基于電磁阻尼的振動能量回收裝置研究

盧 濤，魏 勇，余厚全，宋鋼兵

（1.長江大學電子信息學院，湖北荊州 434023；2.休斯頓大學機械工程學院，美國休斯頓77504）

引言

隨著電子技術的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)得到了廣泛的應用，相關的設備一般具有遠離電網(wǎng)、傳感器節(jié)點數(shù)量多、功耗低、無線通信和無人值守的特點［1］。通常結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的無線傳感器節(jié)點使用電化學電池供電，然而電化學電池存在著使用壽命短、需要頻繁更換和化學物污染環(huán)境等缺點，這些節(jié)點供電問題正日益凸顯。因此，尋找一種新的清潔能源，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)提供一種新的電源解決方案具有重要的工程意義。自然界中存在不同頻率和強度的振動能，如高樓和橋梁存在著隨風持續(xù)穩(wěn)定的擺動現(xiàn)象［2］，采集這些振動能并轉(zhuǎn)化成電能［3－5］，不僅能夠有效地利用建筑物的振動能，還解決了建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題［6－9］。

振動能量收集方式主要有三種：壓電式、靜電式和電磁式。壓電式的壓電陶瓷抗疲勞度弱，容易損壞，加之產(chǎn)生的電能時間短和幅度高，不容易進行轉(zhuǎn)換和收集，導致在能量回收應用中受限；而靜電式的振動能采集器需要外加電源才能工作，一些場合如：野外、鍋爐和輻射區(qū)等不方便安裝電源，因此也限制了這種方法的使用；電磁式振動能量采集器適用于多種頻率和振動幅度的場合，尺寸不受限制，最終成為眾多學者研究的熱點。DAYAL 等［10］研究垂直方向的振動能量回收，利用磁鐵在螺旋線圈周圍運動產(chǎn)生電磁感應，將振動能轉(zhuǎn)化為電壓達幾百毫伏的電能；基于經(jīng)典電磁振動模型，國內(nèi)學者張端等［11］提出了高效電磁式振動能量回收模型，動態(tài)仿真表明模型中單個線圈電壓為1.2 V，空載時最大有效功率為474.1 mW，帶負載功率達到118.5 mW；王佩紅［12］研究設計了一種三明治結(jié)構(gòu)的微型電磁式振動能量回收裝置，所收集的電能功率為21.2 uW，輸出電壓峰峰值達到163 mV。上述實驗實現(xiàn)了垂直方向上微瓦甚至毫瓦級別的振動能量回收，充分說明電磁式裝置收集能量的可行性。在水平振動能量回收方面，華中科技大學的沈文愛等［13］設計了大幅度擺錘式電磁能量回收裝置，可以收集來自交通、自然風和地震中的振動能，裝置最大有效輸出功率174.5 mW 能量。但由于變速箱的結(jié)構(gòu)較為復雜，未見推廣使用?；谏鲜鲅芯?，本文提出一種新型電磁阻尼振動能量回收裝置的方案。

1 物理模型與理論分析

1.1 電磁阻尼器的理論模型

圖1為基于摩擦力的調(diào)諧質(zhì)量塊阻尼器模型［14］，其主要由質(zhì)量塊、彈簧和結(jié)構(gòu)體組成。當模型受到高層建筑物的水平振動激勵作用時，由于兩根彈簧的彈性系數(shù)k相同，質(zhì)量塊m將做左右往復運動，質(zhì)量塊的下表面與結(jié)構(gòu)體之間將產(chǎn)生大小為μmg 的滑動摩擦力（μ為摩擦系數(shù)）。由于質(zhì)量塊的滑動摩擦作用，振動能將轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

圖1中質(zhì)量塊的運動公式為：

圖1 調(diào)諧質(zhì)量塊阻尼器模型Fig.1 Tuned mass damper model

式中：x、˙和分別表示質(zhì)量塊的運動位移、速度和加速度。表示符號函數(shù)，當質(zhì)量塊右移和左移時，值為±1，標志著質(zhì)量塊受到滑動摩擦力的方向。

假如對上述裝置進行改進，用電磁阻尼力取代摩擦力，那么通過電磁感應效應，振動能也可以轉(zhuǎn)換成電能［12，15－17］。這為我們設計水平方向上振動能量回收裝置提供了解決方案。

如圖2 為基于電磁阻尼的能量回收模型。模型中的質(zhì)量塊為環(huán)形磁鋼，磁鋼的外側(cè)為環(huán)形螺線圈。結(jié)構(gòu)體振動時將導致磁鋼發(fā)生強迫振動，進而在螺線圈上產(chǎn)生交變的電壓信號。假設靜止狀態(tài)下磁鋼的中心為坐標原點，運動狀態(tài)下的磁鋼相對于原點的位移為x，結(jié)構(gòu)體相對于原點的位移為y，磁鋼受到的螺線圈電磁阻尼和支架機械阻尼之和cT，根據(jù)牛頓第二定律，可得磁鋼的運動方程：

圖2 基于電磁阻尼的能量回收模型Fig.2 Energy recovery model based on electromagnetic damping

1.2 電磁阻尼器模型的特性分析

能量回收效率是評價一個能量回收裝置性能的關鍵因素，以下分析如圖2 所示模型的回收功率。設結(jié)構(gòu)體的運動為簡諧函數(shù)：

式中：A為幅值；ω為角頻率。與結(jié)構(gòu)體相比較，磁鋼的位移是一種頻率與之一致，但幅值和相位均不同的簡諧函數(shù)：

將式（3）和式（4）代入式（2），即可計算出簡諧函數(shù)激勵下的磁鋼幅值與結(jié)構(gòu)體幅值比B/A以及磁鋼的相角［12］：

式中：ωn=為拾振系統(tǒng)的固有頻率；ξT=，ξT表示電磁阻尼器的總阻尼比。

圖3 為式（5）的數(shù)值模擬結(jié)果，曲線表明：①當ξT＜0.1 時，磁鋼振幅的峰值出現(xiàn)在=1 附近，且總阻尼比ξT越小，振幅幅值越大；②當0.1＜ξT＜1時，振幅的峰值隨著ξT的增大向＜1的方向偏移。因此，為了讓磁鋼獲得更大的振幅從而回收更多的電能，在設計實際能量回收裝置時需要注意：①調(diào)整彈簧的彈性系數(shù)k或者改變磁鋼的重量m，當二者滿足ωn==ω時，磁鋼的振幅最大；②盡可能地減小總阻尼比ξT，當電磁阻尼一定的情況下，減小磁鋼的支架的機械阻尼成為最佳解決方案。

圖3 幅頻響應曲線Fig.3 Amplitude frequency response curve

圖4 0＜ξT＜1時的相頻響應曲線Fig.4 Phase frequency response curve when 0＜ξT＜1

假設系統(tǒng)的機械阻尼足夠小，振動能幾乎全部轉(zhuǎn)化為電能，則電磁阻尼器收集的能量的平均功率可以表示為：

將式（5）和式（6）以及y(t)=Acos(ωt)代入式（8）得［18］：

式（9）的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5 所示，曲線表明：①當頻率比=1 時，平均功率Pav達到最大值；②當頻率比=1時，平均功率Pav隨著阻尼比ξT的增大而減小，這與圖3的結(jié)論一致。上述分析為設計實際能量回收裝置提供了理論指導。

圖5 0＜ξT＜0.1時的功率頻率比響應曲線Fig.5 Power-frequency ratio response curve when 0＜ξT＜0.1

2 電磁阻尼器和電磁振動體的設計方案

2.1 電磁阻尼器的設計方案

根據(jù)上述模型分析，提出了如圖6所示的電磁阻尼器設計方案［14］。包括1彈簧、2螺旋線圈、3環(huán)形磁鋼、4隔磁板、5無磁軸承、6無磁滑桿、7支架和8角鋼。為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率，擬采取的技術手段有：①采用多個環(huán)形磁鋼和螺旋線圈串聯(lián)而成的電磁感應系統(tǒng)，提高輸出電壓的幅值；②采用隔磁板分隔磁鋼之間的磁場串擾，提高系統(tǒng)的磁通量，進而提高轉(zhuǎn)化效率。

圖6 電磁阻尼器設計方案Fig.6 Design scheme of electromagnetic damper

2.2 電磁振動體的設計方案

為了模擬自然界中建筑物的振動，并帶動電磁阻尼器工作，提出了如圖7 所示的電磁振動體設計方案［14－16］。由簡易振動臺和電磁阻尼器兩部分組成。振動臺由基座、彈性鋼片和帶偏心錘電機組成，能夠較好地模擬自然界中的水平振動，特別是類似高層建筑物的振動環(huán)境。

圖7 電磁振動體設計方案Fig.7 Design scheme of electromagnetic vibrating body

3 電磁振動體實驗裝置及能量回收電路

3.1 電磁振動體實驗裝置的研制

根據(jù)理論分析和方案設計，研制了如圖8所示的電磁振動體實驗裝置。裝置從上至下分別是：電磁阻尼器、彈性鋼片和基座。作為能量回收的核心部件，電磁阻尼器具有如下技術特點：①采用了多組螺旋線圈串聯(lián)而成的電磁感應系統(tǒng)，提高了輸出電壓的幅度；②采用磁能積最高的釹鐵硼磁鐵［19］，提高了單支線圈內(nèi)的磁通量；③利用隔磁板分隔磁鋼之間的磁場串擾，降低了磁損耗；④選用了無磁鈦棒作為滑桿，減少了磁鋼組的隔磁鋼之間的磁場串擾，降低了磁損耗；⑤采用滑桿滾動摩擦的方式代替滑動摩擦，進一步減小了機械摩擦帶來的能量損耗。表1列出了相關材料清單。

圖8 電磁振動體實驗裝置Fig.8 Experimental device for electromagnetic vibrating body

表1 電磁振動體器件Table 1 Electromagnetic vibrating body device

實驗過程中，首先為帶有偏心錘的直流電機提供電源，電磁阻尼器在偏心錘的作用下做水平方向振動。通過調(diào)節(jié)直流電機的供電電壓值，使電磁阻尼器工作在頻率約為1.6 Hz 的諧振狀態(tài)，振動幅度約為14 mm。在此基礎上，用示波器觀察不同負載情況時負載上電壓信號，實驗結(jié)果如圖9 所示。因此，①當負載阻值越大，負載兩端的幅度也越大，最大幅度可超過30 V（見圖9（d））；②當負載阻值越接近四個線圈的串聯(lián)阻抗（約為406 Ω）時，負載功率越大，這符合最大功率傳輸定理（見圖9（e））。

圖9 電磁阻尼器帶負載實驗結(jié)果Fig.9 Experimental results of electromagnetic damper with load

3.2 能量回收電路的設計

由于電磁阻尼器產(chǎn)生的電壓為非平穩(wěn)交流信號，不能直接驅(qū)動供電電壓為3.2～5 V 直流負載工作。因此，還需要進一步研究能量回收電路。能量回收電路主要包括全橋整流、降壓穩(wěn)壓和充電管理［13，20－21］，如圖10所示。作為電路的核心部分，在選擇降壓穩(wěn)壓芯片時應從三方面進行考慮：①輸入電壓范圍大；②輸出電壓穩(wěn)；③轉(zhuǎn)換效率高。AD公司生產(chǎn)的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換芯片LTC3388-3輸入電壓范圍2.7～20 V，輸出穩(wěn)定的可調(diào)電壓，且在負載電流大于1 mA時，其轉(zhuǎn)換效率超過80%，較好地滿足本系統(tǒng)功能需求。LTC3388-3電路輸出接一容量較大的電容時（如3 300 uF），可以直接輸出5 V電壓，為低功耗設備持續(xù)供電。

圖10 能量回收電路設計系統(tǒng)Fig.10 System of energy recovery circuit design

如果裝置回收的能量用于鋰電池充電，則需要充電管理模塊。充分考慮鋰電池預充電、充電和放電保護功能，充電管理電路選用單節(jié)鋰電池充電芯片TP4054來實現(xiàn)。

當鋰電池處于充電狀態(tài)時，其兩端的電壓和電流如圖11（a）所示，負載功率約為15.81 mW，這足以驅(qū)動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的無線傳感器節(jié)點正常工作。為了直觀地演示能量回收效果，我們在+5V 輸出端接上手機和智能手環(huán)作為負載，手機和智能手環(huán)均能顯示穩(wěn)定的電池充電狀態(tài)，如圖11（b）和圖11（c）所示。

圖11 能量回收電路為多種外設充電實物圖Fig.11 Physical diagram of the energy recovery circuit charging various peripherals

上述實驗表明：系統(tǒng)不僅能夠給包括鋰電池、手環(huán)和手機在內(nèi)的多種電器充電，還能給無線傳感器節(jié)點供電；系統(tǒng)內(nèi)置的鋰電池還能夠?qū)⒑涟布夒娏鞔鎯ζ饋?，為其它種類的低功耗設備提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。

3.3 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

高層建筑的振動通常是由風荷載引起的，文獻［22］表明高層建筑物在風力作用下的振動近似為簡諧函數(shù)，風速的變化會引起高層建筑物振動幅值和頻率發(fā)生改變。因此，通過改變實驗裝置中簡易振動臺的頻率和振幅來間接模擬風速的影響，并開展相應的實驗具有實際意義。

實驗一：激勵源頻率對回收能量的影響

在實驗過程中，調(diào)整直流電源電壓值，同時改變結(jié)構(gòu)體的重量（在結(jié)構(gòu)體正下方增減電木塊），控制結(jié)構(gòu)體振幅不變，振動頻率發(fā)生變化，以此來模擬風速引起的不同頻率的振動環(huán)境。記錄電磁振動體裝置振動頻率和收集能量電壓的幅值。實驗數(shù)據(jù)見表2，相應的頻率-電壓曲線如圖12 所示（負載電阻為510Ω）。實驗結(jié)果表明：當電磁阻尼器振動頻率接近諧振頻率（1.6 Hz）時，電壓幅值最大?？梢姡寒旊姶抛枘崞鞯恼駝宇l率與其固有頻率一致時，收集的能量達到最大值。

圖12 振動頻率與感應電壓曲線Fig.12 Vibration frequency and induced voltage curve

表2 頻率-電壓數(shù)據(jù)Table 2 Frequency-voltage data

實驗二：激勵源振幅對回收能量的影響

采用與實驗一類似的調(diào)整方法，改變結(jié)構(gòu)體重量，同時調(diào)整直流電源電壓值，保持結(jié)構(gòu)體工作在諧振頻率不變，其振動幅度變化著，以此來模擬風速引起的不同振幅的振動環(huán)境。記錄電磁振動體裝置振動幅度和收集能量電壓的幅值。實驗二的數(shù)據(jù)結(jié)果見表3，相應的振幅-電壓曲線如圖13 所示（負載電阻為510 Ω）。

表3 振幅-電壓數(shù)據(jù)Table 3 Amplitude-Voltage Data

圖13 的振幅-電壓曲線圖表明：電磁振動體裝置在共振頻率下，感應電壓與振動幅度呈單調(diào)遞增關系。當振動振幅增加到一定幅值時，電壓增長速度變慢。這是因為彈簧工作在非線性區(qū)而引起的能量損耗增大所致；同時，振幅的增加也會引起鈦合金棒與軸承之間的摩擦能耗增加，導致能量轉(zhuǎn)換效率有所降低。

圖13 振動幅度與感應電壓曲線Fig.13 Vibration amplitude and induced voltage curve

4 總結(jié)

針對高層建筑物等水平振動環(huán)境的能量回收問題，本文設計了一種基于電磁阻尼的振動能量回收裝置。其中：基于滾動軸承的電磁阻尼器減小了滑動摩擦帶來的能量損耗；多只線圈串聯(lián)的組合方式提高了機械能轉(zhuǎn)換為電能的效率；低功耗穩(wěn)壓電路和充電管理電路解決了電能的轉(zhuǎn)換和存儲難題。實驗研究表明：該裝置產(chǎn)生的電壓峰值可達31 V，最大輸出功率達20 mW，經(jīng)過高效電壓轉(zhuǎn)換之后，不僅能夠為結(jié)構(gòu)健康檢測系統(tǒng)供電，而且可以為包括鋰電池、手機和智能手環(huán)等儲能設備充電。如何自動地調(diào)節(jié)電磁阻尼器的諧振頻率，使之與環(huán)境的振動頻率一致，從而更高效率地收集振動能量，以及設計更加高效的能量回收電路，這將是我們下一步研究的重點。