電磁-壓電復(fù)合式機(jī)械能量收集器

錢(qián) 鑠，楊子楊，崔丹鳳，何 劍，穆繼亮，丑修建

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電路系統(tǒng)變的越來(lái)越小型化、集成化，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)及可穿戴智能終端蓬勃發(fā)展，使得智能終端成為了我們生活中不可獲缺的一部分. 現(xiàn)在這些智能終端設(shè)備供電方式主要采用聚合物電池，但是聚合物電池有續(xù)航時(shí)間短、成本高、環(huán)境污染大等缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了智能終端器件的發(fā)展. 因此，尋找一種新的高效能量供給方式是十分必要和迫切的[1-3].

在我們的生活中，機(jī)械能廣泛分布且形式多樣，如：人體運(yùn)動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)等，采集機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能為智能終端供電是一種行之有效的辦法. 在機(jī)械能采集的研究中，已發(fā)表的多種能量采集器采用了壓電、電磁、摩擦等多種換能原理，但這些發(fā)表的能量采集器在實(shí)際應(yīng)用中都有其不可避免的缺點(diǎn)：① 摩擦發(fā)電機(jī)輸出功率低，轉(zhuǎn)換的機(jī)械能不足以支撐電路系統(tǒng)工作[4-8]； ② 采集方式單一，導(dǎo)致大量機(jī)械能以熱能和機(jī)械形變的形式被耗散[9]； ③ 彈簧和懸梁結(jié)構(gòu)機(jī)械性能差，在長(zhǎng)時(shí)間的工作后容易產(chǎn)生機(jī)械疲勞甚至器件損壞[10,11]； ④ 結(jié)構(gòu)笨重，器件自重和體積偏大，使用不便[12].

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種基于磁懸浮結(jié)構(gòu)的復(fù)合式能量采集器，該能量采集器電氣性能優(yōu)異、設(shè)計(jì)輕便、靈敏度高. 能量采集器采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，集成了4組能量采集單元，內(nèi)部支撐件全部采用3D打印加工，整體尺寸為Φ47*27 mm，重量?jī)H有80 g. 結(jié)構(gòu)核心感應(yīng)部件是一塊環(huán)形磁鐵，在周?chē)?個(gè)磁柱的作用下處于懸浮狀態(tài).

1 設(shè)計(jì)及原理

本文中提出的復(fù)合式能量收集器如圖1(a)所示，以磁懸浮結(jié)構(gòu)作為敏感單元，集成了電磁發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)：EMG)和壓電發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)：PEG)兩種換能方式. 磁懸浮結(jié)構(gòu)是以環(huán)形磁鐵作為懸浮磁鐵，在其周?chē)鶆蚺挪?個(gè)磁柱，在磁場(chǎng)力的相互作用下中間的環(huán)形磁鐵會(huì)懸浮起來(lái).

圖 1 (a)復(fù)合式能量采集器實(shí)物圖； (b)復(fù)合式能量采集器示意圖； (c)異性支架圖； (d)壓電晶片F(xiàn)ig.1 (a) Figure of hybrid micro power generator;(b) Rendering of hybrid micro power generator; (c) Straight stents; (d) Piezoelectric wafer

在懸浮結(jié)構(gòu)上下兩側(cè)各有一組異形支架，支架一側(cè)有圓臺(tái)形凸起，如圖 1(c) 所示，壓電陶瓷片固定于凸起頂部； 支架另一側(cè)為一個(gè)空腔，空腔內(nèi)部放置有一組銅線(xiàn)圈，如圖 1(b) 所示. 其中壓電片采用PZT壓電陶瓷晶片，銅線(xiàn)圈使用70 μm 漆包銅線(xiàn)纏繞4 000砸.

復(fù)合式能量采集器以磁懸浮結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，依靠環(huán)形懸浮磁鐵感應(yīng)外部振動(dòng). 在外部振動(dòng)激勵(lì)作用下，懸浮的環(huán)形磁鐵脫離平衡位置，在磁場(chǎng)力的作用下逐漸回復(fù)到初始狀態(tài). 在這一過(guò)程中，磁鐵會(huì)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電磁感應(yīng)單元和壓電單元會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì). 在磁鐵往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中銅線(xiàn)圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，基于法拉第電磁感應(yīng)原理，銅線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 隨著外部振動(dòng)激勵(lì)的增強(qiáng)，懸浮磁鐵與結(jié)構(gòu)內(nèi)部上下位置的壓電晶片發(fā)生接觸，壓電發(fā)電單元被喚醒，磁鐵撞擊壓電片使其發(fā)生形變，由于壓電片的正壓電效應(yīng)，壓電片上下電極之間會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì). 如圖 2 所示，當(dāng)懸浮磁鐵由于外部激勵(lì)作用向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)上下兩組銅線(xiàn)圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變，產(chǎn)生方向相反的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 當(dāng)磁鐵與底部的壓電片接觸后，壓電片產(chǎn)生形變，上下電極間產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì). 磁鐵到達(dá)底部后開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)銅線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)恰好相反，當(dāng)磁鐵運(yùn)動(dòng)到頂部撞擊壓電片時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 在磁鐵上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電磁發(fā)電機(jī)兩組線(xiàn)圈同時(shí)工作，壓電發(fā)電機(jī)兩個(gè)壓電片交替工作.

圖 2 復(fù)合式能量采集器工作原理示意圖Fig.2 The working principle of the composite energy collector

2 結(jié)果與分析

為研究復(fù)合式能量采集器輸出特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試中使用JZK-10模態(tài)激振器模擬機(jī)械振動(dòng)對(duì)采集器進(jìn)行了測(cè)試. 在外部振動(dòng)激勵(lì)下，復(fù)合能量采集器中的電磁發(fā)電單元和壓電發(fā)電單元有各自不同的輸出特性. 在振動(dòng)測(cè)試參數(shù)設(shè)置為頻率20 Hz，位移2.5 mm的條件下，對(duì)能量采集器的輸出特性進(jìn)行了測(cè)試和分析. (結(jié)構(gòu)底部發(fā)電單元分別記為EMG1，PEG1； 結(jié)構(gòu)頂部發(fā)電單元分別記為EMG2，PEG2)

圖 3 給出了電磁發(fā)電單元輸出曲線(xiàn). 從圖 3 中可以看出：EMG1的短路電流為7 mA，開(kāi)路電壓為8.1 V； EMG2的短路電流為4.5 mA，開(kāi)路電壓為 4.2 V； 從圖 3(e), 圖 3(f)中可以看出：電磁發(fā)電單元最優(yōu)匹配阻抗為1 kΩ，在1 kΩ的外接負(fù)載下，EMG1和EMG2的輸出功率分別達(dá)到了42 mW和35 mW； 觀察圖3(a)～圖 3(d)可以發(fā)現(xiàn)：EMG1和EMG2的輸出性能并不完全一致，這是由于重力對(duì)懸浮磁鐵的影響造成的. 由于重力的作用，在磁鐵向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其所受的力為 F+mg； 當(dāng)磁鐵向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其所受的力是 F-mg. 在法拉第電磁感應(yīng)原理中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和磁通量的變化率φ成正比關(guān)系，即：E∝(dφ/dt)，而且由于重力的影響，環(huán)形磁鐵懸浮位置略低于結(jié)構(gòu)的幾何中心. 由于上述重力的影響，使懸浮磁鐵在不同運(yùn)動(dòng)方向上其加速度和加速距離都有較大的差異，由此造成了兩個(gè)電磁發(fā)電單元的輸出性能差異.

圖 3 電磁單元輸出性能Fig.3 Output performance of electromagnetic unit

圖 4 給出了壓電發(fā)電單元的輸出性能曲線(xiàn)，包括開(kāi)路電壓、短路電流及阻抗曲線(xiàn). 從圖 4 中可以看出：PEG1的短路電流為3 mA，開(kāi)路電壓為60 V； PEG2的短路電流為2 mA，開(kāi)路電壓為40 V. 壓電發(fā)電單元最優(yōu)匹配阻抗為10 kΩ，在10 kΩ的外接負(fù)載下，PEG1和PEG2的輸出功率分別達(dá)到了142 mW和140 mW. 從圖 4 中可以看出: 壓電單元的輸出波形一致性較差，開(kāi)路電壓峰值具有隨機(jī)性. 這主要是因?yàn)閴弘姴牧系淖陨硖匦院蛻腋〗Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)共同造成的，由于環(huán)形磁鐵處于懸浮狀態(tài)，僅受到磁場(chǎng)力和重力作用，是一個(gè)極易被破壞的平衡狀態(tài)，由于在測(cè)試過(guò)程中固定器件產(chǎn)生的偏差等原因，造成了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中磁鐵與壓電單元接觸時(shí)角度和力度具有一定的不確定性，導(dǎo)致了壓電片在每次撞擊時(shí)產(chǎn)生的形變有較大差別. 由于重力的影響，在環(huán)形磁鐵與上下兩片壓電晶片接觸時(shí)產(chǎn)生的壓力不同，從而造成PEG1和PEG2的輸出性能有明顯的差異.

圖 4 壓電單元的輸出特性Fig.4 The output characteristics of piezoelectric units

從電磁發(fā)電單元和壓電發(fā)電單元的阻抗曲線(xiàn)中可以看出：兩種不同的換能方式具有不同的最優(yōu)匹配阻抗. 電磁發(fā)電單元的最大功率點(diǎn)負(fù)載為1 kΩ，這一阻抗值是和銅線(xiàn)圈內(nèi)阻直接相關(guān)的，壓電發(fā)電單元的最大功率點(diǎn)負(fù)載為10 kΩ，這是由壓電材料自身的特性決定的[13]. 兩種發(fā)電方式最大功率點(diǎn)負(fù)載值具有近10倍的差距，所以能量采集器經(jīng)過(guò)復(fù)合后系統(tǒng)總的輸出功率不能是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性疊加，復(fù)合系統(tǒng)輸出功率需要用單位時(shí)間內(nèi)的輸出能量表征. 如圖 5 所示，在一個(gè)周期內(nèi)EMG和PEG輸出的能量分別是：423.56 μJ, 350.61 μJ, 63.19 μJ,48.29 μJ. 根據(jù)公式P=W/t，可以計(jì)算或者復(fù)合能量采集器平均輸出功率為17.71 mW.

圖 5 4組發(fā)電單元在一個(gè)周期的能量輸出圖Fig.5 Energy output of four sets of power generation units in one cycle

從以上分析中可以看出：復(fù)合能量采集輸出的電壓和電流具有很大的波動(dòng)性，而且其信號(hào)都為交流信號(hào). 對(duì)于小型電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要直流且穩(wěn)定的信號(hào)來(lái)供給電能，且太高的電壓會(huì)對(duì)器件造成損壞，因此需要一種器件將復(fù)合能量采集器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為低壓、直流、連續(xù)的信號(hào)輸出. 利用一種儲(chǔ)能裝置接入能量采集器與耗能器件，即可滿(mǎn)足以上要求，這種儲(chǔ)能元件有電容或者鋰電池[14,15]. 在實(shí)驗(yàn)中使用整流橋和電容接入能量采集器和耗能器件之間，能量采集器采集的電能先經(jīng)過(guò)電容存儲(chǔ)后再為耗能器件供電，如圖6(b) 所示. 圖6(c)給出了4組發(fā)電單元在不同的組合方式下對(duì)1 000 μF電容充電時(shí)，電容兩端電壓變化曲線(xiàn)，從中可以看出：復(fù)合后的充電速率要明顯高于單個(gè)發(fā)電單元的充電速率，這表明單位時(shí)間內(nèi)更多的能量被輸出和存儲(chǔ).

在電子工程應(yīng)用中，電容存儲(chǔ)的能量

式中：W表示能量；C表示電容值；U表示電容兩端的電壓[16]. 根據(jù)能量和時(shí)間關(guān)系可以計(jì)算出不同組合對(duì)電容充電的功率，如表 1 所示. 從表 1 中可以看到能量采集器4個(gè)單元的充電功率分別為75.79 μW，70.20 μW，57.24 μW，33.90 μW，能量采集器復(fù)合后對(duì)電容充電的功率為110.39 μW. 根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算能量采集器復(fù)合后衰減系數(shù)為53.45%.

表 1 不同組合形式對(duì)電容的充電功率

圖 7 是一個(gè)自供電溫度傳感系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中將復(fù)合能量采集器固定于激振臺(tái)上，4組能量采集單元經(jīng)過(guò)整流后接入電容器，電容器對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)后對(duì)溫度傳感器進(jìn)行供電[17,18].

在振動(dòng)幾秒后，溫度傳感器開(kāi)始工作，顯示屏上顯示當(dāng)前環(huán)境溫度值為20.5 ℃.

圖 6 復(fù)合充電實(shí)驗(yàn)Fig.6 Composite charge experiment

圖 7 能量采集器驅(qū)動(dòng)溫度傳感器Fig.7 The temperature sensor is driven by the energy collector

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)證明：復(fù)合式能量采集器可以有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并可以為數(shù)顯溫度傳感器提供工作所需電能. 復(fù)合能量采集器以磁懸浮結(jié)構(gòu)作為器件核心單元，采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，在有限的空間內(nèi)集成了4組換能單元. 多組能量采集單元的集成實(shí)現(xiàn)了器件更高效的能量采集. 復(fù)合式能量采集器中電磁單元在1 kΩ的外接負(fù)載下輸出功率分別為42 mW，35 mW； 壓電單元在10 kΩ 的外接負(fù)載下輸出功率分別為142 mW，140 mW. 系統(tǒng)一個(gè)周期內(nèi)總的輸出能量為885.65 μJ，平均輸出功率為17.713 mW. 經(jīng)過(guò)整流給電容充電時(shí)，EMG+PEG的組合充電速率最快，充電功率達(dá)到110.39 mW. 通過(guò)對(duì)電容充電功率的計(jì)算分析后，復(fù)合系統(tǒng)衰減系數(shù)為53.45%. 復(fù)合式能量采集器可以驅(qū)動(dòng)溫度傳感器工作，測(cè)量環(huán)境溫度. 該器件還具有體積小重量輕的特點(diǎn)，體積為Φ48 mm*27 mm，重量?jī)H為80 g. 本文設(shè)計(jì)的復(fù)合能量采集器是一種新型的能量采集結(jié)構(gòu)，在傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用前景.