电磁-压电复合式机械能量收集器

钱 铄，杨子杨，崔丹凤，何 剑，穆继亮，丑修建

(中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051)

随着现代电子技术的发展，电路系统变的越来越小型化、集成化，促进了物联网及可穿戴智能终端蓬勃发展，使得智能终端成为了我们生活中不可获缺的一部分. 现在这些智能终端设备供电方式主要采用聚合物电池，但是聚合物电池有续航时间短、成本高、环境污染大等缺点，严重阻碍了智能终端器件的发展. 因此，寻找一种新的高效能量供给方式是十分必要和迫切的[1-3].

在我们的生活中，机械能广泛分布且形式多样，如：人体运动，机械振动等，采集机械振动能量转换成电能为智能终端供电是一种行之有效的办法. 在机械能采集的研究中，已发表的多种能量采集器采用了压电、电磁、摩擦等多种换能原理，但这些发表的能量采集器在实际应用中都有其不可避免的缺点：① 摩擦发电机输出功率低，转换的机械能不足以支撑电路系统工作[4-8]； ② 采集方式单一，导致大量机械能以热能和机械形变的形式被耗散[9]； ③ 弹簧和悬梁结构机械性能差，在长时间的工作后容易产生机械疲劳甚至器件损坏[10,11]； ④ 结构笨重，器件自重和体积偏大，使用不便[12].

针对以上问题，本文提出一种基于磁悬浮结构的复合式能量采集器，该能量采集器电气性能优异、设计轻便、灵敏度高. 能量采集器采用对称设计，集成了4组能量采集单元，内部支撑件全部采用3D打印加工，整体尺寸为Φ47*27 mm，重量仅有80 g. 结构核心感应部件是一块环形磁铁，在周围3个磁柱的作用下处于悬浮状态.

1 设计及原理

本文中提出的复合式能量收集器如图1(a)所示，以磁悬浮结构作为敏感单元，集成了电磁发电机(简称：EMG)和压电发电机(简称：PEG)两种换能方式. 磁悬浮结构是以环形磁铁作为悬浮磁铁，在其周围均匀排布3个磁柱，在磁场力的相互作用下中间的环形磁铁会悬浮起来.

图 1 (a)复合式能量采集器实物图； (b)复合式能量采集器示意图； (c)异性支架图； (d)压电晶片Fig.1 (a) Figure of hybrid micro power generator;(b) Rendering of hybrid micro power generator; (c) Straight stents; (d) Piezoelectric wafer

在悬浮结构上下两侧各有一组异形支架，支架一侧有圆台形凸起，如图 1(c) 所示，压电陶瓷片固定于凸起顶部； 支架另一侧为一个空腔，空腔内部放置有一组铜线圈，如图 1(b) 所示. 其中压电片采用PZT压电陶瓷晶片，铜线圈使用70 μm 漆包铜线缠绕4 000砸.

复合式能量采集器以磁悬浮结构为基础，依靠环形悬浮磁铁感应外部振动. 在外部振动激励作用下，悬浮的环形磁铁脱离平衡位置，在磁场力的作用下逐渐回复到初始状态. 在这一过程中，磁铁会上下往复运动，电磁感应单元和压电单元会产生感应电势. 在磁铁往复运动过程中铜线圈内磁场强度发生变化，基于法拉第电磁感应原理，铜线圈内产生感应电动势. 随着外部振动激励的增强，悬浮磁铁与结构内部上下位置的压电晶片发生接触，压电发电单元被唤醒，磁铁撞击压电片使其发生形变，由于压电片的正压电效应，压电片上下电极之间会产生感应电势. 如图 2 所示，当悬浮磁铁由于外部激励作用向下运动时，通过上下两组铜线圈的磁感应强度发生改变，产生方向相反的感应电动势； 当磁铁与底部的压电片接触后，压电片产生形变，上下电极间产生感应电势. 磁铁到达底部后开始向上运动，此时铜线圈内产生的感应电动势恰好相反，当磁铁运动到顶部撞击压电片时，产生感应电动势. 在磁铁上下往复运动过程中，电磁发电机两组线圈同时工作，压电发电机两个压电片交替工作.

图 2 复合式能量采集器工作原理示意图Fig.2 The working principle of the composite energy collector

2 结果与分析

为研究复合式能量采集器输出特点，实验测试中使用JZK-10模态激振器模拟机械振动对采集器进行了测试. 在外部振动激励下，复合能量采集器中的电磁发电单元和压电发电单元有各自不同的输出特性. 在振动测试参数设置为频率20 Hz，位移2.5 mm的条件下，对能量采集器的输出特性进行了测试和分析. (结构底部发电单元分别记为EMG1，PEG1； 结构顶部发电单元分别记为EMG2，PEG2)

图 3 给出了电磁发电单元输出曲线. 从图 3 中可以看出：EMG1的短路电流为7 mA，开路电压为8.1 V； EMG2的短路电流为4.5 mA，开路电压为 4.2 V； 从图 3(e), 图 3(f)中可以看出：电磁发电单元最优匹配阻抗为1 kΩ，在1 kΩ的外接负载下，EMG1和EMG2的输出功率分别达到了42 mW和35 mW； 观察图3(a)～图 3(d)可以发现：EMG1和EMG2的输出性能并不完全一致，这是由于重力对悬浮磁铁的影响造成的. 由于重力的作用，在磁铁向下运动时，其所受的力为 F+mg； 当磁铁向上运动时，其所受的力是 F-mg. 在法拉第电磁感应原理中，感应电动势E和磁通量的变化率φ成正比关系，即：E∝(dφ/dt)，而且由于重力的影响，环形磁铁悬浮位置略低于结构的几何中心. 由于上述重力的影响，使悬浮磁铁在不同运动方向上其加速度和加速距离都有较大的差异，由此造成了两个电磁发电单元的输出性能差异.

图 3 电磁单元输出性能Fig.3 Output performance of electromagnetic unit

图 4 给出了压电发电单元的输出性能曲线，包括开路电压、短路电流及阻抗曲线. 从图 4 中可以看出：PEG1的短路电流为3 mA，开路电压为60 V； PEG2的短路电流为2 mA，开路电压为40 V. 压电发电单元最优匹配阻抗为10 kΩ，在10 kΩ的外接负载下，PEG1和PEG2的输出功率分别达到了142 mW和140 mW. 从图 4 中可以看出: 压电单元的输出波形一致性较差，开路电压峰值具有随机性. 这主要是因为压电材料的自身特性和悬浮结构特点共同造成的，由于环形磁铁处于悬浮状态，仅受到磁场力和重力作用，是一个极易被破坏的平衡状态，由于在测试过程中固定器件产生的偏差等原因，造成了运动过程中磁铁与压电单元接触时角度和力度具有一定的不确定性，导致了压电片在每次撞击时产生的形变有较大差别. 由于重力的影响，在环形磁铁与上下两片压电晶片接触时产生的压力不同，从而造成PEG1和PEG2的输出性能有明显的差异.

图 4 压电单元的输出特性Fig.4 The output characteristics of piezoelectric units

从电磁发电单元和压电发电单元的阻抗曲线中可以看出：两种不同的换能方式具有不同的最优匹配阻抗. 电磁发电单元的最大功率点负载为1 kΩ，这一阻抗值是和铜线圈内阻直接相关的，压电发电单元的最大功率点负载为10 kΩ，这是由压电材料自身的特性决定的[13]. 两种发电方式最大功率点负载值具有近10倍的差距，所以能量采集器经过复合后系统总的输出功率不能是简单的线性叠加，复合系统输出功率需要用单位时间内的输出能量表征. 如图 5 所示，在一个周期内EMG和PEG输出的能量分别是：423.56 μJ, 350.61 μJ, 63.19 μJ,48.29 μJ. 根据公式P=W/t，可以计算或者复合能量采集器平均输出功率为17.71 mW.

图 5 4组发电单元在一个周期的能量输出图Fig.5 Energy output of four sets of power generation units in one cycle

从以上分析中可以看出：复合能量采集输出的电压和电流具有很大的波动性，而且其信号都为交流信号. 对于小型电子设备来说，需要直流且稳定的信号来供给电能，且太高的电压会对器件造成损坏，因此需要一种器件将复合能量采集器的信号转换为低压、直流、连续的信号输出. 利用一种储能装置接入能量采集器与耗能器件，即可满足以上要求，这种储能元件有电容或者锂电池[14,15]. 在实验中使用整流桥和电容接入能量采集器和耗能器件之间，能量采集器采集的电能先经过电容存储后再为耗能器件供电，如图6(b) 所示. 图6(c)给出了4组发电单元在不同的组合方式下对1 000 μF电容充电时，电容两端电压变化曲线，从中可以看出：复合后的充电速率要明显高于单个发电单元的充电速率，这表明单位时间内更多的能量被输出和存储.

在电子工程应用中，电容存储的能量

式中：W表示能量；C表示电容值；U表示电容两端的电压[16]. 根据能量和时间关系可以计算出不同组合对电容充电的功率，如表 1 所示. 从表 1 中可以看到能量采集器4个单元的充电功率分别为75.79 μW，70.20 μW，57.24 μW，33.90 μW，能量采集器复合后对电容充电的功率为110.39 μW. 根据以上数据可以计算能量采集器复合后衰减系数为53.45%.

表 1 不同组合形式对电容的充电功率

图 7 是一个自供电温度传感系统，实验中将复合能量采集器固定于激振台上，4组能量采集单元经过整流后接入电容器，电容器对能量进行存储后对温度传感器进行供电[17,18].

在振动几秒后，温度传感器开始工作，显示屏上显示当前环境温度值为20.5 ℃.

图 6 复合充电实验Fig.6 Composite charge experiment

图 7 能量采集器驱动温度传感器Fig.7 The temperature sensor is driven by the energy collector

3 结 论

实验证明：复合式能量采集器可以有效地将机械能转化为电能，并可以为数显温度传感器提供工作所需电能. 复合能量采集器以磁悬浮结构作为器件核心单元，采用对称设计，在有限的空间内集成了4组换能单元. 多组能量采集单元的集成实现了器件更高效的能量采集. 复合式能量采集器中电磁单元在1 kΩ的外接负载下输出功率分别为42 mW，35 mW； 压电单元在10 kΩ 的外接负载下输出功率分别为142 mW，140 mW. 系统一个周期内总的输出能量为885.65 μJ，平均输出功率为17.713 mW. 经过整流给电容充电时，EMG+PEG的组合充电速率最快，充电功率达到110.39 mW. 通过对电容充电功率的计算分析后，复合系统衰减系数为53.45%. 复合式能量采集器可以驱动温度传感器工作，测量环境温度. 该器件还具有体积小重量轻的特点，体积为Φ48 mm*27 mm，重量仅为80 g. 本文设计的复合能量采集器是一种新型的能量采集结构，在传感监测系统中具有一定的应用前景.