一種基于人體運(yùn)動(dòng)的發(fā)電裝置研究與設(shè)計(jì)

王 超，楊 靜，李 昊，劉宇航，陳 嶺，3，劉航宇

(1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院， 重慶 401311；2.中國人民解放軍61906部隊(duì)， 河北 廊坊 065000；3.中國人民解放軍68064部隊(duì)， 青海 湟源 812199)

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一種基于人體運(yùn)動(dòng)的發(fā)電裝置研究與設(shè)計(jì)

王 超1，楊 靜1，李 昊1，劉宇航1，陳 嶺1，3，劉航宇2

(1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院， 重慶 401311；2.中國人民解放軍61906部隊(duì)， 河北 廊坊 065000；3.中國人民解放軍68064部隊(duì)， 青海 湟源 812199)

針對(duì)傳統(tǒng)電池具有容量小、質(zhì)量大、續(xù)航時(shí)間短等缺點(diǎn)，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，研究和設(shè)計(jì)了一種基于單兵人體運(yùn)動(dòng)的便攜式發(fā)電裝置,提出了一種基于非平衡轉(zhuǎn)子的人體動(dòng)能采集與轉(zhuǎn)換裝置。為提高輸出電壓值以達(dá)到實(shí)際可用的電能輸出，設(shè)計(jì)了一種以多極永磁體作為轉(zhuǎn)子、多組線圈作為定子的發(fā)電機(jī)，進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析和Ansoft實(shí)驗(yàn)仿真。結(jié)果表明：在2 Hz的人體正常步行頻率下，該裝置的開路輸出峰值電壓可達(dá)18 V，為實(shí)現(xiàn)電能的實(shí)際利用奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)電裝置；非平衡轉(zhuǎn)子；人體動(dòng)能；輸出電壓

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需要依靠大量信息化裝備來提高士兵自身的作戰(zhàn)能力，這些電子裝備在提高單兵對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力的同時(shí)，也帶來電能消耗量大的突出問題[1]。電池在軍事設(shè)備中有很多應(yīng)用，如美國士兵配備的GPS、夜視儀、紅外成像儀、顯示頭盔、武器瞄具及無線通信裝備等[2]都離不開電池。目前，常用的蓄電池存在容量小、質(zhì)量大、續(xù)航時(shí)間短等不足，戰(zhàn)士不得不攜帶更多電池。在行軍打仗中，這些為電子裝備供電的電池在戰(zhàn)士的負(fù)重中占很大比重[3]，這不僅增加了單兵的負(fù)荷，也給后勤補(bǔ)給增加了壓力。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)[4]，美軍在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上，一名士兵執(zhí)行為期5天的任務(wù)平均消耗88節(jié)AA電池，一名美國陸軍士兵每年消耗電池的費(fèi)用高達(dá)6.5萬美元。沉重的單兵負(fù)載和高昂的后勤補(bǔ)給費(fèi)用使西方國家日益重視單兵電源裝備。盡管各國軍方在研制新型便攜式電源上已經(jīng)投入了大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，但目前絕大多數(shù)研究成果并不滿意[5]。因此，研制新型的能夠穩(wěn)定、隨時(shí)供裝備使用的便攜式單兵電源勢(shì)在必行。

相較于單兵電能的短缺，環(huán)境中的能量分布無處不在。因此，眾多學(xué)者考慮通過能量收集技術(shù)，將環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為電能，為蓄電池或用電設(shè)備供電。然而，環(huán)境能量密度受環(huán)境條件變化的影響很大，無疑增加了能量收集器的設(shè)計(jì)難度，影響能量收集的效率和穩(wěn)定性[6]。相關(guān)研究結(jié)果表明：振動(dòng)能(如人正常行走時(shí)雙臂大幅運(yùn)動(dòng)的功率為60 W、雙腿的擺動(dòng)為67 W[7])能量密度更穩(wěn)定，可以作為能量采集裝置的可靠輸入。振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個(gè)非常好的思路。目前，如何利用能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能的轉(zhuǎn)換是一個(gè)很有應(yīng)用前景的課題[8]。

當(dāng)前國內(nèi)外針對(duì)振動(dòng)能的研究主要有電磁式、靜電式、壓電式3種利用形式。靜電式能量采集器存在制作過程復(fù)雜、成本高、輸出阻抗大及輸出電流小等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中受到了極大的限制[9-12]。壓電式能量采集裝置受到結(jié)構(gòu)限制、外圍轉(zhuǎn)換電路消耗大以及壓電材料性能缺陷等諸多問題的影響而效率較低。此外，在高頻周期的載荷作用下，壓電陶瓷很容易疲勞而產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而產(chǎn)生脆性斷裂，限制了其的實(shí)際應(yīng)用[13]。電磁式人體能量收集器的研究較為廣泛，其中電磁傳動(dòng)式發(fā)電裝置的模型較為成熟，有較高的能量密度，其微型化和高效率方面的研究是未來主要研究方向。目前，微型化的電磁集能器受限于線圈匝數(shù)、平面磁鐵性能、振動(dòng)幅度小等因素，使其難以制作和應(yīng)用，而且電磁式發(fā)電裝置能量轉(zhuǎn)換的體積受到彈簧的限制，產(chǎn)生的輸出功率較低。此外，電磁式集能器雖然有較大的輸出電流，但其輸出電壓很低(一般都小于1V)，大多僅限于毫伏級(jí)。王佩紅等[14]研究了一種三明治型電磁能量采集器。該能量采集器由上線圈、下線圈、中間平面彈簧和永磁體組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：上下線圈串聯(lián)可產(chǎn)生一個(gè)125 mV的最大輸出電壓。Duff和Carroll對(duì)一個(gè)滑動(dòng)磁鐵的6線圈發(fā)電機(jī)在2 Hz的工作頻率下進(jìn)行了測(cè)試，在設(shè)計(jì)了一種整流電路[15]升壓的條件下也僅得到了一個(gè)4 V的輸出電壓。在能量收集方式上，大多數(shù)都集中在以機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的方式進(jìn)行能量收集，而對(duì)以非平衡轉(zhuǎn)子作為動(dòng)能收集方式的研究非常少。文獻(xiàn)[7]經(jīng)升壓電路升壓后得到3.3 V的輸出電壓，文獻(xiàn)[16]通過電磁式電能轉(zhuǎn)換方式得到的峰值電壓也僅為2 V，為后續(xù)電能的有效利用帶來了極大的不便。

鑒于以上背景，本文設(shè)計(jì)了一種利用人體運(yùn)動(dòng)能量發(fā)電的便攜式電源裝置，能夠?yàn)閱伪畔⒒b備穩(wěn)定、持續(xù)地供電，為保障士兵的作戰(zhàn)能力提供了支撐。

1 人體動(dòng)能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出并設(shè)計(jì)的新型非平衡轉(zhuǎn)子式人體動(dòng)能采集與轉(zhuǎn)換裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該能量采集與轉(zhuǎn)換裝置主要被氣隙分隔成定子和轉(zhuǎn)子2個(gè)部分，兩者之間存在著氣隙磁場(chǎng)的耦合。裝置總體設(shè)計(jì)為圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑為100 mm、高50 mm，總質(zhì)量約僅有390 g，相較于阿富汗美軍平均每5天88節(jié)AA電池約重2 640 g的攜帶量而言，顯然具有極大的優(yōu)越性。該裝置可置于人體腳踝部位，隨著人體腳步的運(yùn)動(dòng)，非平衡轉(zhuǎn)子通過采集人體運(yùn)動(dòng)的能量而發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過中間氣隙與定子繞組的磁場(chǎng)耦合從而將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為線圈中的電能輸出。

圖1 新型非平衡轉(zhuǎn)子式人體動(dòng)能采集與轉(zhuǎn)換裝置的整體結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的振動(dòng)能量采集裝置相比，該能量采集轉(zhuǎn)換裝置體積、質(zhì)量較小，能夠與人體進(jìn)行很好的結(jié)合，輸出較高的、可實(shí)際應(yīng)用的電壓。在不影響人體正常運(yùn)動(dòng)下采集人體運(yùn)動(dòng)浪費(fèi)掉的部分能量并轉(zhuǎn)化為電能輸出，從而實(shí)現(xiàn)了用電設(shè)備的供電和蓄電池的儲(chǔ)能。

1.1 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置的定子由12組線圈和12組鐵芯以及基座組成。線圈繞鐵芯纏繞并相鍥在基座中，具體形式如圖2所示。12組線圈首尾串聯(lián)形成單項(xiàng)輸出，導(dǎo)線直徑選取0.15 mm銅導(dǎo)線并以正交環(huán)形繞線方式環(huán)繞。基座的直徑為100 mm、高25 mm。基座上開挖有線圈槽并將線圈繞組和鐵芯置于其內(nèi)。

圖2 定子結(jié)構(gòu)示意圖

在定子相關(guān)尺寸的設(shè)計(jì)中，主要考慮在其放置于人體踝關(guān)節(jié)處時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)人正常行走和跑步運(yùn)動(dòng)的影響，并且使輸出電能質(zhì)量盡可能高。

1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)對(duì)人體腿部運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的分析和研究，考慮在一定負(fù)載下電能轉(zhuǎn)換裝置的電磁阻尼對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響，在滿足轉(zhuǎn)子在人體正常行走下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的基本性能要求下，綜合選擇和設(shè)計(jì)其基本尺寸為：中心角為120°，轉(zhuǎn)子半徑為50 mm，轉(zhuǎn)子高度為20 mm，轉(zhuǎn)子由4塊尺寸為16 mm×16 mm×20 mm的永磁體和環(huán)氧樹脂組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

2 裝置運(yùn)行參數(shù)分析

動(dòng)能發(fā)電裝置的運(yùn)動(dòng)方程可通過非平衡轉(zhuǎn)子得到。將線性振蕩運(yùn)動(dòng)X(t)=Axsinωt施加到發(fā)電機(jī)上，可得發(fā)電機(jī)垂直布置時(shí)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程[16]為

mgacosθ

(1)

式中：m是轉(zhuǎn)子的質(zhì)量；a是從旋轉(zhuǎn)軸線到轉(zhuǎn)子質(zhì)心的距離；Ax為輸入加速度的幅值；J為慣性矩；θ為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角；ω為所施加的振蕩運(yùn)動(dòng)的角頻率；Ce是由通過線圈的電流引起的機(jī)電阻尼。

轉(zhuǎn)子自激勵(lì)旋轉(zhuǎn)的初始條件為：

( 2)

(3)

式(2)表明：為了具有連續(xù)的自激旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子需要具有大于所施加的振蕩角頻率的初始角速度。

式(3)表明：太大的電磁阻尼將造成非平衡轉(zhuǎn)子無法自激勵(lì)旋轉(zhuǎn)。

發(fā)電機(jī)的開路電動(dòng)勢(shì)的值與線圈的有效長度的關(guān)系為

(4)

(5)

式中：VTem為發(fā)電機(jī)輸出的開路電壓；B為線圈有效長度所在位置的剩余磁場(chǎng)；leff為線圈的有效長度；lr為轉(zhuǎn)子的半徑；lw為線圈的實(shí)際長度。

線圈螺線的總長度約為

(6)

式中：NT為線圈總匝數(shù)，定義為每層的線圈匝數(shù)乘以線圈層數(shù)；D0為線圈的外徑；Di為線圈的內(nèi)徑。

因?yàn)橛来朋w在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)遠(yuǎn)離線圈，故而必須重新計(jì)算線圈的剩磁。距離磁體z處的磁場(chǎng)為[17]

(7)

式中：tm表示磁體的厚度；r1表示磁體的半徑。

因?yàn)榫€圈都串聯(lián)在一起，故而電機(jī)的內(nèi)阻為12個(gè)單獨(dú)電阻器的串聯(lián)電阻。由于只有4塊磁鐵，因此電壓可被視為串聯(lián)的4個(gè)電壓源，所以傳遞到負(fù)載電阻的功率可表示為

( 8)

式中：RL表示發(fā)電機(jī)外部負(fù)載電阻；RTint表示發(fā)電機(jī)內(nèi)部線圈的電阻。

發(fā)電機(jī)內(nèi)部線圈電阻由導(dǎo)線電阻計(jì)算求得：

( 9)

式中： ρ為線圈導(dǎo)線的電阻率；lw為線圈導(dǎo)線長度；Nc表示線圈數(shù)量；A為導(dǎo)線的橫截面積。

據(jù)上述分析可見：最大功率輸出值產(chǎn)生在最佳負(fù)載電阻處，而最佳負(fù)載電阻值等于電機(jī)的線圈內(nèi)電阻值；電磁阻尼的大小取決于負(fù)載電阻的大小。因而，輸出功率可依據(jù)電磁阻尼來定義。為了找到電磁阻尼值，需首先找到由線圈和磁體之間的電磁力而引起的扭矩。

根據(jù)式(1)，電磁轉(zhuǎn)矩被定義為

(10)

由于扭矩也可以定義為角頻率上的功率，因此由電磁阻尼引起的轉(zhuǎn)矩可以定義為

(11)

令式(10)與(11)分別相等，則電磁阻尼可表示為

(12)

式(12)表明：發(fā)電機(jī)的電磁阻尼取決于動(dòng)能采集裝置的負(fù)載電阻，并且與負(fù)載電阻成反比。

3 電機(jī)有限元仿真實(shí)驗(yàn)

基于上述裝置模型和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的求解，利用Ansoft電磁場(chǎng)有限元仿真軟件對(duì)該發(fā)電裝置模型進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置和材料的添加。

通過靜磁場(chǎng)的仿真分析，得出該模型的磁場(chǎng)分布，如圖4所示。圖4(a)顯示了轉(zhuǎn)子永磁體中磁場(chǎng)的分布情況，可見靠近磁鐵中心處的磁密較小，磁場(chǎng)由中心向外緣增大的趨勢(shì)。圖4(b)顯示了磁場(chǎng)在定子線圈以及定子鐵芯中的分布情況，可以看出：定子鐵芯中的磁密較大，線圈中磁密相應(yīng)地減小，但線圈中磁密較為均勻，說明鐵芯的存在增強(qiáng)了線圈中的磁場(chǎng)。

圖4 線圈和鐵芯及永磁體的磁場(chǎng)分布

在瞬態(tài)場(chǎng)仿真設(shè)定中，將人體正常行走的2 Hz步速設(shè)定為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。為簡化程序設(shè)定，將人體行走中帶動(dòng)非平衡轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)假設(shè)為勻速旋轉(zhuǎn)。通過瞬態(tài)仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)處理分析得到線圈的磁通變化(圖5)以及開路條件下輸出電壓的波形隨時(shí)間的變化(圖6)。

圖5 線圈磁通量隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖6 開路電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系

從圖5中可以看出：線圈中磁通量隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生良好的正弦變換，峰值磁通量可達(dá)0.226 V·S。圖6中顯示：隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，開路電壓做近似正弦變化，最大峰值電壓可達(dá)18 V，相對(duì)于前期類似研究大多處于毫伏級(jí)的峰值有了極大的提升，為后續(xù)電能的利用奠定了良好的基礎(chǔ)。根據(jù)計(jì)算分析可知：當(dāng)外接負(fù)載電阻與線圈內(nèi)電阻的阻值相等時(shí)輸出功率取得最大值，即當(dāng)阻值為64.7 Ω的外接負(fù)載直接接入時(shí)可得到約1.25 W的輸出功率，可以作為可靠的電源。

4 結(jié)束語

本文研究和設(shè)計(jì)了一種基于人體運(yùn)動(dòng)的非平衡轉(zhuǎn)子發(fā)電裝置，提出了一種能夠與人體很好結(jié)合、并采集人體運(yùn)動(dòng)浪費(fèi)掉的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸出的發(fā)電模型，用以緩解單兵或野營人員的微型用電設(shè)備的用電需求。本文設(shè)計(jì)的發(fā)電裝置直徑為10 cm，高度為5 cm，體積較小，適合放置于人體踝關(guān)節(jié)處進(jìn)行能量的采集。仿真結(jié)果表明：輸出開路最大峰值電壓可達(dá)18 V，相較于以前的微型發(fā)電裝置的研究在體積與開路電壓參數(shù)上有了極大的提升。在后續(xù)的研究中，有必要對(duì)永磁體尺寸、線圈的匝數(shù)與直徑、鐵芯的直徑等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)發(fā)電裝置的輸出參數(shù)做進(jìn)一步的提升。本文沒有對(duì)發(fā)電裝置在帶負(fù)載條件下的輸出參數(shù)以及不同負(fù)載下的輸出變化進(jìn)行研究，有待于在后續(xù)工作中進(jìn)一步探討與實(shí)驗(yàn)。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Research and Design of a Power Generation Device Based on Human Body Motion

WANG Chao1, YANG Jing1, LI Hao1, LIU Yu-hang1, CHEN Ling1，3, LIU Hang-yu2

(1.Logistical Engineering College, Chongqing 401311, China；2.The No. 61906thTroop of PLA，Langfang 065000, China；3.The No. 68064thTroop of PLA，Huangyuan 812199, China)

To replace traditional battery shortages such as small capacity, large weight, and short life and so on, a portable generating set is searched and developed based on human motion. According to body motion characteristics, this paper introduces an idea about an unbalanced rotor power generation, which can realize gathering and conversion of human kinetic power. This paper also creatively designs such a generator which uses multi-polar permanent magnets as rotor and a plurality of coils as stator to get usable output. Corresponding theory analysis and Ansoft simulation experiments are as well carried through. The results show that the peak output voltage of this device is up to 18 V when people walk in normal frequency of 2Hz, laying a foundation for use of electric energy. Summary of this topic and expectation of the future work are made in the conclusion part.

power generation device；unbalanced rotor；human kinetic energy；output voltage

2017-01-16 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61603407)

王超(1993—)，男，山西人，碩士，主要從事移動(dòng)電源與軍用多能源發(fā)電技術(shù)研究，E-mail：766008532@qq.com；通訊作者 楊靜(1973—)，女，重慶永川人，博士，副教授，主要從事移動(dòng)電源與多能源發(fā)電技術(shù)研究，E-mail：yj7329@163.com。

王超，楊靜，李昊，等.一種基于人體運(yùn)動(dòng)的發(fā)電裝置研究與設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(5):137-142.

format：WANG Chao, YANG Jing, LI Hao, et al.Research and Design of a Power Generation Device Based on Human Body Motion[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(5):137-142.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.05.023

TM341；TM351

A

1674-8425(2017)05-0137-06