趙興強， 戴志新， 丁 宇， 嚴 飛， 錢海林

(1. 南京信息工程大學 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044;2. 南京信息工程大學 自動化學院 江蘇省氣象能源利用與控制工程技術(shù)研究中心，南京 210044)

隨著無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的廣泛應用，使得傳統(tǒng)的家電、照明和能源等方面的檢測與控制都發(fā)生了革命性的變化，給人們的生活帶來了很大的便利。無線遙控開關(guān)面板作為智能家居系統(tǒng)的一個重要組成[1-3]，除了可以通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)對家電、照明等方面的控制，同時還可以通過WiFi等技術(shù)連接互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程控制。相對于傳統(tǒng)的開關(guān)面板，無線遙控開關(guān)面板有顯著的優(yōu)勢，它無需在開關(guān)端布線，極大地簡化了電纜布線，降低裝修成本。按照用戶需求，無線開關(guān)面板可靈活地放置于應用場所的各個位置，實現(xiàn)一對一、多對一、一對多各種組合的目標控制，操作十分方便，改善了生活體驗。

目前的無線開關(guān)面板基本上為電池供電，在頻繁的開關(guān)操作時電池很快就會耗盡，需定期更換，增加了成本，同時廢電池會造成環(huán)境的污染。近年來出現(xiàn)的能量收集技術(shù)開始在無線開關(guān)面板上應用，可將光能、按鍵沖擊動作轉(zhuǎn)化為電能，給開關(guān)面板發(fā)射端供電，實現(xiàn)控制信號的發(fā)射?？椎鲁萚4]提出了一種基于弱光充電的無線開關(guān)面板控制器，用弱光型太陽能電池收集室內(nèi)光能，并對電容充電，實現(xiàn)了對燈具的無線控制。Cho等[5]設(shè)計了一種使用懸臂式壓電能量收集器(發(fā)電機)的無線遠程開關(guān)，通過升頻技術(shù)實現(xiàn)了高頻振蕩，在受到5～8 N按壓力的情況下，產(chǎn)生140 μJ的能量，利用ZigBee無線通信技術(shù)發(fā)送了三個數(shù)據(jù)包。太陽能電池和壓電式動能收集器結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)小體積的開關(guān)面板，但是成本高，沒有市場競爭力。實際的應用中，大多采用電磁式?jīng)_擊能量收集器，其輸出性能優(yōu)良，成本低。德國EnOcean[6]，武漢領(lǐng)普[7]、北京微能[8]等公司都先后開發(fā)了電磁式能量收集器，應用于無線門鈴的控制。該收集器通過彈簧蓄力，將相對緩慢的按鍵動作轉(zhuǎn)化一個脈沖動作，使得線圈中磁力線反向突變，輸出一個電脈沖，產(chǎn)生的電能高達到3 mJ，保證了后續(xù)電路在短時間內(nèi)發(fā)送若干數(shù)據(jù)包。盡管在這種無線開關(guān)的沖擊能量收集技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，但是關(guān)于電磁式?jīng)_擊能量收集器的工作原理和性能分析方面的尚未見系統(tǒng)性的研究性文獻。本文提出了E型和U型兩種鐵芯的電磁式?jīng)_擊能量收集器，在按壓前后，磁力線都能形成閉環(huán)，磁通變化量大，發(fā)電性能優(yōu)異。論文介紹了收集器的工作原理，開展了收集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計于仿真，加工了樣機，結(jié)合實驗研究，詳細分析電磁式?jīng)_擊能量收集器的性能，并實現(xiàn)了無線控制開關(guān)的自供能應用。

1 工作原理

電磁式?jīng)_擊能量收集器都有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)，這個兩個狀態(tài)中磁極和對應的鐵芯吸合。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換時，按壓力必須大于這個吸合力，之后收集器加速進入另一個穩(wěn)態(tài)，線圈內(nèi)鐵芯的磁力線突然反相，線圈會產(chǎn)生一個脈沖電信號。本文提出的E型和U型兩種鐵芯的收集器，采用了多個磁鐵，增強了線圈的磁通，輸出性能高。下面分別對兩種收集器的工作過程進行分析，其中閉合曲線表示磁力線，箭頭表示磁通密度矢量方向。

1.1 E型鐵芯收集器

如圖1所示，E型電磁式?jīng)_擊能量收集器包括鐵芯、線圈和磁鐵組件。線圈繞在鐵芯中臂上，磁鐵組件為兩塊磁鐵固定在背鐵上的結(jié)構(gòu)，其中兩塊磁鐵的異性磁極分別與鐵芯臂末端對應。線圈和鐵芯為定子，磁鐵組件為發(fā)電機的動子，磁鐵組件隨著按鍵上下運動。該收集器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1中的狀態(tài)1和狀態(tài)2所示。首先在狀態(tài)1時，磁鐵組件與鐵芯的上、中臂對應，磁力線在鐵芯上、中臂，磁鐵和背鐵形成一個閉環(huán)，磁感應強度和磁通量為最大值。磁鐵組件按下去之后，到達狀態(tài)2，磁鐵組件與鐵芯的下、中臂對應，同樣磁力線也形成閉環(huán)，但中臂中的磁力線反相。忽略漏磁，假設(shè)中臂中磁感應強度B均勻恒定，則線圈中的磁通變化量2NBS，其中N為線圈匝數(shù)，S是中臂的截面積。當釋放按鍵后，通過恢復彈簧可以實現(xiàn)一個相反的運動過程，從狀態(tài)2返回狀態(tài)1，產(chǎn)生一個反相的脈沖。

圖1 E型鐵芯收集器結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定狀態(tài)

1.2 U型鐵芯收集器

U型結(jié)構(gòu)與E型相似，但只有兩個鐵芯和三塊磁鐵。如圖2所示，線圈繞在鐵芯上臂位置上。

圖2 U型鐵芯收集器結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定狀態(tài)

在狀態(tài)1時，鐵芯臂分別與下面兩個磁鐵對應，磁力線方向為U型鐵芯、中下磁鐵和背鐵中形成閉環(huán)，磁感應強度和磁通量為最大值。按下去后，到達狀態(tài)2，鐵芯與上面兩個磁鐵對應，在鐵芯中磁力線反相。這個轉(zhuǎn)換過程，線圈中的磁通變化量近似2NBS，因組成閉合磁力線回路只用到兩塊磁鐵，剩下一塊產(chǎn)生的磁場會對吸引部分閉合回路的磁力線，所以實際磁通變化量小于2NBS。同樣從狀態(tài)2到狀態(tài)1會產(chǎn)生一個相反的脈沖。

2 仿真設(shè)計

采用ANSYS Maxwell軟件對電磁式?jīng)_擊能量收集器的性能進行了瞬態(tài)仿真研究，建立模型如圖3(a)所示。首先對E型鐵芯進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，將其結(jié)果應用于U型鐵芯，要優(yōu)化的參數(shù)為鐵芯臂的尺寸(長度l和厚度h)和磁鐵的尺寸(高度Hm)。為了保證小體積的特性，限定E型鐵芯高度H=10 mm，鐵芯臂長度l范圍5～20 mm，厚度h范圍1.0～2.0 mm，模型整體縱向尺寸為10 mm，材料為steel_1008。線圈繞于鐵芯中臂，線徑0.1 mm，線圈匝數(shù)N=lhc/0.1，hc表示線圈厚度，內(nèi)阻為線圈對應的電阻，同時功率的計算也是取負載等于內(nèi)阻時計算得到。磁鐵為NdFe35材料，厚度設(shè)定為2 mm，高度2～4 mm，磁鐵與鐵芯間氣隙1 mm。磁鐵運動速度設(shè)定為4 m/s，這樣從一個穩(wěn)態(tài)運動到另一穩(wěn)態(tài)用時約10 ms，符合實際按壓的過程。

圖3其他圖為l=15 mm，h=1.5，Hm=3 mm時的結(jié)果。圖3(b)為兩個過程轉(zhuǎn)換時線圈產(chǎn)生的電壓波形，最大15.8 V，有效值為11.8 V。圖3(c)、圖3(d)分別為兩個穩(wěn)定狀態(tài)時的磁力線分布，可以看到中臂上磁力線方向相反，且磁力線基本上都是穿入鐵芯，線圈外的漏磁少。

圖3 E型鐵芯收集器的仿真模型和結(jié)果

首先分析鐵芯長度l和厚度h對輸出電壓和功率的影響，結(jié)果見圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)輸出電壓和功率隨著鐵芯臂長度增加基本上線性增加。輸出電壓隨著鐵芯臂厚度增加而減少，輸出功率則是臂厚度為1.5 mm時最大。主要是因為鐵芯臂厚h增加，線圈匝數(shù)就會減少，輸出電壓就會減小，但其內(nèi)阻也對應減小，鐵芯中的磁通變化量增加，最終造成輸出功率隨著壁厚先增加后減小。相對于臂長，鐵芯臂厚在設(shè)計范圍內(nèi)對輸出功率的影響較小。整體來看輸出電壓有效值都在3 V以上，最大16.88 V，輸出功率最大580 mW，10 ms產(chǎn)生的電能5.8 mJ?？紤]達到小體積、低成本，鐵芯尺寸優(yōu)化結(jié)果為l=15 mm，h=2.0 mm。

圖4 不同尺寸收集器的輸出電壓和輸出功率

進一步優(yōu)化磁鐵高度，Hm為2 mm，3 mm，4 mm時，輸出電壓有效值逐漸增加，分別為7.1 V，9.5 V，10.8 V。得到優(yōu)化的尺寸Hm=4 mm，對應的輸出功率為550 mW，產(chǎn)生的電能5.5 mJ。

基于E型鐵芯的優(yōu)化結(jié)果，對U型鐵芯的沖擊收集器進行了仿真，如圖5所示，三個磁鐵極化方向交替反相，兩個穩(wěn)定狀態(tài)下在U型鐵芯的兩個臂中的磁力線都反相。輸出電壓有效值為9.6 V，輸出功率304 mW，低于E型鐵芯45%。E型鐵芯只有兩個極化反相的磁鐵，磁力線通過背鐵和E型鐵芯，形成一個完整的閉環(huán)回路。而U型鐵芯穩(wěn)定狀態(tài)時有兩個磁鐵與鐵芯相對，磁力線形成閉環(huán)，第三個磁鐵的將會從已經(jīng)形成的閉環(huán)中吸取部分磁力線，使得通過鐵芯的磁力線減少，最終導致輸出性能降低。

圖5 U型鐵芯收集器的兩個穩(wěn)態(tài)時的磁力線分布

3 實驗分析

3.1 樣機加工

仿真結(jié)果表明E型鐵芯的收集器性能優(yōu)于U型鐵芯，因此僅加工了E型鐵芯的收集器樣機。按照優(yōu)化的尺寸加個了電磁式?jīng)_擊能量收集器，如圖6所示。其中鐵芯和背鐵為高磁導率的純鐵DT4，磁鐵為N35號釹鐵硼磁鐵，線圈為0.1 mm的漆包線，手工繞制了1 000匝，鐵芯外殼和磁鐵組件的擺臂為3D打印，在擺臂按壓端安裝了懸臂梁彈簧。

圖6 電磁式?jīng)_擊能量收集器樣機

3.2 測 試

首先觀察了樣機的輸出電壓波形，在按壓時，樣機可以輸出寬度3～4 ms的約12 V的脈沖，如圖7所示。為了進一步分析按壓一次產(chǎn)生的電能，對樣機輸出電壓整流之后給儲能電容充電，電容存儲的電能即為按壓一次轉(zhuǎn)化的電能。將10～470 μF的電解電容接入整流電路之后，結(jié)果見圖8所示?？梢钥闯鲭S著電容增加，儲能電壓近似呈指數(shù)減小，而存儲電能則是在47 μF的電容上得到的最多，為0.66 mJ。理論上，對于一個50 mW的無線發(fā)射信號模塊，不考慮其他損耗時，可以發(fā)射13 ms的信號。

圖7 電磁式?jīng)_擊能量收集器的輸出脈沖波形

圖8 不同電容的存儲的電能

圖9(a)為開關(guān)面板的無線發(fā)射和接收模塊，由超低功耗的STM8L單片機控制，其中發(fā)射模塊為12 dbm(約16 mW)的國產(chǎn)凌承芯H34B無線模塊，接收模塊為H3V4F，通信頻率為433 MHz，以O(shè)OK模式工作發(fā)送1.1 kHz的方波信號。在接收端接收到該信號后，實現(xiàn)了LED燈亮/滅的控制。按壓一下收集器樣機，約發(fā)送16～20 ms的方波，如圖9(b)所示，最大通信距離為70 m，在普通的家庭環(huán)境中，可以穿透2～3層墻體，完全滿足居家環(huán)境的應用需求。

圖9 自供能的無線開關(guān)電路與測試

上述的這種特定頻率的方波信號控制，僅能實現(xiàn)1對1、1對多、多對1的控制，當需要不同的配對組合時，固定頻率的方波信號會使得不同配對之間發(fā)生串擾。通過方波信號的占空比、頻率等參數(shù)的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)不同的收發(fā)模塊組合配對，避免控制信號的串擾。為了進一步的區(qū)分，可以發(fā)送至少16 bit的二進制編碼，實現(xiàn)65 536個的不同收發(fā)模塊組合。同時在收發(fā)模塊增加了配對學習功能，便于新的發(fā)射或接收節(jié)點的加入和編碼信號的變更，提高實用的靈活性。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)地研究了電磁式?jīng)_擊能量收集器的設(shè)計過程，提出了E型和U型鐵芯兩種收集器結(jié)構(gòu)，分析了其工作原理。采用ANSYS Maxwell軟件對電磁式?jīng)_擊能量收集器的性能進行了瞬態(tài)仿真研究，分析了不同穩(wěn)態(tài)之間鐵芯中磁力線的變化情況、輸出電壓、輸出功率等性能，發(fā)現(xiàn)E型鐵芯結(jié)構(gòu)的收集器性能優(yōu)于U型鐵芯，最終得到了優(yōu)化的鐵芯尺寸。加工組裝了E型鐵芯結(jié)構(gòu)收集器樣機，完成了測試。結(jié)果表明按壓一次輸出電壓可以達到12 V，在儲能電容為47 μF時，能量轉(zhuǎn)化最大，存儲的電能為0.66 mJ。按壓一次收集器，信號發(fā)射端發(fā)射了18 ms的方波，接收端接收到之后實現(xiàn)了LED的開關(guān)控制。