磁电式能量采集器的设计以及应用分析

磁电式能量采集器的设计以及应用分析

管红

国网山西省电力公司临汾供电公司计量室山西省临汾市041000

摘要：针对目前振动能量采集器只能拾取环境振动中一个方向的能量，以及响应频带较窄的问题，提出并设计了一种由弹性圆柱悬臂梁、环形磁路和复合磁电换能器组成的多方向宽频带振动能量采集器。圆柱悬臂梁具有在其横截面内沿任意方向振动的特性，同时，借助磁力耦合，使任意方向振动具有非线性的特点，从而采集器实现多方向宽频带振动能量拾取。理论推导了磁力作用下圆柱悬臂梁的非线性动力学方程，以及电压输出模型；借助磁场分析软件AnsoftMaxwell分析了矩形、圆形和环形永磁铁分别组成3种磁路的磁场分布，研究了不同磁路中磁力、磁场强度及其变化量等因素对动力学方程和电压输出的影响，为获得更优性能的采集器提供了设计依据。实验结果表明：在5．88m/s2的加速度下，具有环形磁路的采集器能够拾取0°～180°多方向的振动能量，各个方向响应频带宽度达到4．4～5．6Hz；负载电阻为3MΩ时，采集器输出0．5mW的最大功率。

关键词：磁电式能量采集器；设计；应用分析

引言

无线传感器网络是二十一世纪影响人们生活的关键技术之一，具有广阔的应用前景，而微型能量采集器因最有可能代替传统电池为其节点供电，已成为国内外的研究热点。重点介绍了国内外压电式及磁电式微型能量采集器的研究进展；分析了其结构设计、器件性能，包括器件固有频率、输出电压以及输出功率等关键性参数，总结了其能量收集模块与能量储存模块的优缺点，对未来研究工作所面临的挑战及发展趋势进行了讨论。

1原理分析

振动能量采集器由弹性圆柱悬臂梁、环形磁路、磁电换能器和壳体构成。环形磁路由2对相同厚度的圆环和圆柱永磁体嵌套而成；磁电换能器由沿y轴方向磁化的磁致伸缩层和沿z轴方向极化的压电层复合而成，固定在环形磁路空气隙中的支座上；左侧相对换能器静止不动的永磁体称为静止永磁体，右侧相对换能器可以多方向振动的永磁体和质量块统称为运动永磁体；圆柱悬臂梁的一端连接运动永磁体，另一端固定在采集器的壳体上。在xz平面内（以环形磁路中心建立空间直角坐标系），当环境中存在与x轴成θ角方向的振动激励时，圆柱悬臂梁会带动运动永磁体沿θ角方向振动，使其与静止永磁体产生相对运动，进而引起环形磁路中磁场强度发生变化，磁电换能器感应磁路中磁场变化，从而产生电压输出，实现xz平面内任意方向的振动能量采集。

2发展趋势与结论

压电能量采集器的研究包括理论模型的建立，器件材料的性能比较，结构的优化设计和如何微型化集成等等。而随着无线传感网络和微电系统的不断发展，压电能量采集器无疑会成为传统电池最具竞争力的代替品之一。不过研究至此，还未出现一个成功的产品，真正代替传统电池为微电系统供电。主要原因有以下几个方面：①目前，大部分研究人员研究内容针对的是压电能量采集器的结构优化和电路优化来提高转换效率，而对压电材料的研究相对较少，而压电材料是影响压电能量采集器结构设计的关键因素之一，同时也是影响压电能量采集器微集成加工工艺的重要因素，因此，对于压电材料的研究将会成为未来压电能量采集器的研究重点之一；②工艺研究，包括如何制备压电膜，如何使压电膜与结构更好的粘合以及如何集成与封装制备好的压电能量采集器。目前，制备压电膜的方法有溅射、固胶凝胶以及正在开展研究的键合技术［33］，但工艺技术水平还不够完善，工艺研究必然会成为以后的研究重点之一；③压电能量采集器一直处于基于单频谐振的研究阶段，通过调节系统的共振频率来获得最大输出能量，但频率的调节非常困难，特别是在多变的自然环境中，因此，对于压电能量采集器的多频谐振研究必然会成为压电能量采集器未来发展的必要研究；④压电能量采集器的寿命研究，因为目前还没有特别完善的压电能量采集器，所以针对器件的寿命研究甚是缺乏，随着研究的不断深入，对于能量采集器的寿命研究必然会成为研究重点。磁电式能量采集器，综合了压电发电和电磁发电的优点：输出电压高、电流大、能量密度大和转换效率高；采用环境中普遍存在的振动能驱动，实现了微器件自供能，工作寿命长、适应广。但起步要晚于压电能量采集器，其系统模型的建立还待进一步完善。主要研究趋势有以下几个方面：①压电采集与电磁采集如何更有效的结合，使输出能量更大，其中，理论模型的建立分析与器件结构的优化设计是磁电能量采集器的研究重点；②磁电式能量采集器如何微集成化，其中，材料的研究和工艺的研究同样是磁电能量采集器未来的研究重点；③对于磁电能量采集器电路储存模块的研究，因磁电能量采集器起步较晚，国内外研究人员的工作重心还停留在能量获取部分，对于能量储存部分研究相对较少，因此，未来对于磁电能量采集器的电路储存部分的研究将会成为磁电能量采集器的研究重点。

3实验

3.1不同磁路的采集器电压输出

在45°方向振动激励下，对3种不同磁路的采集器进行对比实验。由实验结果可知：1）根据2．1节的分析，采用环形磁路的采集器具有较大的非线性系数，可以使圆柱悬臂梁在较宽的频率范围内维持较大幅值的振动，从而拓展了采集器的响应频带。若采用峰值电压1/2大小对应的频率范围作为采集器的响应频带宽度，当加速度为5．88m/s2时，采集器采用环形、圆形和矩形磁路所对应的响应频带宽度分别为5Hz、0．7Hz和0．5Hz；环形磁路的ΔH（uθ（t））大于另外2种磁路。加速度为5．88m/s2时，采集器采用环形、圆形和矩形磁路所对应的最大开路电压峰峰值分别为58．8V、41．8V和42．8V。因此，采用环形磁路的采集器具有较好的电压输出特性，能够有效的拓展其的响应频带和提高输出电压。

3.2采集器多方向的电压输出

通过调整采集器基底平面与振动台平面之间的夹角θ，对采集器多方向拾取振动能量的特性进行实验。实验中当θ分别为0°、45°、90°、135°、180°时，采集器不同方向的电压输出曲线存在差异性，其中0°和180°2个方向的电压输出曲线相似，45°和135°2个方向的电压输出曲线相似。这种差异是由2．1节中分析圆柱悬臂梁动力学方程时忽略的重力分力Gsinθ引起的，Gsinθ使得圆柱悬臂梁沿θ方向的振动向该分力方向偏离，并且随着Gsinθ的增大偏离情况越严重。实验中采集器在45°、90°、135°3个方向拾取振动能量的过程中都有Gsinθ分力，其中90°方向时该分力达到最大等于重力G。因此，实验结果中采集器90°方向拾取振动能量时，其开路电压峰峰值和响应频带宽度分别为49V、4．4Hz；45°和135°方向振动激励时，采集器输出特性有所提高，其输出开路电压峰峰值分别为58．8V、61．2V，响应频带宽度均为5Hz；0°和180°方向振动激励时，采集器输出特性最好，其输出开路电压峰峰值和响应频带宽度分别达76．8V、75．5V和5．6Hz、5．5Hz。实验中还测试了0°方向振动激励下，当负载电阻为3MΩ时，采集器输出0．5mW的最大功率。

结语

采用弹性圆柱悬臂梁和环形磁路设计了一种振动能量采集器，实现了xz平面内多方向宽频的振动能量拾取。建立了圆柱悬臂梁的非线性运力学方程，以及电压输出模型，并借助有限元分析软件研究了影响动力学方程和电压输出的多个因素。通过对比采集器采用3种不同磁路的输出特性，表明采用环形磁路的采集器具有较大的非线性系数和磁场强度变化量，有利于拓宽其响应频带和提高输出电压。实验结果表明：在5．88m/s2的加速度下，分别对采集器施加0°、45°、90°、135°、180°的多个方向振动激励时，采集器的响应频带宽度分别达到5．6Hz、5Hz、4．4Hz、5Hz、5．5Hz，实现了多方向、宽频带的采集振动能量；0°方向振动激励下，当负载为3MΩ时，采集器输出0．5mW的最大功率。

参考文献：

［1］卞雷祥，文玉梅，李平．微型传感器自供能技术［J］．仪器仪表学报，2017，27（增刊1）：297-298．