微型抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器輸出特性分析

蘇六帥,葉志通 ,蘇宇鋒

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001)

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微型抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器輸出特性分析

蘇六帥,葉志通 ,蘇宇鋒

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001)

針對(duì)目前研究的電磁式振動(dòng)能量采集器都工作在較高頻率的情況，文中研究了一種采集低頻環(huán)境下振動(dòng)的抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器。通過Ansoft Maxwell的仿真分析，得到懸浮永磁體周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化規(guī)律，確定了感應(yīng)線圈合理的分布位置，理論分析得到感應(yīng)線圈匝數(shù)及導(dǎo)線橫截面半徑的最優(yōu)尺寸。當(dāng)熱解石墨距離懸浮永磁體的位置不同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外界的頻率響應(yīng)不相同。仿真分析結(jié)果表明:當(dāng)系統(tǒng)受到外界的加速度為6.25 m/s2，頻率輸入為2～12 Hz，線圈產(chǎn)生最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)145 mV，最大輸出功率為19.7 μW。

抗磁懸浮;能量采集;頻率;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;電壓;功率

0 引言

隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，各類微機(jī)電系統(tǒng)正在向智能化和集成化方向發(fā)展。集成電路技術(shù)又使它們消耗的功率低至μW級(jí)別。微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在醫(yī)療工程、生物工程、信息通信、自動(dòng)化環(huán)境的檢測(cè)等方面。但是，這類器件一般都是應(yīng)用在環(huán)境惡劣，不能經(jīng)常更換能源的地方，然而現(xiàn)有的化學(xué)電池壽命短、存儲(chǔ)能量有限，使一些工程中的檢測(cè)設(shè)備無法及時(shí)更換電池，產(chǎn)生不良的后果[1]，各國學(xué)者都在研究新的能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源。振動(dòng)能量采集器可以把環(huán)境中廣泛存在的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)而為各種低功耗的微型電子器件供電，因此振動(dòng)能量采集技術(shù)日益成為一個(gè)新興研究課題。

振動(dòng)能量采集技術(shù)的研究中，英國 Sheffield 大學(xué) Yates 等人[2]設(shè)計(jì)的微型振動(dòng)能量采集器的尺寸為 5 mm×5 mm×1 mm，設(shè)定永磁體振子的位移為50 μm，外界激勵(lì)頻率為70 Hz 和330 Hz時(shí)，輸出的最大電功率分別為1 μW 和0.1 mW。Yang等人[3]提出了一種由永磁體NdFeB、懸臂梁和線圈組成的能量采集器，在激振頻率369 Hz和振幅14 μm下，輸出的電壓為3.2 V，功率為3.2 μW。香港中文大學(xué)Ching等人[4]研究的電磁式振動(dòng)能量發(fā)電機(jī)測(cè)試的振動(dòng)激勵(lì)振幅為200 μm，激振的頻率為64～110 Hz，輸出的電壓為4.4 V，功率為830 μW，上海交通大學(xué)王佩紅[5]設(shè)計(jì)的三明治式電磁振動(dòng)能量采集器在測(cè)試加速度幅值為0.8g、頻率為280.9 Hz的激振信號(hào)作用下，線圈最大輸出的電壓為125 mV，功率為13.2 μW。北京大學(xué)張海霞教授[6]提出的振動(dòng)能量采集器外界激振力的頻率為64 Hz，感應(yīng)線圈中的最大電壓為7.5 μV。

美國杜克大學(xué)B.P.Mann等人[7]研究了一種把磁力等效為彈力彈簧的懸浮式振動(dòng)能量采集器。該系統(tǒng)主要由3塊永磁體和感應(yīng)線圈組成，利用永磁體之間的排斥力使中間永磁體懸浮,得出固有頻率的變化范圍在7～11 Hz。韓國蔚山大學(xué)Foisal[8]提出的能量采集器也是利用3個(gè)磁體，他們?cè)O(shè)計(jì)了2種組裝形式，一種是把4組此類結(jié)構(gòu)從上到下放置，另一種是把4組相同結(jié)構(gòu)放置在同一平面上，成陣列的形式放置，兩種組裝模型可以工作的頻率范圍在7～10 Hz。美國北卡羅萊納州立大學(xué)的L.Liu等人[9]利用抗磁材料Bi與永磁體來構(gòu)建抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器，并作了理論分析工作。

國內(nèi)外研究的振動(dòng)能量采集器工作的頻率較高[10-11]，而B.P.Mann和Foisal研究的振動(dòng)能量采集器盡管工作的頻率較低，但是根據(jù)恩肖定理[12]，他們?cè)O(shè)計(jì)的振動(dòng)能量采集器并不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮，需要對(duì)水平方向的力進(jìn)行限制。與L.Liu等人研究的不同，文中提出了一種可以工作在低頻下，同時(shí)利用熱解石墨實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的新型抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器。

1 結(jié)構(gòu)模型與工作原理

利用抗磁物質(zhì)的抗磁性能夠使永磁體穩(wěn)定懸浮的原理[13]，文中設(shè)計(jì)了一種無摩擦的抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 微型抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器的結(jié)構(gòu)模型

圖1中，提升永磁體位于懸浮永磁體的上方，懸浮永磁體上下各布置有抗磁性的材料熱解石墨。提升永磁體和懸浮永磁體的磁化方向相同，提升永磁體為懸浮永磁體提供吸引力，當(dāng)上、下熱解石墨等距離的分布在懸浮永磁體的上下方，提升永磁體和懸浮永磁體之間的磁吸力抵消懸浮永磁體的重力，并且提升永磁體為懸浮永磁體提供了徑向穩(wěn)定力，上、下熱解石墨為懸浮永磁體提供豎直方向上的穩(wěn)定力。

對(duì)于本文提出的新型抗磁懸浮能量采集器，受到外界的振動(dòng)，由提升永磁體、懸浮永磁體和上、下熱解石墨組成的拾振系統(tǒng)就會(huì)響應(yīng)外界的振動(dòng)；由懸浮永磁體和固定在上、下熱解石墨的感應(yīng)線圈圈構(gòu)成的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠把拾振系統(tǒng)中懸浮永磁體上下振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

根據(jù)研究的抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器的特性[14]，選擇了如表1所示的參數(shù)用以仿真計(jì)算。該能量采集器中懸浮永磁體的最大振動(dòng)空間為2.6 mm(上、下各1.3 mm)。

表1 微型振動(dòng)能量采集器的參數(shù)

2 感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)

2.1 感應(yīng)線圈的內(nèi)外徑

本文采用基于麥克斯韋微分方程的低頻電磁場(chǎng)有限元軟件Ansoft Maxwell 做電磁有限元離散分析[15]，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃噺亩蠼怆姶虐l(fā)電微電源電磁耦合特性。首先利用Ansoft Maxwell軟件建立抗磁懸浮微電源結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)而模擬計(jì)算分析得出永磁體周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布，最終確定感應(yīng)線圈內(nèi)外徑。

(a)

(b)

圖2中，z軸代表圓形永磁體的厚度，單位為mm；x軸代表圓形永磁體的半徑，單位為mm。選擇平行于z軸的直線來研究磁通量的變化率，分別取x=1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm和x=5.5 mm、6 mm、6.5 mm、7 mm、7.55 mm、8 mm，直線長(zhǎng)度是18 mm，即在永磁體的上下面各取4 mm。結(jié)果如圖3所示。

(a) 小于永磁體半徑處的磁通量沿z軸方向的變化量

(b)大于永磁體半徑處的磁通量沿z軸方向的變化量圖3 磁通量沿z軸的變化量

從圖3(a)可以看出沿z軸，距離永磁體上下表面2～4 mm的范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化快，也就是單位時(shí)間內(nèi)磁通量變化大。圖3(b)也是有這樣的情況，并且可以看出，當(dāng)x的距離大于7 mm以后，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化速度是非常慢的。選擇線圈的內(nèi)徑為3 mm，外徑為14 mm。當(dāng)線圈分布在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的較快，也就是磁通量變化量在單位時(shí)間內(nèi)最大，產(chǎn)生的電壓也將會(huì)是最大的。

2.2 感應(yīng)線圈的半徑和匝數(shù)

感應(yīng)線圈的電阻大小與輸出的電功率的大小有著直接的關(guān)系。電阻的計(jì)算的一般表達(dá)式為

(1)

式中：ρ為電阻率，銅的電阻率為1.75×10-8Ω·m;L為感應(yīng)線圈的長(zhǎng)度;S為感應(yīng)線圈的橫截面積。

依據(jù)上面分析的感應(yīng)線圈的內(nèi)外徑大小分別為6 mm、14 mm，根據(jù)式(1)可知道半徑對(duì)線圈的匝數(shù)n，線圈的電阻的影響如圖4所示。

(a)

(b)圖4 感應(yīng)線圈的參數(shù)與線圈半徑的關(guān)系

從圖4可以看出，當(dāng)感應(yīng)線圈的半徑為0.01～0.02 mm時(shí)，感應(yīng)線圈的匝數(shù)和電阻增長(zhǎng)得特別快，不利于電特性的輸出。橫截面的半徑大于0.02 mm時(shí)，線圈電阻的增長(zhǎng)就比較平緩，所以選擇線圈橫截面的半徑為0.02 mm。

3 抗磁懸浮系統(tǒng)的能量輸出

懸浮永磁體的最大振動(dòng)空間為2.6 mm，即當(dāng)上下熱解石墨距離懸浮永磁體的距離為1.3 mm時(shí)，懸浮永磁體都能夠穩(wěn)定地懸浮。然而，當(dāng)上下熱解石墨距離懸浮永磁體的距離不同，所組成的拾振系統(tǒng)的固有頻率也不同，根據(jù)對(duì)懸浮永磁體所受到的恢復(fù)力的研究，得出當(dāng)上下熱解石墨距離懸浮永磁體的位置不同時(shí)的固有頻率如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的固有頻率隨懸浮永磁體與熱解石墨之間距離變化

根據(jù)前面感應(yīng)線圈的優(yōu)化分析，設(shè)置抗磁懸浮系統(tǒng)的感應(yīng)線圈外徑14 mm，內(nèi)徑6 mm，匝數(shù)600，線圈半徑為0.02 mm。當(dāng)熱解石墨距離懸浮永磁體的位置為1 mm，外界激勵(lì)的頻率為2.3 Hz時(shí)，抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器中上、下感應(yīng)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓如圖6所示。

圖6 上、下感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電壓

進(jìn)一步研究，設(shè)置抗磁懸浮系統(tǒng)的感應(yīng)線圈外徑14 mm，內(nèi)徑6 mm，匝數(shù)600，線圈半徑為0.02 mm。當(dāng)上、下熱解石墨距離懸浮永磁體的位置不同時(shí)，各自在它們的固有頻率處發(fā)生共振時(shí)，輸出的峰值電壓如圖7所示。

圖7 懸浮永磁體和熱解石墨位置不同時(shí)共振的峰值電壓

當(dāng)設(shè)置熱解石墨距離懸浮永磁體的距離為1.3 mm、1 mm、0.8 mm、0.6 mm，在外界激勵(lì)加速度恒為6.25 m/s2，頻率輸入為2～12 Hz，感應(yīng)電壓的變化曲線如圖8所示。

圖8 感應(yīng)電壓的變化曲線

從圖8可以看出，熱解石墨距離懸浮永磁體的距離不同，線圈中的峰值電壓也是不同的，并且抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器可以較好地響應(yīng)低頻下的振動(dòng)。

當(dāng)感應(yīng)線圈連接外接負(fù)載RL，對(duì)于整個(gè)閉合電路來說，它是由電源UE、內(nèi)阻RI和負(fù)載RL組成的。要想使外接負(fù)載的功率最大，也就是內(nèi)阻RI和負(fù)載RL的電阻值應(yīng)該相等。負(fù)載的功率P用公式表達(dá)為

(2)

從圖8可以看出來當(dāng)熱解石墨與懸浮永磁體布置為1.3mm、1mm、0.8mm、0.6mm時(shí)，外界電阻為261Ω，輸出結(jié)果如表2所示。

表2 微型振動(dòng)能量采集器的輸出特性

4 結(jié)論

目前國內(nèi)外的電磁式振動(dòng)能量采集器大部分是在較高頻率下工作，而工作在低頻下的能量采集器并不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮。文中提出了一種新型的抗磁懸浮能量采集器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中懸浮永磁體的最大振動(dòng)空間為2.6 mm。通過理論計(jì)算對(duì)感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。根據(jù)對(duì)懸浮永磁體振子受到恢復(fù)力的研究，可知當(dāng)熱解石墨與懸浮永磁體位置不同時(shí)，系統(tǒng)的固有頻率是不同的。利用Ansoft Maxwell 電磁仿真軟件對(duì)抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，仿真得出微電源系統(tǒng)產(chǎn)生最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為145 mV，最大輸出功率為19.7 μW。本文的建模與仿真分析過程將為抗磁懸浮振動(dòng)能量采集器結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作提供依據(jù)。

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Output Performance Analysis of Micro-vibration Energy Harvester Based on Diamagnetic Levitation

SU Liu-shuai，YE Zhi-tong，SU Yu-feng

(School of Mechanical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001，China)

Aiming at electromagnetic vibration energy harvester at present working at higher frequency,this paper presented a energy harvester?based on diamagnetic levitation,which can absorb low-frequency vibration.By Ansoft Maxwell,the change of the magnetic induction intensityBof the floating magnet was analyzed.Then,the position,the appropriate number of turns and the radius of its cross section of the induction coils were obtained by the theory analysis．When the distance between the pyrolytic graphite and the floating magnet changed,the response frequency of the system varied correspondingly.The simulation results show that when the acceleration of the system is set to 6.25 m/s2and the input frequency is of is 2～12 Hz,the maximum output voltage and output power of the model are145 mV and 19.7 μW respectively.

diamagnetic levitation;energy harvester;frequency;structure optimization;voltage;power

中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012M521404)；河南省教育廳青年骨干教師資助項(xiàng)目(2012GGJS-003)；河南省教育廳自然科學(xué)基金(13A460725)

2014-06-03 收修改稿日期：2014-11-01

TH703

A

1002-1841(2015)04-0046-03

蘇六帥(1988—)，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⑿驼駝?dòng)能量采集器。 葉志通(1991—)，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⑿驼駝?dòng)能量采集器。

蘇宇鋒(1977—)，副教授，博士，研究方向?yàn)槲⑿驼駝?dòng)能量采集器與微型驅(qū)動(dòng)器。E-mail：yufengsu@zzu.edu.cn