闞君武　張肖逸　王淑云　汪　彬　余　杰　張忠華　何恒錢

浙江師范大學(xué)，金華，321004

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一種錯(cuò)位旋磁激勵(lì)壓電俘能器

闞君武張肖逸王淑云汪彬余杰張忠華何恒錢

浙江師范大學(xué)，金華，321004

為解決現(xiàn)有旋磁激勵(lì)壓電俘能器動(dòng)磁鐵與定磁鐵正對(duì)激勵(lì)時(shí)易發(fā)生碰撞的問(wèn)題，提出一種錯(cuò)位旋磁激勵(lì)的壓電俘能器，并進(jìn)行了磁力耦合仿真分析以及動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)速/徑向激勵(lì)距離/壓電振子端部附加質(zhì)量等對(duì)俘能器發(fā)電性能影響的測(cè)試試驗(yàn)。結(jié)果表明:動(dòng)定磁鐵錯(cuò)位配置可實(shí)現(xiàn)壓電振子的有效激勵(lì)，且存在多個(gè)使輸出電壓出現(xiàn)峰值的最佳轉(zhuǎn)速；徑向激勵(lì)距離對(duì)最佳轉(zhuǎn)速無(wú)影響，但對(duì)峰值電壓影響較大，正/負(fù)向分別存在不同的最佳激勵(lì)距離使峰值電壓最大；附加質(zhì)量及動(dòng)磁鐵數(shù)量對(duì)俘能器性能影響較大，隨著附加質(zhì)量增大，各階最佳轉(zhuǎn)速降低、電壓峰值增大；隨著動(dòng)磁鐵數(shù)量增加，最佳轉(zhuǎn)速的階數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其所對(duì)應(yīng)的電壓值都依次減小。

壓電；俘能器；錯(cuò)位激勵(lì)；旋轉(zhuǎn)磁鐵

0　引言

為實(shí)現(xiàn)微功率電子產(chǎn)品及遠(yuǎn)程傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能量自給、減少電池能量不足/耗盡所帶來(lái)的不便以及廢棄電池所造成的環(huán)境污染，各類俘能器的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的前沿?zé)狳c(diǎn)[1-4]。目前，已成功開(kāi)發(fā)的微小型俘能器主要有壓電式[5-7]、靜電式[8]和電磁式[9]三大類。壓電俘能器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、能量密度大以及易與主體結(jié)構(gòu)集成等優(yōu)勢(shì)發(fā)展尤為迅速，用于振動(dòng)能、流體能及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能收集的新型壓電俘能器不斷涌現(xiàn)。為解決現(xiàn)有接觸激勵(lì)式旋轉(zhuǎn)壓電俘能器沖擊及噪聲大、可靠性低、無(wú)法用于勻高速場(chǎng)合等弊端，闞君武等[10]提出一種旋磁激勵(lì)式壓電俘能器，利用旋轉(zhuǎn)的動(dòng)磁鐵正對(duì)壓電懸臂梁端部的定磁鐵進(jìn)行旋轉(zhuǎn)激勵(lì)。但因懸臂梁壓電振子剛度較低，諧振時(shí)振幅較大,易與旋轉(zhuǎn)體撞擊損毀，故只能通過(guò)增大動(dòng)定磁鐵間的激勵(lì)距離提高可靠性，但這同時(shí)也會(huì)減小激振力和發(fā)電量。

為避免懸臂梁壓電振子與旋轉(zhuǎn)體撞擊，提高有限空間下的發(fā)電量，本文提出一種動(dòng)定磁鐵錯(cuò)位激勵(lì)的壓電俘能器。較之于以往磁鐵間正對(duì)激勵(lì)的方法，錯(cuò)位激勵(lì)俘能器所需的安全距離小，壓電振子的可變形空間大，可同時(shí)提高俘能器的可靠性(避免碰撞損壞)和發(fā)電能力。

1　錯(cuò)位激勵(lì)壓電俘能器結(jié)構(gòu)及工作原理

錯(cuò)位旋磁激勵(lì)式壓電俘能器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其中懸臂梁壓電振子由金屬基板和壓電陶瓷片黏結(jié)而成，一端固定于軸承座上，一端裝有定磁鐵；動(dòng)磁鐵均布安裝在轉(zhuǎn)盤上，動(dòng)磁鐵與定磁鐵錯(cuò)位安裝。工作中，當(dāng)動(dòng)磁鐵隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)靠近定磁鐵時(shí)，其間的相互作用力增大，迫使壓電振子彎曲變形；動(dòng)磁鐵逐漸離開(kāi)時(shí)，激振力減小、壓電振子在自身彈性力作用下恢復(fù)變形或產(chǎn)生持續(xù)的往復(fù)彎曲振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

由錯(cuò)位旋磁激勵(lì)俘能器的原理可知，其發(fā)電特性和能力由壓電振子結(jié)構(gòu)尺度、動(dòng)定磁鐵尺度及配置方式(圖1中的徑向激勵(lì)距離d、軸向激勵(lì)距離l)、轉(zhuǎn)盤上動(dòng)磁鐵數(shù)量以及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等共同決定，各參數(shù)間的合理配置有助于提高俘能器的有效帶寬和發(fā)電能力。

圖1　錯(cuò)位旋磁激勵(lì)式壓電俘能器結(jié)構(gòu)原理圖

2　激振力的耦合特性分析

圖2　激振力的COMSOL仿真模型圖

本文中的激振力是由動(dòng)定磁鐵間的耦合作用形成的，為獲得錯(cuò)位旋磁激勵(lì)時(shí)動(dòng)定磁鐵間不同配置方式下的耦合特性，利用COMSOL軟件進(jìn)行了仿真分析，仿真模型如圖2所示，圖中的箭頭表示磁場(chǎng)，等值線表示磁標(biāo)勢(shì)。仿真所用動(dòng)定磁鐵尺寸均為φ12 mm×4 mm，磁化強(qiáng)度為8.5×1010A/m，磁鐵中心回轉(zhuǎn)半徑r為50 mm，動(dòng)定磁鐵的同性磁極在徑向上相對(duì)安裝。單因素分析時(shí)，軸向激勵(lì)距離l=15 mm，徑向激勵(lì)距離d=7 mm，轉(zhuǎn)盤上均布4個(gè)動(dòng)磁鐵。

眾所周知，兩個(gè)磁鐵間磁場(chǎng)及力的耦合特性取決于其相互位置關(guān)系。本文采用動(dòng)定磁鐵中心相對(duì)坐標(biāo)(l,d)表示磁鐵間的位置關(guān)系，且取動(dòng)磁鐵中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。為便于分析激振力與磁鐵間距的關(guān)系，令(l,d)=(0，7)mm時(shí)的徑向激振力為F0、任意激勵(lì)距離(l,d)時(shí)的徑向激振力為Fi，λ為激振力比，λ=Fi/F0。

圖3所示為幾種不同磁鐵配置方式下激振力比λ與軸向距離l和徑向距離d的關(guān)系曲線。圖3中曲線表明，激振力的大小及形式(吸引、排斥)均隨動(dòng)定磁鐵間的相對(duì)位置變化而變化：①?gòu)较蚣?lì)距離d確定時(shí)(圖3a)，激振力比λ隨軸向激勵(lì)距離l的增大而減小，且當(dāng)軸向激勵(lì)距離l等于磁鐵半徑時(shí)激振力比λ由正變負(fù)(斥力變?yōu)槲?；軸向激勵(lì)距離l增至磁鐵直徑時(shí)吸引力達(dá)最大，此后吸引力隨軸向激勵(lì)距離l增大而減小、且漸趨于零；②軸向激勵(lì)距離l大于磁鐵直徑時(shí)動(dòng)定磁鐵間均為吸引力(圖3b)，且存在最佳的徑向激勵(lì)距離d使吸引力最大，但定磁鐵處于動(dòng)磁鐵上方(正向，d>0，)與下方(負(fù)向，d<0)時(shí)的激振力比特性曲線不同，原因是定磁鐵處于動(dòng)磁鐵上/下方時(shí)與轉(zhuǎn)盤上其他磁鐵的耦合強(qiáng)度不同。激振力比隨徑向激勵(lì)距離d的變化規(guī)律表明，本文所采用的錯(cuò)位激勵(lì)方案有助于控制壓電振子的振幅，提高可靠性。

(a)不同d值下λ-l曲線

(b)不同l值下λ-d曲線圖3　激振力比與動(dòng)定磁鐵間相互位置的關(guān)系

3　試驗(yàn)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證錯(cuò)位旋磁式激勵(lì)壓電俘能器的可行性及相關(guān)要素對(duì)其性能的影響規(guī)律，制作了試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示，主要由交流電機(jī)、變頻器及示波器等構(gòu)成；所用壓電振子的金屬基板尺寸為50 mm×20 mm×0.3 mm，壓電片尺寸為40 mm×20 mm×0.3 mm，磁鐵尺寸及質(zhì)量分別為φ12 mm×4 mm和2.45 g。動(dòng)磁鐵均布于轉(zhuǎn)盤上，動(dòng)定磁鐵的同性磁極在徑向上相對(duì)安裝，動(dòng)定磁鐵軸向激勵(lì)距離為l=15 mm。

圖4　壓電俘能器及其測(cè)試系統(tǒng)

圖5　徑向激勵(lì)距離不同時(shí)的電壓-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖5所示為動(dòng)定磁鐵數(shù)量均為1、軸向激勵(lì)距離d不同時(shí)的電壓-轉(zhuǎn)速特性曲線。圖5中曲線表明，本文所提出的錯(cuò)位激勵(lì)俘能器在轉(zhuǎn)速域內(nèi)存在多個(gè)最佳轉(zhuǎn)速使其輸出電壓出現(xiàn)峰值,且相鄰最佳轉(zhuǎn)速的間隔隨轉(zhuǎn)速增大而增大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于：壓電振子所承受的是一般性周期激勵(lì)(非簡(jiǎn)諧激勵(lì))，當(dāng)激勵(lì)頻率與其固有頻率及其各分頻相等時(shí)都將產(chǎn)生共振。圖5中曲線變化趨勢(shì)還表明，徑向激勵(lì)距離d對(duì)最佳轉(zhuǎn)速無(wú)明顯影響，但對(duì)輸出電壓值影響較大，d=10 mm時(shí)的輸出電壓明顯高于d=-10 mm時(shí)的輸出電壓，這與徑向激勵(lì)距離對(duì)激振力比λ的影響規(guī)律是一致的(參見(jiàn)圖3b)。

圖6所示為各階最佳轉(zhuǎn)速(與壓電振子固有頻率及各分頻相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速)下的峰值電壓與徑向激勵(lì)距離的關(guān)系曲線。圖6中曲線表明，各階最佳轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的峰值電壓隨激勵(lì)距離d正/負(fù)向增大而均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即正/負(fù)向均存在一個(gè)最佳激勵(lì)距離使峰值電壓最大，這與徑向距離對(duì)激振力比的影響規(guī)律也是一致的。

圖6　峰值電壓與徑向激勵(lì)距離間的關(guān)系曲線

根據(jù)錯(cuò)位旋磁激勵(lì)俘能結(jié)構(gòu)原理可知，其發(fā)電能力及特性除與徑向激勵(lì)距離d有關(guān)外，還取決于壓電振子端部附加質(zhì)量及動(dòng)磁鐵數(shù)量等其他要素。圖7所示為壓電振子端部安裝單個(gè)磁鐵(質(zhì)量2.45 g)和安裝1個(gè)磁鐵及1個(gè)質(zhì)量塊 (總質(zhì)量4.90 g)時(shí)的電壓特性曲線。由圖7可知，隨壓電振子端部質(zhì)量的增大，俘能器各階最佳轉(zhuǎn)速減小、相應(yīng)的電壓增大，這與振動(dòng)理論中隨系統(tǒng)質(zhì)量增大，諧振頻率降低、振幅增大的結(jié)論相一致，故可通過(guò)調(diào)節(jié)附加質(zhì)量獲得所需的最佳轉(zhuǎn)速。如采用多個(gè)端部質(zhì)量不同的壓電振子同步工作，可有效提高俘能器帶寬，實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)速域的有效發(fā)電。

圖7　端部質(zhì)量不同時(shí)的電壓-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖8所示為動(dòng)磁鐵數(shù)量不同時(shí)的電壓-轉(zhuǎn)速特性曲線。圖8中曲線表明，隨動(dòng)磁鐵數(shù)量增加，最佳轉(zhuǎn)速的階數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其所對(duì)應(yīng)的電壓值都依次減小，1個(gè)和6個(gè)動(dòng)磁鐵激勵(lì)時(shí)較明顯最佳轉(zhuǎn)速階數(shù)分別為8和2，相應(yīng)的最大電壓值分別約為54 V和35 V，這是由于動(dòng)磁鐵數(shù)量增加時(shí)各動(dòng)磁鐵間耦合關(guān)系增強(qiáng)、壓電振子激勵(lì)頻率增大所造成的。根據(jù)俘能器的結(jié)構(gòu)原理，與壓電振子諧振頻率fn相對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速n*隨動(dòng)磁鐵數(shù)量N的增加而減小(n*=60fn/N)，從而使最佳轉(zhuǎn)速階數(shù)及轉(zhuǎn)速值減?。煌瑫r(shí)，動(dòng)磁鐵數(shù)量增加使各磁鐵間的距離減小、耦合性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致激振力幅值及壓電振子變形量(電壓)減小。因此，從提高錯(cuò)位激勵(lì)俘能器有效帶寬及輸出電壓的角度應(yīng)適當(dāng)減少動(dòng)磁鐵數(shù)量，但這會(huì)降低單位時(shí)間內(nèi)壓電振子的受激次數(shù)和電能。

圖8　動(dòng)磁鐵數(shù)量不同時(shí)的電壓-轉(zhuǎn)速特性曲線

4　結(jié)論

(1)提出的錯(cuò)位旋磁激勵(lì)壓電俘能器即使在諧振狀態(tài)下也不會(huì)發(fā)生碰撞、可靠性高，且存在多個(gè)最佳轉(zhuǎn)速使輸出電壓出現(xiàn)明顯的峰值。

(2)激勵(lì)距離對(duì)最佳轉(zhuǎn)速無(wú)明顯影響，但對(duì)輸出電壓影響較大。輸出電壓隨激勵(lì)距離正/負(fù)向增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即正/負(fù)向均存在一個(gè)最佳激勵(lì)距離使輸出電壓最大。

(3)俘能器最佳轉(zhuǎn)速及發(fā)電能力受附加質(zhì)量及動(dòng)磁鐵數(shù)量影響較大。隨著附加質(zhì)量增大，各階最佳轉(zhuǎn)速降低、峰值電壓增大；隨著動(dòng)磁鐵數(shù)量增加，最佳轉(zhuǎn)速的階數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其峰值電壓依次降低。

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(編輯王艷麗)

APiezoelectricHarvesterExcitedbyMalposedRotaryMagnets

KanJunwuZhangXiaoyiWangShuyunWangBinYuJieZhangZhonghuaHeHengqian

ZhejiangNormalUniversity,Jinhua，Zhejiang,321004

Toavoidthemutualimpactsbetweentheexcitingmagnetandthatontheendofpiezo-cantilever,apiezoelectricharvesterexcitedbymalposedrotarymagnetswaspresented.Simulationandanalysisofthemagneticcouplingcharacteristicsofthemalposedmagnetswerecarriedout.Theinfluencesofrotary-speed/exciting-distance/proof-massonenergygenerationperformanceweretested.Theresultsshowthatthepiezoelectricharvesterexcitedbymalpositionmagnetsisfeasible.Therearemultipleoptimalrotaryspeedsforthegeneratedvoltagetoachievepeak.Radialexcitingdistanceexertsnoinfluenceontheoptimalspeeds,butgreatinfluenceonthepeakvoltage.Therearedifferentpositive/negativeexcitingdistancesforoutputvoltagestoachievepeak.Theproofmassandthenumberofexcitingmagnetshavegreatinfluencesontheperformanceoftheenergyharvester.Withtheincreasingofproofmass,theoptimalrotaryspeedsofeachorderdecrease,andtherelativepeakvoltageincreases.Theordersofoptimalspeeds,thevaluesoftheoptimalspeeds,andtherelativepeakvoltagedecreasewiththeincreasingofthenumberofexcitingmagnets.

piezoelectric;harvester;malposedexcitation;rotarymagnet

2015-11-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277166，61574128，51377147，51577173)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y16F010012)；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(201510345032)

TN384；TM619；TK05

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.014

闞君武，男，1965年生。浙江師范大學(xué)工學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閴弘婒?qū)動(dòng)器、能量回收、精密機(jī)械與微小機(jī)械。發(fā)表論文110余篇。張肖逸，女，1991年生。浙江師范大學(xué)工學(xué)院碩士研究生。王淑云，女，1965年生。浙江師范大學(xué)工學(xué)院教授。汪彬，男，1979年生。浙江師范大學(xué)工學(xué)院副教授。余杰，男，1972年生。浙江師范大學(xué)工學(xué)院碩士研究生。張忠華，男，1980年生。浙江師范大學(xué)工學(xué)院副教授。何恒錢，男，1994年生。浙江師范大學(xué)工學(xué)院本科生。