用于RWMS的旋磁式压电悬臂梁发电机*

阚君武， 李胜杰， 王淑云， 李 洋， 严梦加, 曾 平

(浙江师范大学精密机械研究所 金华，321004)

用于RWMS的旋磁式压电悬臂梁发电机*

阚君武， 李胜杰， 王淑云， 李 洋， 严梦加, 曾 平

(浙江师范大学精密机械研究所 金华，321004)

为了满足列车轮对监测系统(railway wheelset monitoring system,简称RWMS)自供电需求，提出一种通过旋转磁铁非接触轴向激励悬臂梁压电振子构成的压电发电机(即旋磁式压电悬臂梁发电机)，介绍了其结构原理，研究了磁力(磁铁数量与配置方式)及其转速对发电机性能的影响。结果表明，在0～1 360 r/min转速范围内存在多阶最佳转速,使发电机输出电压出现峰值。当压电悬臂梁端磁铁数固定，增加旋转磁铁数量时，各阶最佳转速值不变，但其所对应的电压增加。当转速为1 042.5 r/min时，转盘同一位置安装2,4,8,12个磁铁所对应的最大电压分别为13.2,16.6,23.8,27.8 V。当旋转磁铁数量固定、压电悬臂梁端部磁铁数量增加时，各阶最佳转速值降低，而其所对应的峰值电压增加。当转盘上安装2个磁铁，悬臂梁端安装1，3，5，7个磁铁时，第9阶最佳转速及电压分别为1 056.4，861.8，750.6，611.6 r/min和13.2，34.4，48，64 V。此外，其他参数确定时，1次激励所生成的电能(电压及其波形数量)还与转速有关，低转速(264.1 r/min)时仅生成1个电压波形，而高转速(1 024.5 r/min)时生成4个电压波形。

压电； 发电； 旋转激励； 磁力耦合

引 言

近年来我国高速铁路技术发展迅速，中国已进入了真正意义的高速时代[1-2]。然而，日益提高的运行速度也给列车的平稳性、舒适性以及轮对与轴承等零部件的安全性、可靠性带来一定的影响。列车运行时车轮与钢轨的冲击与振动会引发轮轴及轴承磨损、发热或疲劳破坏，从而影响车辆正常运行，甚至造成重大安全事故[3-4]。为此，人们开发出了各种用于列车轮对及其轴承的健康监测/报警系统，以改变以往由人工定期巡查检修并加以维护的现状[5-6]。现有货车车厢无供电系统且客车车厢需经常编组，不便通过导线供电，而化学电池供电持续时间短，须经常更换，当电池电量不足而未及时更换时将无法实现有效的监测，成为安全隐患。显然，上述两种供电方案均难以实现监测系统的车载化及实时监测，因此，目前依然采用将传感监测系统置于路基上进行非实时的间接监测方法[5-6]。为实现列车运行中实时、直接的在线监测，最理想的方法是将传感监测系统安装在旋转轴上或靠近轴承安装，故需研制一种微型的自供电装置。

为满足不同领域传感及健康监测系统的自供电需求，国内外学者已成功开发了多种类型的压电式、电磁式及静电式微小型发电机，每类发电机都有其自身的优势及应用领域。压电发电机具有结构简单、无电磁干扰、能量密度大、易于与结构集成等优点，故其研究与应用备受国内外学者的广泛关注。现有的压电发电机主要包括振动式[7-9]及旋转式[10-12]两大类，后者有望在列车轮对监测系统得以应用。根据激励方式，现有旋转式压电发电机可分为以下几种：a.惯性激励式[10]，利用压电振子转动过程中受力方向的变化使其弯曲变形，该方法结构简单，但仅适于低速(高速、尤其是匀高速转动时，因离心力过大而无法产生交替的双向变形),且转动状态骤变将使压电振子因受力变形过大而损毁；b.拨动式[11]，利用旋转机构拨动压电振子，需二者作相对转动，高速时冲击噪音较大；c.撞击式[12]，利用旋转坠落的钢球撞击压电振子，该方法也仅适用于转速较低的场合,且存在较大冲击噪音和可能的撞击损毁。显然，上述沿旋转体旋转方向激励(周向激励)压电振子发电的方法已成为制约其实际应用的技术瓶颈，无法满足列车轮对等转速高、使用空间受限的应用场合。

针对现有旋转式压电发电机所存在的问题以及列车轮对监测系统的自供电需求，笔者提出一种基于旋转磁铁与压电悬臂梁端固定磁铁耦合激励的旋磁式压电发电机，并进行了试验研究，获得了磁铁数量、配置方式及旋转磁铁转速等对发电机动态特性与发电能力的影响规律。

1 压电发电机的结构及工作原理

旋磁式压电发电机结构原理如图1所示，其中由金属基板和压电晶片粘接而成的压电悬臂梁一端固定在轴承盖上，另一端安装有“定磁铁”，随轮轴转动的转盘上安装有一个或一组 “旋转磁铁”，且置于压电悬臂梁和转盘上磁铁的同性磁极靠近安装。转盘上“旋转磁铁”与压电悬臂梁上“定磁铁”靠近时同性磁极间产生排斥力并使压电悬臂梁轴向弯曲，旋转磁铁远离后压电悬臂梁在其自身弹性力的作用下恢复变形(或产生持续的自由振动)，进而将机械能转化成电能。

图1 旋磁式压电发电机的结构原理简图Fig.1 Schematic diagram of the gyromagnetic piezoelectric energy generator

笔者所提出的旋磁式压电发电机是通过旋转磁场实现非接触激励的，工作过程中不会产生冲击与噪音，激振力大小易于通过旋转磁铁或压电悬臂梁端磁铁的磁场强度加以调整。以往研究表明，当两个磁铁间排斥力一定时，压电悬臂梁所产生的开路电压及电能[13]分别为

(1)

(2)

(3)

其中：μ0为真空磁导率；X=l±x(t) 为考虑到压电悬臂梁变形时旋转磁铁与定磁铁间的实际距离；l为定磁铁与动磁铁磁极间的初始轴向距离(磁铁相互离开、无作用力时)；x(t)为压电悬臂梁弯曲变形时其上磁极的偏移量(其大小取决于压电悬臂梁结构参数、两磁铁间磁力及激励频率)；m为永磁铁的磁矩，m的下标1和2分别表示置于压电悬臂梁和转盘上的磁铁。

对于圆形永磁铁，有

(4)

其中：r，h分别为圆磁铁的半径及厚度(当采用多个磁铁时，为各磁铁厚度之和)；μr为相对磁导率；B为剩磁。

式(3)、式(4)表明，通过确定合理的磁铁尺寸及磁铁间距即可获得所需的激振力，但因柔性压电悬臂梁弯曲变形时会改变磁铁间的实际距离(X=l±x(t))，磁铁间作用力与磁铁距离之间的相互耦合关系很难通过解析的方法获得，故笔者将主要通过试验的方法进行旋磁式压电发电机的相关研究。

2 试验测试与分析

为验证旋磁式压电发电原理的可行性，获得相关要素对其发电性能的影响规律，设计制作了试验样机，并搭建了试验测试系统，如图2所示。主要试验仪器包括交流电机(最高转速为1 390 r/min)、变频器(调节范围为0～50 Hz，调频步长为0.1 Hz)及示波器等。试验所用的压电悬臂梁结构尺寸为60 mm×30 mm×0.6 mm，永磁铁尺寸及质量分别为∅12 mm×2 mm和2.37 g。试验中转盘上仅一个位置放置磁铁，且置于压电悬臂梁及转盘上的两磁铁的同性磁极靠近安装以产生排斥力。因压电悬臂梁受磁力作用后会产生往复弯曲变形，为避免其工作时与转盘发生接触碰撞，首先通过试验方法确定了一个合理的磁极间初始距离(17 mm)。

图2 压电发电机及其测试系统Fig.2 Piezoelectric energy generator and test system

图3为压电悬臂梁自由端放置1个磁铁、转盘上同一位置放置2,4,8,12个磁铁时的转速-电压特性曲线。图中曲线表明，在试验转速范围内出现9个使输出电压出现峰值的最佳转速(频率为f=nn0/60)。此外，转盘上同一位置的磁铁数(激振力)对最佳转速无明显影响，但各最佳转速所对应的峰值电压随旋转磁铁数量增加而增加，呈近似的线性关系，如图4所示。因此，增加磁力(旋转磁铁数量)有助于提高旋磁式发电机的发电能力。在转速为1 042.5r/min时，转盘上安装2，4，8，12个磁铁所对应的最大电压分别为13.2，16.6，23.8，27.8 V。

以往研究表明，由单个压电悬臂梁构成的纵振式压电发电机仅存在1个最佳频率使其输出电压最大[9,15]，而本研究的旋磁式发电机在转速为0～1 250r/min(频率为0～20.85Hz)范围内存在9个最佳转速(频率)，且相邻两最佳转速(频率)的间隔随转速增加而增加。产生这一现象可能是因其激励方式不同而造成的,纵振式发电为简谐激励，故通常仅有1个明显的共振频率点,而本研究的旋磁式发电机为周期性脉冲激励，当激振频率为其基频的整数倍或整数分之一倍时都会发生不同程度的共振。

图3 转盘上磁铁数量不同时输出电压与转速的关系曲线Fig.3 Generated voltage vs rotating speed under the different number of rotating magnets

图4 最佳频率时输出电压与旋转磁铁数量的关系Fig.4 Generated voltage vs the number of rotating magnets

图5 梁端磁铁数不同时输出电压与转速的关系曲线Fig.5 Generated voltage vs rotating speed under the different number of fixed magnets

根据图5中压电悬臂梁端部磁铁数量对最佳转速的影响规律不难推测，当采用一组端部磁铁数量不同的压电悬臂梁构造多振子发电机时，可实现整个转速的有效发电供电。以往的研究表明[15]，当多振子压电发电机中各压电振子输出电压经整流桥串联时，其总体输出电压约为各压电振子独立发电输出电压之和。当将图5中各电压整流后串联输出时，在0～1 360 r/min范围内的输出电压均大于传感监测系统所需的供电电压(3.5～5 V)。此外，目前国内高速列车时速为350 km/h，所对应的最高轮轴转速约为1 015 r/min(低于本试验转速1 360 r/min)，故笔者所提出的压电发电机在供电电压及转速适应能力方面均可满足列车轮对监测系统实时供电的需求。

上述试验中所获得电压-转速特性仅反映出压电悬臂梁受单次激励时的电压值，而无法表征单位时间内所产生的电能。因本研究中压电悬臂梁所受外部载荷为脉冲激励，故不同转速时其动态响应及发电特性不同。图6给出的是压电悬臂梁端1个磁铁、转盘上8个磁铁时，转速为264.1，528.2，1 024.5 r/min时所对应的输出电压波形图。图中的压电波形清楚地表明，当转盘转速较低(264.1 r/min)时，1次脉冲激励仅能生成1个电压波形，而转速较高(528.2，1 024.5 r/min)时还可激励出多个次生电压波形，且次生电压波形的幅值随转速的增加而增加。当转盘转速达到1 024.5 r/min时，次生电压波形达3个，其中最小峰值电压约为10 V，如图6(c)所示。因此，在转速较低时可通过增加转盘周向磁铁数量提高单位时间内的发电量。此时，单位时间(每秒)内生成的电能为

(5)

其中:n0为转盘圆周方向均布的磁铁数量;i为压电悬臂梁1次受激励所产生的电压波形数量(i=1，2，…，N)；Vg,i为第i个电压波形的电压值。

图6 不同转速下的电压波形Fig.6 Voltage waveform of the piezoelectric generator at different rotating speeds

3 结束语

为实现列车轮对监测系统(RWMS)自供电的需求，提出一种通过旋转磁铁与压电悬臂梁端磁铁耦合激励的旋磁式压电发电机，并进行了试验研究，获得了磁铁数量与配置方式，以及旋转磁铁转速对发电机输出性能的影响规律，证明了旋磁式压电发电机为高转速列车轮对监测系统供电的可行性。试验结果表明，在0～1 360 r/min转速范围内存在多个最佳转速使发电机输出电压出现峰值。当压电悬臂梁端固定1个磁铁，逐步增加旋转磁铁数量时，各阶最佳转速值不变，但其所对应的电压随旋转磁铁数量增加而增加。转速为1 042.5 r/min时，2，4，8，12个旋转磁铁所对应的最大电压分别为13.2，16.6，23.8，27.8 V。相反，旋转磁铁数量固定而增加压电悬臂梁端部磁铁数量时，各阶最佳转速值降低，而其所对应的峰值电压增加。转盘上安装2个磁铁、压电悬臂梁端安装1，3，5，7个磁铁时，第9阶最佳转速以及电压分别为1 056.4，861.8，750.6，611.6 r/min和13.2，34.4，48，64 V，故采用该方法可有效提高发电机的转速适应性。此外，其他参数确定时，1次激励所生成的电能(电压大小及电压波形数量)还与转速有关，低转速时仅生成1个电压波形，而高速时可生成多个电压波形。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.03.013

*国家自然科学基金资助项目(51277166，51377147,51075371)； 国家级大学生创新创业训练计划资助项目(201410345010)

2013-04-08；

2013-05-13

TN384; TM619; TK05； TH133

阚君武，男，1965年9月生，教授、博士生导师。主要研究方向为压电驱动器、能量回收与自供电技术、精密机械与微小机械等。曾发表《Modeling and simulation of a piezodisc generator under central load》(《International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics》2013,Vol.41)等论文。 E-mail: kanjw@zjnu.cn