磁懸浮式雙自由度軌道車輛軸箱振動(dòng)能量采集器研究

李哲輝　袁天辰　楊儉　宋瑞剛

摘要： 提出了一種適合采集軌道車輛軸箱振動(dòng)能量的磁懸浮式雙自由度振動(dòng)能量采集器?；趩巫杂啥却艖腋≌駝?dòng)能量采集器的基本原理，設(shè)計(jì)磁懸浮式雙自由度振動(dòng)能量采集器的基本構(gòu)型。利用磁偶極子模型，推導(dǎo)了圓柱磁鐵的磁力方程，建立了磁懸浮式雙自由度能量采集系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程?？紤]到系統(tǒng)具有的強(qiáng)非線性特點(diǎn)，利用龍格?庫塔方法，得到了系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)曲線。根據(jù)軌道車輛軸箱實(shí)測時(shí)間歷程和頻率分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了磁懸浮式雙自由度振動(dòng)能量采集器的核心參數(shù)。對比分析單自由度振動(dòng)能量采集器和雙自由度振動(dòng)能量采集器的頻率響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明：非線性雙自由度振動(dòng)能量采集器可以有效拓寬俘能裝置的工作帶寬，進(jìn)而提高能量采集功率。在簡諧振動(dòng)激勵(lì)下，雙自由度振動(dòng)能量采集器比單自由度振動(dòng)能量采集器的輸出功率增加了約1.1倍，且工作帶寬可以拓寬約2.7倍;在實(shí)測的軌道車輛軸箱振動(dòng)激勵(lì)下，雙自由度振動(dòng)能量采集器在一站間可采集到31.5 mJ能量，峰值感應(yīng)電流為14.6 mA，峰值輸出功率為9.4 mW。

關(guān)鍵詞：?能量采集器;?磁懸浮式;?雙自由度;?軸箱;?龍格?庫塔法

中圖分類號(hào)： TN752;U270.11;TM919 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ???文章編號(hào)： 1004-4523（2022）02-0397-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.015

引??言

軌道車輛軸箱上有諸多傳感器件（如速度傳感器、溫度傳感器等），隨著微型傳感器技術(shù)的日趨成熟，傳感器產(chǎn)品正在不斷地趨向于模塊化和微型化。傳統(tǒng)電池具有尺寸大、需定時(shí)更換或充電、對使用環(huán)境要求高且污染環(huán)境等缺點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足長壽命無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等對電源的要求。所以新型電源的探索迫在眉睫，研究一種可持續(xù)、高效率和高可靠性的環(huán)境能量采集方法是實(shí)現(xiàn)傳感器自供能的核心關(guān)鍵問題。

近年來，利用振動(dòng)俘能技術(shù)從周圍環(huán)境（如風(fēng)能、熱能和振動(dòng)等）獲取能量成為新能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文提出使用軌道車輛軸箱自身環(huán)境激勵(lì)的振動(dòng)能量作為新型能源來為傳感器供電，減小傳感器對外電源的依賴。進(jìn)而，軌道車輛軸箱振動(dòng)能量既能為傳感器提供可靠的電源，又能為車輛整車輔助供電系統(tǒng)減輕負(fù)擔(dān)。

軌道車輛振動(dòng)能量采集器目前主要有壓電式和電磁式兩種。壓電式振動(dòng)能量采集器的工作原理是通過各類壓電材料的壓電效應(yīng)將外界機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，壓電式振動(dòng)能量采集器的整體性能和使用壽命受制于壓電材料的電能轉(zhuǎn)化效率和疲勞性能;電磁式振動(dòng)能量采集器的工作原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律將外界機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，電磁式振動(dòng)能量采集器具有結(jié)構(gòu)簡單、不需要額外驅(qū)動(dòng)電源與功能材料、輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，而且其能在低頻振動(dòng)環(huán)境中有較好的輸出性能表現(xiàn)。電磁式振動(dòng)能量采集器通常采用彈簧?質(zhì)量塊系統(tǒng)作為拾振器件實(shí)現(xiàn)振動(dòng)耦合，利用永磁體和線圈的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)磁電耦合。

國內(nèi)外許多研究人員都提出了不同類型的電磁式振動(dòng)能量采集器。Sardini等提出一個(gè)由兩塊永磁體及一個(gè)平面線圈組成的能量采集器，兩塊永磁體分居平面線圈兩側(cè)，通過使用磁環(huán)加磁片代替永磁體的形式有效加強(qiáng)了線圈附近的磁場強(qiáng)度，使得線圈內(nèi)磁通量變化更大。TANG等設(shè)計(jì)了一種磁電懸臂梁能量采集器，在1激勵(lì)下，其諧振頻率為20 Hz，峰值輸出功率達(dá)到24.56 μW，平均輸出功率為3.6 μW。Anjum等加工制造了一種由一個(gè)運(yùn)動(dòng)磁鐵、四組感應(yīng)線圈、兩個(gè)橡膠彈簧和空氣氣隙組成的能量采集器，該裝置在頻率為20 Hz、激勵(lì)為3作用下，峰值輸出功率可達(dá)到1.89 mW，且工作帶寬可達(dá)到70 Hz。

早期的振動(dòng)能量采集系統(tǒng)的研究主要基于線性振動(dòng)理論。線性能量采集系統(tǒng)只在諧振頻率點(diǎn)附近具有良好的能量采集效果，很難適用于環(huán)境振動(dòng)的寬頻特性。為了拓寬可應(yīng)用的工作頻帶，能量采集裝置設(shè)計(jì)中越來越多地開始關(guān)注非線性因素。許多學(xué)者致力于利用非線性來拓寬響應(yīng)頻帶和提升輸出功率。王祖堯通過在懸浮磁體上添加線性彈簧振子，增加了系統(tǒng)自由度數(shù)，擴(kuò)大了磁力懸浮非線性能量采集器的有效工作帶寬。聶新民研究了一種把永磁體間磁力等效為彈簧彈力的懸浮式振動(dòng)能量采集器，該系統(tǒng)主要由四塊永磁體和感應(yīng)線圈組成，利用磁體之間的排斥力使中間磁體懸浮，當(dāng)采集器受到外界的環(huán)境激勵(lì)時(shí)，中間磁體上下振動(dòng)，感應(yīng)線圈切割磁感線產(chǎn)生電壓。

基于上述研究，本文提出磁懸浮式雙自由度軌道車輛軸箱振動(dòng)能量采集器，建立該采集器的數(shù)學(xué)模型，利用龍格?庫塔算法對其動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，得到該振動(dòng)能量采集器在簡諧振動(dòng)激勵(lì)及實(shí)測軌道車輛軸箱振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)特性，并將其與磁懸浮式單自由度振動(dòng)能量采集器進(jìn)行對比，從理論方面研究雙自由度特性和非線性對俘能器輸出性能的影響規(guī)律。該理論研究對軌道車輛軸箱振動(dòng)能量采集及對今后無線軸溫技術(shù)提供可靠電源等方面具有重要的實(shí)際意義。