用于帶式輸送機(jī)自檢托輥的能量收集器設(shè)計

孫亮， 周公博， 王惟， 何貞志， 李婷婷

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；2.江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的核心裝備之一，其傳動能力和運(yùn)行性能對煤礦生產(chǎn)影響巨大。托輥?zhàn)鳛閹捷斔蜋C(jī)上數(shù)量最多的基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)與支撐部件，一旦發(fā)生故障，可能因鏈?zhǔn)椒磻?yīng)誘發(fā)惡性事故，因此必須定期檢測托輥健康狀態(tài)。受限于煤礦井下惡劣環(huán)境和安全用電要求，目前煤礦現(xiàn)場托輥檢測仍以人工巡檢為主[1]，效率低，安全性差。為此，有學(xué)者提出了機(jī)器人巡檢方法[2]、光纖測溫法[3]、輸送帶內(nèi)置檢測模塊法[1]、自檢托輥[4]等。其中自檢托輥將無線傳感器節(jié)點(diǎn)放置在托輥內(nèi)部，可采集托輥內(nèi)部溫度與振動信號，并通過無線組網(wǎng)方式進(jìn)行傳輸，具有無需布線、檢測準(zhǔn)確、安全性強(qiáng)、可檢托輥數(shù)量多等優(yōu)點(diǎn)。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般由電池提供能量，但自檢托輥的無線傳感器節(jié)點(diǎn)位于托輥內(nèi)部，因托輥需長時間工作，且結(jié)構(gòu)封閉，難以拆卸，無法隨時更換電池，所以節(jié)點(diǎn)能量問題成為自檢托輥應(yīng)用的關(guān)鍵。對環(huán)境冗余能量進(jìn)行回收并為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供能是近年來的研究熱點(diǎn)。煤礦井下帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行工況特殊，缺少可以直接利用的環(huán)境能量?？紤]到托輥具有自轉(zhuǎn)的運(yùn)動特性，利用其產(chǎn)生的機(jī)械能發(fā)電具有一定的可行性。

針對旋轉(zhuǎn)體發(fā)電問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。J. W. Kim等[6]提出了一種可由手指觸發(fā)的旋轉(zhuǎn)式電磁能量收集器，在3 Hz低頻振動下可產(chǎn)生7.68 mW的平均功率。Gu Lei等[7]提出了一種無源自調(diào)諧壓電能量收集器，在15.2 Hz旋轉(zhuǎn)頻率下最多可收集123 μW能量。Zhang Ying等[8]設(shè)計了一種盤式電磁能量收集器，最大旋轉(zhuǎn)頻率下可收集131.1 mW能量，最大輸出電壓為4.59 V。Cai Mingjing等[9]提出了一種內(nèi)置于智能手表、具有多層軸向結(jié)構(gòu)的電磁式發(fā)電機(jī)，平均功率為1.74 mW，具有較高的能量密度。F. Khameneifar等[10]設(shè)計了一種基于振動的旋轉(zhuǎn)式壓電能量收集器，在138 rad/s轉(zhuǎn)速下，最大發(fā)電功率為6.4 mW。高揚(yáng)等[11]設(shè)計了一種為井下監(jiān)測節(jié)點(diǎn)供能的電磁式振動能量采集裝置，在13g(g為重力加速度)振動加速度下，最大輸出功率為378 mW。但上述旋轉(zhuǎn)體發(fā)電或能量收集裝置或體積較大，或功率較低，無法滿足自檢托輥無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量收集要求。

本文針對帶式輸送機(jī)托輥健康檢測用無線傳感器節(jié)點(diǎn)自供能需求，設(shè)計了基于Halbach永磁體陣列的能量收集器，對其進(jìn)行理論分析及有限元動態(tài)仿真，評估了多參數(shù)對其發(fā)電性能的影響；結(jié)合無線傳感器節(jié)點(diǎn)安裝及能耗需求，優(yōu)化設(shè)計了能量收集器參數(shù)，據(jù)此研制了能量收集器樣機(jī)，通過試驗驗證了其性能。

1 能量收集器設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于礦用帶式輸送機(jī)托輥，其失效主要由軸承損壞引起[12]，因此托輥健康檢測主要針對托輥軸承。為了盡可能地將無線傳感器節(jié)點(diǎn)與軸承接觸，考慮軸承座處有一定空間，且軸承座與軸之間相對轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的機(jī)械能可成為節(jié)點(diǎn)能量來源，選擇將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在軸承座處。

能量收集器由永磁體座、永磁體、定子鐵芯與線圈組成，如圖1所示。永磁體固定在永磁體座中構(gòu)成轉(zhuǎn)子，定子鐵芯與線圈構(gòu)成定子。定子固定于托輥軸上，永磁體座外側(cè)與托輥軸承座相連，保證轉(zhuǎn)子繞定子相對轉(zhuǎn)動，利用法拉第電磁感應(yīng)定律將托輥筒體轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供能。

圖1 能量收集器結(jié)構(gòu)

軸承座內(nèi)空間較小，因此無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的能量收集器受到較大的體積限制。Halbach型永磁體陣列可提高氣隙磁通密度(磁密)，增大能量收集器的功率密度，減小其體積，因此采用Halbach型永磁體陣列設(shè)計能量收集器。Halbach型永磁體陣列中相鄰永磁體充磁角度的差值沒有固定要求，考慮到精細(xì)陣列會增加加工工藝難度，且受空間尺寸限制需減少轉(zhuǎn)子極數(shù)，本文中能量收集器采用充磁角度為90°的Halbach永磁體陣列。

1.2 供能需求分析

自檢托輥?zhàn)怨┠軣o線傳感器節(jié)點(diǎn)由主控單元、傳感器(包括溫度傳感器與振動傳感器)、無線通信模塊、能量管理電路、能量收集器組成。根據(jù)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)能耗與能量管理電路效率計算節(jié)點(diǎn)所需能耗，即能量收集器供能需求。

節(jié)點(diǎn)能耗主要由主控單元、傳感器、無線通信模塊產(chǎn)生。為降低節(jié)點(diǎn)能耗，在滿足功能需求的前提下，選擇低能耗器件。節(jié)點(diǎn)主要耗能器件選型見表1。根據(jù)各器件能耗得出節(jié)點(diǎn)總能耗為106.062 mW。

表1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要耗能器件選型

能量收集器產(chǎn)生的電能為高頻交流電，無法直接用于節(jié)點(diǎn)各模塊，且各模塊并非持續(xù)工作，因此基于降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器LTC3331設(shè)計了能量管理電路。該電路內(nèi)置整流穩(wěn)壓電路與充電邏輯電路，可對能量收集器產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流穩(wěn)壓處理，并按照節(jié)點(diǎn)內(nèi)各模塊能耗需求設(shè)置輸出電壓。由于節(jié)點(diǎn)在正常工作過程中并非一直處于最大能耗狀態(tài)，所以能量管理電路將瞬時冗余能量存入電池，當(dāng)能量收集器發(fā)電不足時，轉(zhuǎn)由電池為節(jié)點(diǎn)供能。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊輸入電壓為3.3 V，設(shè)定能量管理電路欠壓鎖定閾值下限為4 V，上限為5 V。能量管理電路在進(jìn)行升壓與降壓操作時會產(chǎn)生一定的能耗，在感應(yīng)電壓大于5 V時，降壓轉(zhuǎn)換器作用，此時電路效率為90%；在感應(yīng)電壓小于5 V時，升壓-降壓轉(zhuǎn)換器作用，此時電路效率為80%。設(shè)能量管理電路效率為80%，則能量收集器需提供132.577 5 mW輸出功率。將能量收集器功率因數(shù)取為80%(與一般發(fā)電機(jī)功率因數(shù)相等)，則其供能需求為165.722 mW。

2 能量收集器電磁感應(yīng)理論分析

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，能量收集器產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

(1)

式中：N為線圈匝數(shù)；Ф為磁通量；t為時間。

由式(1)可知，線圈中感應(yīng)電動勢與線圈匝數(shù)和單位時間內(nèi)磁通量的變化率呈正比。

磁通量變化為

dΦ=SdB

(2)

式中：S為定子線圈正對磁場的面積矢量；dB為磁場強(qiáng)度變化。

定子線圈正對磁場的面積與定子軸向長度、能量收集器長度有關(guān)。當(dāng)定子線圈參數(shù)確定時，定子線圈正對磁場的面積即確定。由于能量收集器內(nèi)定子靜止不動，永磁體轉(zhuǎn)動導(dǎo)致磁場不斷變化，引起磁通量發(fā)生變化。

永磁體的材料、尺寸與陣列決定整個能量收集器的磁場強(qiáng)度。永磁體材料決定了永磁體的剩余磁密，剩余磁密越大，則能量收集器的氣隙磁密越高，磁場強(qiáng)度越大。永磁體尺寸越大，則能量收集器的氣隙磁密越高，磁場強(qiáng)度越大。

引入定子線圈的相位：

θ=θ0+ωt

(3)

式中：θ0為定子線圈的初始相位；ω為轉(zhuǎn)子速度。

進(jìn)一步地，能量收集器產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可表示為

(4)

由式(4)可知，感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子速度呈正比[13]。

感應(yīng)電動勢的周期為

(5)

式中：T為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期；NM為轉(zhuǎn)子永磁體數(shù)；α為相鄰永磁體的充磁角度差。

感應(yīng)電動勢頻率為

(6)

由于能量收集器中存在唯一電源，所以感應(yīng)電壓瞬時值與感應(yīng)電動勢相同。感應(yīng)電壓有效值為

(7)

式中：Ui為采樣的第i個感應(yīng)電壓瞬時值；m為1個感應(yīng)電動勢周期內(nèi)的采樣次數(shù)。

將能量收集器等效為電壓源，理論狀態(tài)下其輸出電壓有效值恒定，其功率由負(fù)載決定，為

(8)

式中：RC為線圈內(nèi)阻；RL為負(fù)載電阻。

當(dāng)線圈內(nèi)阻與負(fù)載電阻相等時，能量收集器輸出功率最大。

3 能量收集器有限元分析

采用COMSOL Multiphysics 5.5對能量收集器進(jìn)行有限元動態(tài)仿真，并依據(jù)瞬態(tài)解與過程解對多參數(shù)對能量收集器輸出感應(yīng)電壓的影響進(jìn)行分析。由于能量收集器在軸向上各切面結(jié)構(gòu)相同，永磁體充磁方向全部平行于法平面，且能量收集器無軸向位移，所以只在法平面內(nèi)存在有效電磁感應(yīng)。為了降低計算成本，選擇二維仿真。

對本文采用的90°Halbach永磁體陣列與常規(guī)永磁體陣列進(jìn)行仿真，如圖2所示。箭頭指向永磁體N極。

(a) 90°Halbach永磁體陣列

能量收集器的定子極數(shù)為定子鐵芯槽數(shù)，轉(zhuǎn)子極數(shù)為定子與轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)動1圈過程中電信號變化的周期數(shù)，即磁場變化周期數(shù)。90°Halbach永磁體陣列中每極轉(zhuǎn)子對應(yīng)4塊永磁體，常規(guī)永磁體陣列中每極轉(zhuǎn)子對應(yīng)2塊永磁體。

3.1 氣隙厚度的影響

氣隙為永磁體內(nèi)徑與定子鐵芯凸極外徑之間的空氣域，氣隙中心半徑為永磁體內(nèi)徑與定子凸極外徑平均值。

在能量收集器動態(tài)仿真過程中，定子鐵芯凸極幾何中心與軸向充磁永磁體中心重合位置為典型位置。能量收集器處于典型位置時，磁場中磁密(包括氣隙磁密和定子磁密)最大值點(diǎn)位于定子鐵芯凸極內(nèi)部。固定永磁體與定子內(nèi)徑，調(diào)整定子鐵芯凸極長度以改變氣隙厚度，通過仿真觀察不同氣隙厚度下，基于不同永磁體陣列的能量收集器在典型位置的磁密，如圖3所示(展示整體結(jié)構(gòu)的1/4)?？煽闯鲈诓煌瑲庀逗穸认拢贖albach永磁體陣列的能量收集器最大磁密均大于基于常規(guī)永磁體陣列的能量收集器，表明Halbach永磁體陣列可以更好地將磁場聚集于定子鐵芯凸極處，增強(qiáng)能量收集器的發(fā)電性能。

(a) 1.5 mm氣隙厚度，基于Halbach陣列

在不同氣隙厚度下，基于不同永磁體陣列的能量收集器在典型位置的極坐標(biāo)氣隙磁密如圖4所示，取值位置為氣隙中心?？煽闯龌贖albach永磁體陣列的能量收集器的氣隙磁密遠(yuǎn)大于相同條件下基于常規(guī)永磁體陣列的能量收集器，證明Halbach永磁體陣列可有效強(qiáng)化單邊磁場。

圖4 不同氣隙厚度下能量收集器在典型位置的極坐標(biāo)氣隙磁密

2種永磁體陣列旋轉(zhuǎn)過程中，能量收集器的氣隙磁密平均值及感應(yīng)電壓有效值如圖5所示?？煽闯霾捎貌煌来朋w陣列時，能量收集器的氣隙磁密平均值與感應(yīng)電壓有效值均隨氣隙厚度的增大而減?。辉?.5，2，2.5 mm 3種氣隙厚度、其他條件相同的情況下，基于Halbach永磁體陣列的能量收集器感應(yīng)電壓有效值比基于常規(guī)永磁體陣列的能量收集器分別高16.5%，12.7%，10.5%，證明采用Halbach永磁體陣列可以增大能量收集器的感應(yīng)電壓及輸出功率。

圖5 不同氣隙厚度下能量收集器氣隙磁密平均值與感應(yīng)電壓有效值

3.2 永磁體厚度的影響

永磁體體積增大會直接增大磁場強(qiáng)度，從而影響能量收集器發(fā)電性能。在永磁體內(nèi)徑確定的情況下，調(diào)整永磁體外徑，在0～5 mm厚度范圍內(nèi)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖6所示?？煽闯瞿芰渴占鞲袘?yīng)電壓有效值、氣隙磁密平均值與永磁體厚度呈正相關(guān)關(guān)系，但隨著永磁體厚度增加，感應(yīng)電壓與氣隙磁密增速逐漸減小，因此過大的永磁體厚度會削弱能量收集器的功率密度。在進(jìn)行能量收集器參數(shù)設(shè)計時，受成本與裝置尺寸限制，永磁體厚度不宜過大。

圖6 不同永磁體厚度下能量收集器氣隙磁密平均值與感應(yīng)電壓有效值

3.3 轉(zhuǎn)子速度的影響

設(shè)置不同轉(zhuǎn)子速度，對基于Halbach永磁體陣列的能量收集器感應(yīng)電壓進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示?？煽闯瞿芰渴占鞲袘?yīng)電壓有效值和最大值均與轉(zhuǎn)子速度呈正比。

圖7 不同轉(zhuǎn)子速度下能量收集器感應(yīng)電壓有效值與最大值

4 試驗及結(jié)果分析

4.1 能量收集器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

本文中無線傳感器節(jié)點(diǎn)檢測的目標(biāo)為直徑133 mm筒體的帶式輸送機(jī)托輥，其軸承型號為6305，軸承座內(nèi)徑為62 mm。

受空間限制，定子極數(shù)最大為16，轉(zhuǎn)子極數(shù)最大為8。永磁體材料為NdFeB-N50，采用扇形結(jié)構(gòu)，其與方形結(jié)構(gòu)相比更加緊密，機(jī)械配合性更好，無需額外固定。定子鐵芯采用硅鋼片(B35A300)制作，可減少渦流損耗。考慮到機(jī)械強(qiáng)度與加工難度，定子鐵芯各位置厚度大于1 mm。

參考有限元仿真結(jié)果，結(jié)合能量收集器結(jié)構(gòu)與供能需求分析，對能量收集器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，具體見表2。

表2 能量收集器參數(shù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)研制了能量收集器樣機(jī)，其定子與轉(zhuǎn)子如圖8所示。轉(zhuǎn)子中永磁體座由尼龍材料3D打印制成，永磁體固定在永磁體座中，外徑為62.15 mm，內(nèi)徑為48.46 mm。定子鐵芯涂有一層絕緣漆，外徑為47.26 mm，每個凸極有70匝繞組，繞組導(dǎo)線外徑為0.15 mm，內(nèi)部銅芯直徑為0.12 mm，線圈阻值為33.2 Ω。能量收集器整體體積與軸承接近。

(a) 定子

4.2 試驗結(jié)果

搭建試驗裝置測試能量收集器有效性，如圖9所示。以大轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動機(jī)為動力源，通過輸送帶傳動，使軸承座按照設(shè)計的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，托輥軸固定于試驗臺。

圖9 試驗裝置

采用Tektronix TBS1102型示波器采集能量收集器感應(yīng)電壓。帶式輸送機(jī)托輥轉(zhuǎn)速為5 r/s時，試驗結(jié)果如圖10所示。其中仿真值為在COMSOL Multiphysics 5.5環(huán)境下，采用表2參數(shù)及5 r/s轉(zhuǎn)速對能量收集器進(jìn)行動態(tài)仿真的結(jié)果?？煽闯觯涸囼炛蹬c仿真值具有較好的一致性；能量收集器感應(yīng)電壓試驗值在波形中段略低于仿真值，且3 V以上電壓占比略低于仿真值，主要原因是永磁體尺寸較小，加工精度較難控制，安裝后永磁體之間存在縫隙，導(dǎo)致實(shí)際磁場與理想磁場間存在差異。

圖10 能量收集器感應(yīng)電壓

仿真時線圈阻值為33.01 Ω，根據(jù)仿真值可得能量收集器感應(yīng)電壓有效值為5.008 V，最大功率為189.94 mW；根據(jù)試驗值可得感應(yīng)電壓有效值為4.77 V，最大功率為171.33 mW，略低于仿真值，大于無線傳感器節(jié)點(diǎn)所需能耗165.722 mW，滿足供能需求。另外，能量收集器體積為25.28 cm3，功率密度為6.78 mW/cm3，滿足空間安裝要求。

5 結(jié)論

(1) 內(nèi)置無線傳感器節(jié)點(diǎn)的自檢托輥是一種新型的帶式輸送機(jī)托輥健康檢測形式。為了解決密閉托輥內(nèi)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供給問題，設(shè)計了一種基于Halbach永磁體陣列的能量收集器。

(2) 對能量收集器進(jìn)行有限元動態(tài)仿真，驗證了Halbach永磁體陣列用于小型旋轉(zhuǎn)體能量收集器的優(yōu)勢，并通過分析得出減小氣隙厚度、增大永磁體厚度、提高轉(zhuǎn)子速度等方式可有效提高能量收集器的感應(yīng)電壓。

(3) 根據(jù)自檢托輥無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)際能耗及能量管理電路特性，分析了能量收集器的供能需求，結(jié)合節(jié)點(diǎn)安裝空間要求，優(yōu)化了能量收集器參數(shù)，并制作了樣機(jī)。試驗結(jié)果表明，能量收集器在5 r/s的帶式輸送機(jī)托輥常見轉(zhuǎn)速下，感應(yīng)電壓有效值為4.77 V，最大功率為171.33 mW，大于無線傳感器節(jié)點(diǎn)所需能耗165.722 mW，且具有較高的功率密度(6.78 mW/cm3)，滿足空間安裝需求。