幾種壓電電磁復(fù)合俘能器的發(fā)電性能實驗研究

趙慶玲,于蓬勃,劉詩雨,楊崇秋,楊小輝,宋汝君,2

(1.山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院,255000,山東淄博;2.山東省精密制造與特種加工重點實驗室,255000,山東淄博)

近年來,隨著科技的進步和社會的發(fā)展,無線傳感技術(shù)、便攜式電子設(shè)備和微電機系統(tǒng)等技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1],進而對微電子產(chǎn)品的供能也有了更高的技術(shù)要求[2]。但是,目前的供能技術(shù)主要是使用傳統(tǒng)的電池,傳統(tǒng)電池的供能存在容量小、使用壽命短、容易污染環(huán)境等缺點[3-4],不能滿足現(xiàn)在微電子產(chǎn)品的發(fā)展要求,制約其發(fā)展進程。為有效解決傳統(tǒng)供能方式存在的問題,高效環(huán)保的供能方式研究引起了諸多學(xué)者的關(guān)注[5-7]。在近階段的發(fā)展中,很多學(xué)者關(guān)注到一種從自然環(huán)境中獲取能量供微電子產(chǎn)品使用的技術(shù),這是一種具有良好發(fā)展前景的技術(shù),并成為國內(nèi)外研究學(xué)者的研究熱點。環(huán)境中存在很多能源,如太陽能、潮汐能、風(fēng)能、振動能和溫差能等,這些能量可以通過特定的方式被人們獲取利用,是新型的環(huán)保能源[8-11]。其中,振動能是普遍存在且較易俘獲的能源類型之一,對其進行的獲取利用研究也是最為廣泛的。振動能是一種性能穩(wěn)定的能源,它的能量密度較高,不受地理位置和環(huán)境的影響[12-15],因此越來越多研究學(xué)者將研究重心放在振動能俘獲并轉(zhuǎn)化成電能上。振動能轉(zhuǎn)化為電能的方式主要有壓電式、電磁式和靜電式,其中壓電式和電磁式是學(xué)者關(guān)注較多的轉(zhuǎn)換方式[16]。壓電式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,可以輸出較高的電壓,并且容易集成化,但它輸出的電流值較低。電磁式系統(tǒng)可以輸出較大的電流[17-20],但是輸出的電壓值較低。學(xué)者們起初僅研究單一的俘能方式,其中,單自由度的線性系統(tǒng)工作帶頻很窄,當(dāng)激振頻率和系統(tǒng)的固有頻率匹配時,俘能器的俘能效率最高,發(fā)電性能最好[21-22];當(dāng)激振頻率變化無法與系統(tǒng)的固有頻率匹配時,俘能器的俘能效率會降低,發(fā)電性能隨之衰減[23]。單自由度線性系統(tǒng)的俘能器無法高效俘獲外界寬帶頻的振動能,不能滿足實際的需求。為使俘能器具有更寬的俘能帶寬和更高的發(fā)電效率,學(xué)者們通過引入電學(xué)調(diào)諧和機械調(diào)諧的研究來調(diào)整俘能系統(tǒng)的剛度或質(zhì)量[24-25],從而達到了拓寬工作頻帶和提高俘能效率的目的,同時使俘能系統(tǒng)的輸出性能獲得了極大地提升。

國內(nèi)外的學(xué)者對基于磁力非線性振動的能量俘獲技術(shù)進行了大量的研究。Challa等[26]提出了一種磁力調(diào)諧壓電俘能器系統(tǒng),在壓電懸臂梁末端放置磁鐵引入磁力作用,磁鐵的吸引力和排斥力能夠改變系統(tǒng)的諧振頻率,拓寬系統(tǒng)的工作頻帶。Aboulfotoh等[27]提出了一種自動調(diào)頻的壓電電磁復(fù)合能量采集裝置,調(diào)整兩塊磁鐵之間的間距能夠改變壓電懸臂梁的機械應(yīng)變力,進而使得懸臂梁與環(huán)境振動共振,大幅度提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。高世橋等[28]設(shè)計了一種新型的復(fù)合式俘能裝置,它由多個俘能模塊組成,采用多種懸臂梁尺寸,可以兼顧多個環(huán)境振動頻率,拓寬帶寬頻率,提高發(fā)電效率。武麗森等[29]提出了一種非線性壓電電磁復(fù)合式俘能器的結(jié)構(gòu),并將其等效成質(zhì)量彈簧阻尼振動的系統(tǒng),用兩組磁鐵構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)體系,充分利用非線性技術(shù)拓寬俘能帶寬,改善工作頻率范圍,增加輸出功率。張振振等[30]通過研究復(fù)合俘能器的耦合負載特性得出,復(fù)合俘能器具有更好的俘能效率且具有一定的寬頻俘能特性,能更好地適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展要求。目前磁力耦合壓電式俘能器是國內(nèi)外的研究熱點問題,但當(dāng)前的研究中仍然存在著一些不足和問題。例如,當(dāng)裝置存在多個共振頻率時,俘能器不能很好地兼顧多個離散振動頻率,俘能效率有待提高;非線性磁力耦合裝置能夠拓寬俘能的頻帶,但一般需要很大的激振加速度,不適合較低激勵強度環(huán)境。鑒于此,本文在較低激振加速度下探究了3種磁力耦合壓電電磁俘能器的發(fā)電性能和寬頻特性,分別通過實驗探究3種裝置的輸出功率,并對磁力雙梁壓電電磁俘能裝置的輸出功率和發(fā)電性能展開研究。

1 實驗?zāi)Ｐ脱b置

1.1 物理模型結(jié)構(gòu)

本文提出的3種壓電電磁復(fù)合俘能器的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)各個組成部件的尺寸參數(shù)如表1所示,涉及線圈、壓電片、懸臂梁、剛性梁和磁鐵等組成部分。懸臂梁的材料選用鋁,長、寬、厚分別用Ls、Ws和hs表示;壓電片的材料選用鋯鈦酸鉛,它的長、寬、厚分別用Lp、Wp和hp表示;Lr、Wr和hr分別表示剛性梁的長、寬、厚,剛性梁的材料選用亞克力板。3種結(jié)構(gòu)俘能器的示意圖如圖1所示。俘能器中將磁鐵固定在懸臂梁的自由端,兩塊磁鐵在同一豎直方向上,再將壓電片貼在懸臂梁上表面構(gòu)成單晶壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。圖1(a)裝置僅設(shè)有上方的壓電單梁,線圈的固定位置使得磁鐵全部進入線圈內(nèi)部,形成無磁力單梁的俘能裝置;圖1(b)裝置上方設(shè)有壓電單梁,在線圈下方放置有磁鐵的剛性梁,上下兩塊磁鐵極性相對,都進入到線圈內(nèi)部,形成磁力剛性梁的俘能裝置;圖1(c)裝置將圖1(b)裝置中的剛性梁替換成與壓電懸臂梁相同尺寸的彈性梁,保持磁鐵位置不變,形成磁力雙梁的俘能裝置。

表1 俘能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實驗平臺搭建

根據(jù)裝置物理模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作出俘能器的實驗樣機,并搭建相應(yīng)的實驗平臺,如圖2和圖3所示。圖3所示是圖1中3種俘能裝置的實驗樣機。實驗系統(tǒng)由實驗樣機、數(shù)據(jù)采集卡、可變電阻、激振器、振動控制臺、功率放大器、加速度傳感器和計算機組成。數(shù)據(jù)采集卡(NI?)連接在計算機上,可以連續(xù)實時地采集俘能裝置輸出的電壓等實驗數(shù)據(jù)?？勺冸娮璺謩e連接在線圈和壓電片輸出端,可以通過調(diào)節(jié)電阻值的大小來獲取最優(yōu)的功率輸出。將實驗樣機放置在激振器上,加速度傳感器也通過永磁體固定在激振器上。將振動控制臺和功率放大器連接在一起,再將振動控制臺連接在計算機上,設(shè)置不同的實驗參數(shù)可改變激振器不同的振動狀態(tài)。

圖3所示的實驗樣機中磁鐵和懸臂梁之間用亞克力管連接,用丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠將壓電片粘貼在懸臂梁上表面的根部,用亞克力夾板將懸臂梁固定好,用固定夾將線圈固定好,使磁鐵全部進入線圈內(nèi)部。實驗時,不考慮其他外在因素的影響,對3種裝置進行實驗,探究裝置輸出功率的大小,并通過外接電阻值、激振頻率和加速度數(shù)值來重點探究磁力雙梁壓電電磁復(fù)合俘能裝置的輸出性能。

2 結(jié)果分析

對俘能裝置無磁力單梁的輸出功率進行實驗探究,實驗平臺如圖3(a)所示,在激振加速度為0.2g(g為重力加速度),壓電梁連接110 kΩ的外接電阻、線圈連接140 Ω的外接電阻時,對電磁和壓電部分的輸出功率分別進行采樣分析,其結(jié)果如圖4(a)、(b)所示。由圖4(a)、(b)可知,無磁力單梁線圈和壓電梁的輸出功率和輸出電壓都是隨激振頻率的增大先升后降的,兩者的共振頻率都是12.1 Hz,在12.1 Hz時輸出功率最大;當(dāng)激振頻率和系統(tǒng)的固有頻率接近時,系統(tǒng)的輸出功率和輸出電壓達到最大值。

對磁力剛性梁裝置的輸出功率和輸出電壓分別進行實驗探究,實驗裝置如圖3(b)所示。在激振加速度為0.2g,壓電梁外接110 kΩ的電阻、線圈外接140 Ω的電阻時,對裝置的輸出功率和輸出電壓分別進行采樣分析,實驗結(jié)果如圖4(c)、(d)所示。由圖4(c)、(d)可知,磁力剛性梁線圈和壓電梁的輸出電壓值和功率值隨著激振頻率的增大亦是先升后降的,兩者在激振頻率為13.4 Hz時輸出功率最大。與圖4(a)、(b)相較可知,磁力剛性梁的線圈輸出功率值明顯大于無磁力單梁線圈的輸出功率值,磁力剛性梁的壓電梁輸出功率值略小于無磁力單梁的壓電梁輸出功率值。磁力的引入增大了電磁部分的輸出功率,抑制了壓電部分的輸出功率值,但圖3(a)裝置(簡稱裝置a)的總輸出功率值與圖3(b)裝置(簡稱裝置b)的總輸出功率值相差不大。

利用圖3(c)所示裝置(簡稱裝置c)搭建實驗平臺,對磁力雙梁的壓電電磁俘能裝置輸出特性進行實驗探究。在裝置激振加速度設(shè)為0.2g,壓電梁外接電阻為110 kΩ、線圈外接電阻為140 Ω時,對線圈和壓電梁的輸出功率和輸出電壓進行實驗探究,實驗結(jié)果如圖4(c)、(f)所示。由圖4(c)、(f)可知,線圈和壓電梁均存在兩個共振頻率,共振頻率分別在10.3 Hz和13.8 Hz處,線圈和壓電梁都在共振頻率10.3 Hz下有最大的輸出功率和電壓,相較之下,共振頻率為13.8 Hz時的輸出功率和電壓明顯小于10.3 Hz下的值。

對圖1所示的3種模型分別進行實驗探究,對比圖4(a)、(d)與圖4(b)、(e)可知,裝置b線圈的最大功率為321.7 μW,大于裝置a的最大功率94.27 μW,裝置b壓電梁的最大輸出功率為1.505 mW,裝置a壓電梁的最大輸出功率為1.907 mW,裝置b總輸出功率為1.827 mW,與裝置a的總輸出功率2 mW相差不大;由圖4(c)、(f)可知,裝置c的總輸出功率在10.3 Hz時為1.77 mW,在13.8 Hz時為0.783 mW,與裝置a和b對比,3個裝置的最大輸出功率基本相當(dāng),但裝置c電磁發(fā)電部分性能明顯提升,且裝置易實現(xiàn)低頻雙峰值發(fā)電,有效拓寬工作頻帶。

由圖4可知,磁力剛性梁的加入使磁性剛性梁壓電電磁俘能系統(tǒng)的共振頻率相對無磁力單梁系統(tǒng)向右發(fā)生偏移,因為壓電梁受到磁斥力的作用,導(dǎo)致壓電梁的等效剛度增大,從而使磁力剛性梁系統(tǒng)的共振頻率向右偏移;懸臂梁的加入使磁力雙梁壓電電磁俘能系統(tǒng)存在兩個共振頻率,第一個共振頻率點(10.3 Hz)為引入懸臂梁的共振頻率,第二個共振頻率點(13.8 Hz)為壓電懸臂梁產(chǎn)生的共振頻率;因此,磁力引入,使壓電梁共振頻率向右偏移。同時磁力雙梁還拓寬了系統(tǒng)的俘能頻帶,增大了裝置的輸出電壓值,能夠使俘能裝置具有更好的俘能效率和發(fā)電性能?；诖?下文重點對圖1(c)所示的磁力雙梁裝置進行實驗,探究電阻和激振加速度對裝置c輸出特性的影響。

用圖3(c)所示裝置對激振頻率改變時磁力雙梁壓電電磁俘能裝置的輸出電壓進行實驗探究。將裝置的激振加速度設(shè)為0.2g,令壓電梁外接110 kΩ的電阻,線圈外接140 Ω的電阻,實驗結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5是電磁部分在激振頻率為9～16 Hz下的輸出電壓變化圖。線圈在10 Hz時的輸出電壓最大,在第二個共振頻率14 Hz時輸出電壓高于13、15和16 Hz的輸出電壓,但14 Hz下的輸出電壓低于10 Hz下的輸出電壓。

圖6是磁力雙梁壓電電磁俘能裝置壓電部分在激振頻率為9～16 Hz下的輸出電壓變化圖。壓電梁在激振頻率為10 Hz時的輸出電壓最大,激振頻率為14 Hz時的輸出電壓小于10 Hz時的輸出電壓,但大于其他頻率下的輸出電壓,12 Hz時的輸出電壓最小?？梢?磁鐵懸臂梁的加入給裝置增加了磁力作用,對壓電梁的影響較大,懸臂梁出現(xiàn)共振現(xiàn)象時,壓電梁也會出現(xiàn)明顯的磁激勵振動現(xiàn)象,能夠使裝置的壓電梁獲取較高的輸出電壓,同時還拓寬了裝置的工作頻帶,使輸出性能更好。

圖7所示的是磁力雙梁壓電電磁俘能裝置在不同的激振頻率下其輸出功率隨電阻的變化曲線。激振加速度設(shè)為0.2g,在線圈和壓電片分別連接上可變電阻,給實驗裝置施加一個恒定的激振頻率,線圈和壓電梁的輸出功率都是隨著外接電阻值的增大先升后降,最后趨于較平穩(wěn)的趨勢;在激勵頻率為10 Hz時線圈的最優(yōu)電阻為140 Ω,壓電梁在激振頻率為10 Hz時的最優(yōu)電阻為110 kΩ。壓電電磁俘能系統(tǒng)在激振頻率接近共振頻率時的輸出功率大,線圈在激振頻率為10 Hz時的輸出功率大于8、9和11 Hz時的輸出功率,最大輸出功率為277.3 μW。壓電梁在激振頻率為10 Hz時的輸出功率亦遠大于8、9和11 Hz時的輸出功率,最大輸出功率為316.1 μW。

圖8所示的是在不同的激振加速度下磁力雙梁壓電電磁俘能裝置的輸出功率隨激振頻率的變化曲線。實驗裝置的線圈處接140 Ω的外接電阻,壓電梁處接110 kΩ的外接電阻,探究在不同激振加速度下俘能裝置的輸出功率,實驗結(jié)果如圖8所示。由圖8(a)知,電磁部分具有兩個共振頻率,輸出功率隨著激振頻率的增加在共振頻率處先升后降。加速度為0.1g時,線圈的最大輸出功率在10.2 Hz為0.66 mW;當(dāng)激振加速度為0.4g時,線圈的最大輸出功率在10.3 Hz為1.05 mW,線圈實現(xiàn)了較大功率的輸出,頻率為13.8 Hz時線圈的輸出功率在0.4g處最大。在激振加速度為0.4g時,線圈的輸出功率大于其他激振加速度下的,對比0.1g、0.2g和0.3g的變化曲線可知,隨著激振加速度的增加,線圈的工作頻帶得到了明顯的拓寬,輸出的功率更大。由圖8(b)可知,壓電部分具有兩個共振頻率,輸出功率在這兩個共振頻率下都是隨著頻率的增大先升后降;在激振加速度為0.4g時,壓電梁的輸出功率在10.3 Hz和13.8 Hz有最大值,分別為1.51 mW和1.68 mW。壓電梁在激振加速度為0.4g時的輸出功率大于其他加速度下的輸出值,隨著加速度的增大,同一頻率下裝置的輸出功率也逐漸增大。由圖8可見,磁力的加入使壓電梁在13.8 Hz時到達共振頻率,從而使壓電梁的振幅增大,輸出功率增大;在圖8(a)的13.8 Hz處,當(dāng)壓電梁振動幅值增大時,電磁輸出功率也隨之增大,電磁發(fā)電變化曲線出現(xiàn)凸起的峰值。由變化曲線可知,激振加速度的增加會使裝置在同一頻率下的輸出功率增大,但激振加速度過大可能造成壓電片的斷裂,因此激振加速度的取值在0.1g～0.4g之間合適。對比0.1g和0.4g時的輸出曲線明顯可知,激振加速度的增大明顯的拓寬了整個裝置的俘能頻帶,提高了裝置的輸出功率,使裝置具有更好的發(fā)電性能。

3 結(jié) 論

本文提出了3種壓電電磁俘能裝置,主要通過實驗分別探究3種俘能裝置輸出性能。實驗對比研究表明,3個裝置綜合最大輸出性能基本相當(dāng);無磁力單梁裝置壓電發(fā)電性能最優(yōu),磁力雙梁裝置電磁發(fā)電性能最優(yōu);磁力的引入增大了裝置的電磁輸出功率,雙懸臂梁的加入,增加了俘能裝置的自由度,拓寬了系統(tǒng)的俘能頻帶,綜合提高了裝置的發(fā)電性能。裝置存在最優(yōu)外接電阻值使線圈和壓電梁的輸出功率最大;激振加速度的變化對裝置影響顯著,激振加速度增大使俘能器的輸出功率增大,并且激振加速度越大,俘能器的工作頻帶越寬,裝置的輸出功率也越大。本文的研究對壓電-電磁俘能裝置提高能量轉(zhuǎn)換效率有重要的參考價值。