懸臂梁式MSMA振動換能器的設(shè)計與研究

王路平，楊 靜，高云紅，呂俊伯

(沈陽航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧 沈陽 110136)

1 引言

隨著電子工業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，微傳感器、微執(zhí)行器和可攜帶電子器件等微型系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，該領(lǐng)域已廣泛滲透到軍事、醫(yī)用、社會生產(chǎn)、生活等方面，特別在設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境檢測及野外、高空等惡劣、狹小環(huán)境下的監(jiān)控系統(tǒng)等方面得到了廣泛應(yīng)用[1]，而在發(fā)展的同時也面臨著制約發(fā)展的最大問題，其在于為微電子產(chǎn)品提供電力的微型能源還沒有良好的解決方案[2]。因此，研究人員開始思考將外界振動能量轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)傳感器的自供電[3-7]。

Kangqi Fan等人提出自由端帶有塊式制動器的單穩(wěn)態(tài)壓電陶瓷懸臂梁式振動能量轉(zhuǎn)換供電系統(tǒng)[8]，加速度為0.15g時，最大輸出功率約為0.055mW。 Y W PARK等結(jié)合 Galfenol磁致伸縮材料的高磁致伸縮性、較為理想的機(jī)械性能等特性[9]，材料兩端分別放有永磁體，旋轉(zhuǎn)永磁體陣列與材料一端永磁體靠近，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 300 r/min，輸出電壓最高可達(dá)0.5V。赫爾辛基工業(yè)大學(xué)的Niskanen等人利用MSMA的材料特性，提出了一種基于MSMA的振動能量轉(zhuǎn)換供電系統(tǒng)[10]，該系統(tǒng)適用于小于 100Hz 的低頻環(huán)境，當(dāng)振動頻率為45Hz時輸出功率為20mW。O Heczko等人對MSMA特性進(jìn)行了初步研究[11]，馬里蘭大學(xué)的R.C.O′Handley等發(fā)現(xiàn)在施加外力狀態(tài)下，Ni2MnGa單晶體在外加磁場下能夠產(chǎn)生4.3%的室溫磁感應(yīng)形變和5.7%的剪切應(yīng)變[12]。MSMA材料性能在最高響應(yīng)頻率以及最大磁致形變率方面都明顯優(yōu)于壓電陶瓷、磁致伸縮等材料。通過維拉利效應(yīng)，可以實現(xiàn)對振動機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)振動能量的采集，為振動能量轉(zhuǎn)換供電技術(shù)提供了新的有效途徑。

本文在對MSMA形變機(jī)理和維拉利效應(yīng)研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型懸臂梁式MSMA振動換能器，介紹了該換能器的工作原理，建立振動換能器數(shù)學(xué)模型，提出實驗樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，利用ANSYS Maxwell有限元軟件對換能器進(jìn)行仿真分析，為振動換能器的整體優(yōu)化提供依據(jù)。搭建了系統(tǒng)實驗測試平臺，實驗結(jié)果驗證了該換能系統(tǒng)的可行性，并具有較好的采集效率和輸出性能。

2 工作原理

能量轉(zhuǎn)換部分的核心在于利用了MSMA材料的維拉利效應(yīng)實現(xiàn)形變-磁化強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)MSMA材料在一定的溫度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的情況下，由于形變產(chǎn)生的材料本身磁化強(qiáng)度發(fā)生變化時，使得在磁路上的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變。磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化引起了磁通量的變化。由電磁感應(yīng)定律可知，磁通量的變化產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。MSMA振動換能器工作原理如圖1所示。

圖1 MSMA振動換能器工作原理圖

3 懸臂梁式MSMA振動換能器的設(shè)計

3.1 MSMA振動換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)MSMA的變形機(jī)理和換能器的工作原理，MSMA換能器結(jié)構(gòu)要滿足以下條件：

1)保證具有一定磁感應(yīng)強(qiáng)度的恒定偏置磁場施加到MSMA材料兩側(cè)；

2)需要設(shè)計合理的施加應(yīng)力方式，保證MSMA材料產(chǎn)生較大的形變和變形恢復(fù)；

3)保證穩(wěn)定的電壓輸出。

MSMA振動換能器裝置示意圖如圖2所示。為了防止振動源直接作用于MSMA，外部增加一個懸臂梁式力放大器，將外界的振動激勵經(jīng)過懸臂梁的放大后施加在擊錘上，再用擊錘將力傳遞到MSMA材料上。如圖3所示為懸臂梁式力放大器振動示意圖。懸臂梁式力放大器主要由可調(diào)長度的梁主體、梁前方的質(zhì)量塊、梁底座組成。當(dāng)?shù)鬃駝訒r，由于質(zhì)量塊存在慣性，梁主體受迫產(chǎn)生彈性形變。將懸臂梁式力放大器與能量轉(zhuǎn)換部分結(jié)合，所產(chǎn)生的電能接入換能器電源管理電路，即構(gòu)成了本設(shè)計的樣機(jī)總體。

圖2 MSMA振動換能器裝置示意圖

圖3 懸臂梁式力放大器振動示意圖

3.2 MSMA振動換能器磁路設(shè)計

已知磁導(dǎo)率μ、磁場強(qiáng)度H、磁化強(qiáng)度M與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為

B=μ(H+M)

(1)

磁場強(qiáng)度H與距離Le之間的關(guān)系為

(2)

磁路由永磁體、納米晶導(dǎo)體材料、MSMA材料以及周圍空氣構(gòu)成，為MSMA材料提供偏置磁場。其中的納米晶導(dǎo)磁材料是一種新型的導(dǎo)磁材料。納米晶導(dǎo)磁材料的相對磁導(dǎo)率為80000-400000。采用納米晶導(dǎo)磁材料可以提高作用于MSMA材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高換能器的輸出功率。

利用ANSYS Maxwell軟件對傳統(tǒng)的磁路進(jìn)行仿真如圖4所示，對新型結(jié)構(gòu)磁路仿真如圖5所示，將MSMA材料緊貼在磁鐵上，只在一側(cè)的磁路上纏繞線圈，仿真發(fā)現(xiàn)MSMA材料可以處在將近1T的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度不僅確保了MSMA材料形變量的最大化，也能保證MSMA具有較好的響應(yīng)速度，該結(jié)構(gòu)滿足MSMA材料對磁場的要求。

圖4 傳統(tǒng)的磁路仿真

圖5 新型結(jié)構(gòu)磁路仿真

3.3 MSMA振動換能器數(shù)學(xué)模型

為了研究MSMA阻尼特性數(shù)學(xué)模型，采用單自由度的振動系統(tǒng)來簡化分析模型?！皬椈?質(zhì)量塊-阻尼”系統(tǒng)的物理模型如圖6所示。

圖6 “彈簧-質(zhì)量塊-阻尼”系統(tǒng)物理模型示意圖

在外力、磁場、溫度等外部條件不改變的情況下建立MSMA合金阻尼特性模型

(3)

其中，m為材料本身的質(zhì)量，ω為針對材料施加的外界的交變應(yīng)力的頻率，k為材料的彈性系數(shù)，z為應(yīng)力施加在材料上所產(chǎn)生的位移，c為阻尼系數(shù)。

結(jié)合運(yùn)動學(xué)中瞬時功率公式P=Fv可推導(dǎo)出

(4)

MSMA材料形變?yōu)?/p>

(5)

(6)

根據(jù)自感發(fā)電的基本公式

(7)

根據(jù)電壓計算功率的公式為

(8)

MSMA材料形變與磁化強(qiáng)度M呈線性關(guān)系為M=σCMSMA，由式(12)(13)(14)得

(9)

選取l=0.07m時，σ≈0.71，得出當(dāng)n=4時固有頻率約為125.38Hz，換能器功率P換能器約為144μW。

4 樣機(jī)制作

利用Solidworks三維機(jī)械制圖軟件設(shè)計的懸臂梁式MSMA振動換能器示意圖如圖7所示。MSMA振動換能器的外形尺寸為162*78*35mm，基本結(jié)構(gòu)包括：懸臂梁式力放大器(包括懸臂支架以及梁本身)、銣鐵硼磁鐵、納米晶導(dǎo)磁體、線圈、擊錘、發(fā)電機(jī)外殼以及MSMA材料。

該裝置的磁路由永磁體、納米晶導(dǎo)體材料、MSMA材料以及周圍空氣構(gòu)成，為MSMA材料提供偏置磁場，導(dǎo)磁單元如圖8所示，樣機(jī)整體實物圖如圖9所示。

圖7 懸臂梁式MSMA振動換能器示意圖

圖8 導(dǎo)磁單元

圖9 樣機(jī)整體實物圖

5 實驗測試結(jié)果及分析

為驗證振動換能器采集電能效果，搭建實驗測試平臺，激振器模擬外界振動信號，將信號發(fā)生器輸出信號作用于振動換能器上，觀察其在不同應(yīng)力、頻率作用下的輸出感應(yīng)電壓情況。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動源頻率較低時，如圖10所示，輸出電壓波形不連續(xù)，不利于能量采集。當(dāng)振動頻率較高并接近固有頻率時，輸出電壓波形連續(xù)、效果較好，為了保證樣機(jī)的正常運(yùn)行，需使振動源頻率保持在100Hz以上。因此該樣機(jī)適用于100Hz以上的振動換能。啟動振動臺并施加100Hz的振動信號(n=4時固有頻率約為125.376Hz)，如圖11所示，振動臺振動頻率為100Hz時的實物測試。當(dāng)振動信號頻率為100Hz時接近固有頻率，產(chǎn)生共振，此時換能器獲得較好效果，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算可知振動換能器輸出功率約為125μW。

圖10 振動臺振動頻率為20Hz時實物測試

圖11 振動臺振動頻率為100Hz時實物測試

6 結(jié)論

本文分析了磁控形狀記憶合金振動換能器工作原理，設(shè)計了一種懸臂梁式MSMA振動換能器，提出一種新型磁路結(jié)構(gòu)，利用ANSYS Maxwell軟件對磁場進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明MSMA材料周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度大幅度提高，驗證了系統(tǒng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足MSMA材料的形變要求。優(yōu)化了懸臂梁和施加磁場結(jié)構(gòu)，改善了振動換能器系統(tǒng)的施壓裝置，建立MSMA振動換能器數(shù)學(xué)模型，依據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計制造了MSMA振動換能器樣機(jī)，搭建實驗測試平臺并進(jìn)行了實驗驗證。通過理論分析和仿真驗證了設(shè)計方案的可行性，結(jié)果表明，在施加頻率為100Hz左右情況下，能達(dá)到較好輸出效果，此時換能器輸出功率約為125μW。該裝置是一種新型節(jié)能電力設(shè)備，有很好的發(fā)展前景。