非線(xiàn)性旋轉(zhuǎn)式振動(dòng)能量采集器

西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院 劉小亞 代顯智

1 引言

近幾年來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、便攜式設(shè)備以及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 技術(shù)不斷發(fā)展，但為之提供電源的傳統(tǒng)電池因?yàn)閴勖芷诙?、污染環(huán)境、維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)[1,2]，已經(jīng)不能滿(mǎn)足其供電需求。利用能量采集器將自然界中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，可解決電子系統(tǒng)供電問(wèn)題。

振動(dòng)能量采集器大都采用懸臂梁感應(yīng)環(huán)境的振動(dòng)，但多數(shù)懸臂梁采集器只能響應(yīng)環(huán)境振動(dòng)中單一頻率成分，比如：2008年，Wang等人利用磁致伸縮材料結(jié)合線(xiàn)圈采集振動(dòng)能量，加速度為9.8m/s2保持不變時(shí)，輸出功率密度為0.28mW/cm3[3]；2010年，代顯智等人采用磁致伸縮/壓電層合磁電換能器設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)能量采集器，在加速度為0.5g，頻率為33Hz的條件下，采集器獲得了112.4μW的功率[4]；2009-2010年，楊進(jìn)等人設(shè)計(jì)的振動(dòng)能量采集器在1g加速度下，輸出功率密度達(dá)到0.472 mW/cm3[5-7]。雖然這些采集器都有比較高的功率密度，但單頻限制了振動(dòng)能量采集器的使用范圍。也有研究者利用懸臂梁方式實(shí)現(xiàn)了寬頻能量采集，比如：2012年楊進(jìn)等人采用磁致伸縮/壓電層合材料設(shè)計(jì)的寬帶振動(dòng)能量采集器，振動(dòng)加速度為0.2g(g = 9.8 m/s2)時(shí)，采集器響應(yīng)頻帶寬5.0Hz，負(fù)載電阻為1900Ω時(shí)，其功率達(dá)到最大0.22mW[7]；2013年，岳喜海等人設(shè)計(jì)的具有環(huán)形磁路的采集器可以拾取0°～180°多方向的振動(dòng)能量，各個(gè)方向響應(yīng)頻帶寬度達(dá)到4.4～5.6Hz,負(fù)載電阻為3MΩ時(shí)，其功率達(dá)到最大0.5mW[1]。雖然使用懸臂梁也能實(shí)現(xiàn)寬頻能量采集，但在大振幅振動(dòng)下，容易造成懸臂梁斷裂。另外，由于采集器的輸出功率和頻率成正比，輸出功率低，因此在低頻條件下無(wú)法提高輸出功率?？梢圆捎帽额l的方式提高輸出功率，但以上這些采集器都無(wú)法實(shí)現(xiàn)倍頻，無(wú)法提高低頻時(shí)的輸出功率。

振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能主要有這四種工作方式：壓電式[8,9]、電磁式[10]、靜電式[11]和磁電式[12-14]。其中，磁電方式利用了磁致伸縮/壓電層合材料的磁電效應(yīng)發(fā)電，由于磁致伸縮材料具有很高的能量密度和磁機(jī)耦合系數(shù)，同時(shí)聲速低，居里點(diǎn)溫度高，在磁場(chǎng)變化很小的作用下，能使層合材料產(chǎn)生較大的電壓輸出，所以磁電方式具有輸出電壓和輸出功率密度高等優(yōu)點(diǎn)[7,14]。

因此，本文針對(duì)磁電方式能量采集裝置的特點(diǎn)以及懸臂梁存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)磁電式的采集器，文中討論了該采集器的工作原理，并對(duì)采集器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 采集器工作原理

振動(dòng)能量采集器由支座、轉(zhuǎn)軸、扇形塊、磁電換能器等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示，實(shí)物圖如圖1（b）所示。固定在轉(zhuǎn)軸上的兩個(gè)扇形塊由鋁扇形塊和鋼扇形塊組合而成，其中鋁扇形塊用以固定釹鐵硼磁鐵，鋼扇形塊作為導(dǎo)磁材料增強(qiáng)磁場(chǎng)，六個(gè)長(zhǎng)方體的釹鐵硼磁鐵分別嵌入在兩個(gè)鋁扇形塊中，其極性排列如圖1（a）所示。在這種極性排列下，三對(duì)永磁體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高梯度的磁場(chǎng)。磁電換能器由Terfenol-D/PZT/Terfenol-D構(gòu)成，固定在采集器支座上，且以轉(zhuǎn)軸為中心偏離鉛垂位置70度固定換能器。當(dāng)換能器處在扇形塊上中間一對(duì)磁鐵正對(duì)的位置時(shí)，采集器能夠獲得更高的電壓輸出。扇形塊在自身的重力和磁力作用下處于靜平衡位置，此時(shí)切向磁力最小。當(dāng)扇形塊偏離磁電換能器時(shí)，切向磁力會(huì)增大，這個(gè)切向磁力起到回復(fù)力的作用，在振動(dòng)作用下，扇形塊可繞靜平衡位置來(lái)回地?cái)[動(dòng)。由于空氣間隙中的磁場(chǎng)是非均勻磁場(chǎng)，在擺動(dòng)過(guò)程中，磁電換能器將感應(yīng)到變化的磁場(chǎng)，在變化磁場(chǎng)的作用下，磁致伸縮層產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，機(jī)械應(yīng)變傳遞到壓電層，產(chǎn)生電能輸出，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換[4]。

實(shí)驗(yàn)中采集器的磁鐵采用NdFeB磁鐵，尺寸為10mm×6mm×5mm，同一扇形塊平面上兩磁鐵中心線(xiàn)之間的夾角為40度，兩扇形塊之間的間距為14mm，鋁扇形塊的厚度為5mm，鋼扇形塊厚度為3mm。磁電換能器中Terfenol-D和PZT尺寸均為12mm×6mm×1mm，其中Terfenol-D磁化方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，PZT極化方向?yàn)楹穸确较颉?/p>

圖1 振動(dòng)能量采集器圖（a）結(jié)構(gòu)示意圖，（b）實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

振動(dòng)能量采集器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，任意波形信號(hào)發(fā)生器33220A產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器PA-1200放大，放大后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)ESS-015振動(dòng)，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)使采集器產(chǎn)生電輸出，其輸出電壓由數(shù)字示波器TBS1002進(jìn)行測(cè)量。振動(dòng)臺(tái)加速度的大小由加速度傳感器和測(cè)振儀YE5932B測(cè)量。

圖2 采集器實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 開(kāi)路電壓輸出波形

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：采集器的電輸出有明顯的倍頻特性。在振動(dòng)加速度0.3g，振動(dòng)頻率17.3Hz時(shí)，開(kāi)路電壓輸出波形如圖3所示。從圖3中可看出采集器能實(shí)現(xiàn)倍頻，可提高采集器的輸出功率。

保持加速度為0.5g和1g不變時(shí)，采集器輸出峰峰電壓值隨著頻率變化的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。從圖中可以看出，采集器具有較強(qiáng)的弱非線(xiàn)性特性，該采集器能實(shí)現(xiàn)寬頻能量采集。

圖4 峰峰電壓值隨頻率變化關(guān)系曲線(xiàn)，(a)0.5g加速度，（b）1g加速度

根據(jù)圖4（a）可以看出，保持加速度0.5g不變，在頻率緩慢下降過(guò)程中，頻率約為17.3Hz時(shí)，輸出電壓最大，其最大峰峰電壓值達(dá)到66.4V。若將峰峰值超過(guò)20V的頻率帶寬作為有效帶寬，采集器有效頻率帶寬為2.7Hz；在頻率緩慢上升的過(guò)程中，有效頻率帶寬為1.2Hz，最大峰峰電壓值為44.8V，對(duì)應(yīng)頻率為18.8Hz。從圖4（b）中可以看出，在頻率緩慢下降過(guò)程中，有效頻率帶寬為7.3Hz，最大峰峰電壓值為108V,對(duì)應(yīng)頻率為13.7Hz；在頻率緩慢上升過(guò)程中，有效頻率帶寬為3.3Hz，最大峰峰電壓值為69.6V，對(duì)應(yīng)頻率為17.4Hz。同時(shí)也看出：加速度越大，輸出峰峰電壓值越大，相應(yīng)的有效頻帶也更寬；在頻率下降過(guò)程中測(cè)得的最大峰峰電壓值和有效帶寬都高于上升過(guò)程中的電壓值和有效帶寬。

4 結(jié)論

本文針對(duì)懸臂梁式振動(dòng)能量采集器大振幅振動(dòng)下梁容易斷裂的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式采集器，該采集器具有寬頻特性，同時(shí)，具有明顯的倍頻特性，在低頻振動(dòng)環(huán)境中可以提高輸出功率。文中描述了它的工作原理并對(duì)該采集器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在保持加速度0.5g不變時(shí)，輸出峰峰電壓值最高可達(dá)66.4V，有效頻率帶寬約為2.7Hz；在保持加速度為1g不變時(shí),測(cè)得輸出峰峰電壓值最高可達(dá)108V，有效頻率帶寬約為7.3Hz。加速度越大，輸出電壓峰峰值越大，相應(yīng)的有效頻帶也更寬；在頻率下降過(guò)程中測(cè)得的最大電壓峰峰值和有效帶寬都高于上升過(guò)程中的電壓值和有效帶寬。實(shí)驗(yàn)制作的采集器的輸出電壓和功率不是很高，可在本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)磁路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將換能器改成磁致伸縮/壓電單晶換能器，可進(jìn)一步提高采集器的輸出電壓和功率。本文提出的采集器具有倍頻和寬頻特性，能在低頻振動(dòng)環(huán)境中，輸出較高的功率，具有良好的應(yīng)用前景。

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