ от расстояния нормированного по радиусу.

Полученные характеристики очень сильно похожи, что говорит о возможности проектирования конфигурации катушек по радиусу и высоте ПМ, без измерения топографии магнитного поля в окрестности ПМ. Так как форма характеристики известна, можно узнать саму характеристику зная только размеры самого ПМ и измерить индукцию магнитного поля в трех точках на поверхности его.

Рис. 11. Зависимость нормированных значений индукции магнитного поля по линии проведенной через центр и угол ПМ от расстояния нормированного по квадратному корню суммы квадратов диаметра и высоты

Полученные в ходе исследований результаты позволяют разработать методику проектирования оптимальной конфигурации частей портативного зарядного устройства.

Вычислим диаметр катушки, которая будет находиться в магнитном поле ПМ с уровнем не меньше 30% от максимального. Для этого используем следующие формулы:

где L - амплитуда колебаний ПМ.

Таблица 3

Таким образом, нами получены выражения позволяющие проектировать, зная размеры ПМ оптимальную конфигурацию катушки зарядного устройства.

портативный зарядный магнит

Список литературы

1.Пестриков В. М. Выжми все из мобильного телефона. - БХВ-Петербург, 2008. - 688 c.

2.Горбатенко Н.И., Наракидзе Н.Д., Шайхутдинов Д.В., Болдырев В.Т. Измерение магнитных величин ферромагнитных материалов. - Новочеркасск, ЮРГПУ(НПИ) 2014. - 47 с.

3.Ланкин М.В., Наракидзе Н.Д., Ланкин А.М. Топография магнитного поля в окрестностях образца из магнитомягкого материала//Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 178.

4.Ланкин И.М. Исследование топографии магнитной индукции в окрестностях высококоэрцитивных постоянных магнитов для портативных зарядных устройств// В сборнике: Информационные и измерительные системы и технологии, по материалам Международной научнотехнической конференции 01.04.2016г. - Новочеркасск, ООО «ЛиК». 2016. - С. 385-396.

5.Ланкин И.М. Исследование топографии магнитного поля в окрестностях высококоэрцитивных постоянных магнитов // Информационные и измерительные системы и технологии: Сборник научных статей поматериалам еженедельного науч.-техн. семинара, г.

Размещено на Allbest.ru