一種錯位旋磁激勵壓電俘能器

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，金華，321004

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一種錯位旋磁激勵壓電俘能器

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，金華，321004

為解決現有旋磁激勵壓電俘能器動磁鐵與定磁鐵正對激勵時易發生碰撞的問題，提出一種錯位旋磁激勵的壓電俘能器，并進行了磁力耦合仿真分析以及動磁鐵轉速/徑向激勵距離/壓電振子端部附加質量等對俘能器發電性能影響的測試試驗。結果表明:動定磁鐵錯位配置可實現壓電振子的有效激勵，且存在多個使輸出電壓出現峰值的最佳轉速；徑向激勵距離對最佳轉速無影響，但對峰值電壓影響較大，正/負向分別存在不同的最佳激勵距離使峰值電壓最大；附加質量及動磁鐵數量對俘能器性能影響較大，隨著附加質量增大，各階最佳轉速降低、電壓峰值增大；隨著動磁鐵數量增加，最佳轉速的階數、轉速值及其所對應的電壓值都依次減小。

壓電；俘能器；錯位激勵；旋轉磁鐵

0　引言

為實現微功率電子產品及遠程傳感監測系統的能量自給、減少電池能量不足/耗盡所帶來的不便以及廢棄電池所造成的環境污染，各類俘能器的研究已成為國內外研究的前沿熱點[1-4]。目前，已成功開發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。壓電俘能器以其結構簡單、無電磁干擾、能量密度大以及易與主體結構集成等優勢發展尤為迅速，用于振動能、流體能及旋轉運動能收集的新型壓電俘能器不斷涌現。為解決現有接觸激勵式旋轉壓電俘能器沖擊及噪聲大、可靠性低、無法用于勻高速場合等弊端，闞君武等[10]提出一種旋磁激勵式壓電俘能器，利用旋轉的動磁鐵正對壓電懸臂梁端部的定磁鐵進行旋轉激勵。但因懸臂梁壓電振子剛度較低，諧振時振幅較大,易與旋轉體撞擊損毀，故只能通過增大動定磁鐵間的激勵距離提高可靠性，但這同時也會減小激振力和發電量。

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

1　錯位激勵壓電俘能器結構及工作原理

錯位旋磁激勵式壓電俘能器結構原理如圖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而成，一端固定于軸承座上，一端裝有定磁鐵；動磁鐵均布安裝在轉盤上，動磁鐵與定磁鐵錯位安裝。工作中，當動磁鐵隨轉盤轉動靠近定磁鐵時，其間的相互作用力增大，迫使壓電振子彎曲變形；動磁鐵逐漸離開時，激振力減小、壓電振子在自身彈性力作用下恢復變形或產生持續的往復彎曲振動，從而將機械能轉換成電能。

由錯位旋磁激勵俘能器的原理可知，其發電特性和能力由壓電振子結構尺度、動定磁鐵尺度及配置方式(圖1中的徑向激勵距離d、軸向激勵距離l)、轉盤上動磁鐵數量以及轉盤轉速等共同決定，各參數間的合理配置有助于提高俘能器的有效帶寬和發電能力。

圖1　錯位旋磁激勵式壓電俘能器結構原理圖

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定磁鐵間的耦合作用形成的，為獲得錯位旋磁激勵時動定磁鐵間不同配置方式下的耦合特性，利用COMSOL軟件進行了仿真分析，仿真模型如圖2所示，圖中的箭頭表示磁場，等值線表示磁標勢。仿真所用動定磁鐵尺寸均為φ12 mm×4 mm，磁化強度為8.5×1010A/m，磁鐵中心回轉半徑r為50 mm，動定磁鐵的同性磁極在徑向上相對安裝。單因素分析時，軸向激勵距離l=15 mm，徑向激勵距離d=7 mm，轉盤上均布4個動磁鐵。

眾所周知，兩個磁鐵間磁場及力的耦合特性取決于其相互位置關系。本文采用動定磁鐵中心相對坐標(l,d)表示磁鐵間的位置關系，且取動磁鐵中心為坐標原點。為便于分析激振力與磁鐵間距的關系，令(l,d)=(0，7)mm時的徑向激振力為F0、任意激勵距離(l,d)時的徑向激振力為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)均隨動定磁鐵間的相對位置變化而變化：①徑向激勵距離d確定時(圖3a)，激振力比λ隨軸向激勵距離l的增大而減小，且當軸向激勵距離l等于磁鐵半徑時激振力比λ由正變負(斥力變為吸力)；軸向激勵距離l增至磁鐵直徑時吸引力達最大，此后吸引力隨軸向激勵距離l增大而減小、且漸趨于零；②軸向激勵距離l大于磁鐵直徑時動定磁鐵間均為吸引力(圖3b)，且存在最佳的徑向激勵距離d使吸引力最大，但定磁鐵處于動磁鐵上方(正向，d>0，)與下方(負向，d<0)時的激振力比特性曲線不同，原因是定磁鐵處于動磁鐵上/下方時與轉盤上其他磁鐵的耦合強度不同。激振力比隨徑向激勵距離d的變化規律表明，本文所采用的錯位激勵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　激振力比與動定磁鐵間相互位置的關系

3　試驗測試與分析

為驗證錯位旋磁式激勵壓電俘能器的可行性及相關要素對其性能的影響規律，制作了試驗樣機并進行了試驗測試。測試系統如圖4所示，主要由交流電機、變頻器及示波器等構成；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，磁鐵尺寸及質量分別為φ12 mm×4 mm和2.45 g。動磁鐵均布于轉盤上，動定磁鐵的同性磁極在徑向上相對安裝，動定磁鐵軸向激勵距離為l=15 mm。

圖4　壓電俘能器及其測試系統

圖5　徑向激勵距離不同時的電壓-轉速特性曲線

圖5所示為動定磁鐵數量均為1、軸向激勵距離d不同時的電壓-轉速特性曲線。圖5中曲線表明，本文所提出的錯位激勵俘能器在轉速域內存在多個最佳轉速使其輸出電壓出現峰值,且相鄰最佳轉速的間隔隨轉速增大而增大。產生上述現象的原因在于：壓電振子所承受的是一般性周期激勵(非簡諧激勵)，當激勵頻率與其固有頻率及其各分頻相等時都將產生共振。圖5中曲線變化趨勢還表明，徑向激勵距離d對最佳轉速無明顯影響，但對輸出電壓值影響較大，d=10 mm時的輸出電壓明顯高于d=-10 mm時的輸出電壓，這與徑向激勵距離對激振力比λ的影響規律是一致的(參見圖3b)。

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

圖6　峰值電壓與徑向激勵距離間的關系曲線

根據錯位旋磁激勵俘能結構原理可知，其發電能力及特性除與徑向激勵距離d有關外，還取決于壓電振子端部附加質量及動磁鐵數量等其他要素。圖7所示為壓電振子端部安裝單個磁鐵(質量2.45 g)和安裝1個磁鐵及1個質量塊 (總質量4.90 g)時的電壓特性曲線。由圖7可知，隨壓電振子端部質量的增大，俘能器各階最佳轉速減小、相應的電壓增大，這與振動理論中隨系統質量增大，諧振頻率降低、振幅增大的結論相一致，故可通過調節附加質量獲得所需的最佳轉速。如采用多個端部質量不同的壓電振子同步工作，可有效提高俘能器帶寬，實現整個轉速域的有效發電。

圖7　端部質量不同時的電壓-轉速特性曲線

圖8所示為動磁鐵數量不同時的電壓-轉速特性曲線。圖8中曲線表明，隨動磁鐵數量增加，最佳轉速的階數、轉速值及其所對應的電壓值都依次減小，1個和6個動磁鐵激勵時較明顯最佳轉速階數分別為8和2，相應的最大電壓值分別約為54 V和35 V，這是由于動磁鐵數量增加時各動磁鐵間耦合關系增強、壓電振子激勵頻率增大所造成的。根據俘能器的結構原理，與壓電振子諧振頻率fn相對應的最佳轉速n*隨動磁鐵數量N的增加而減小(n*=60fn/N)，從而使最佳轉速階數及轉速值減小；同時，動磁鐵數量增加使各磁鐵間的距離減小、耦合性增強，從而導致激振力幅值及壓電振子變形量(電壓)減小。因此，從提高錯位激勵俘能器有效帶寬及輸出電壓的角度應適當減少動磁鐵數量，但這會降低單位時間內壓電振子的受激次數和電能。

圖8　動磁鐵數量不同時的電壓-轉速特性曲線

4　結論

(1)提出的錯位旋磁激勵壓電俘能器即使在諧振狀態下也不會發生碰撞、可靠性高，且存在多個最佳轉速使輸出電壓出現明顯的峰值。

(2)激勵距離對最佳轉速無明顯影響，但對輸出電壓影響較大。輸出電壓隨激勵距離正/負向增大呈現先增大后減小的趨勢，即正/負向均存在一個最佳激勵距離使輸出電壓最大。

(3)俘能器最佳轉速及發電能力受附加質量及動磁鐵數量影響較大。隨著附加質量增大，各階最佳轉速降低、峰值電壓增大；隨著動磁鐵數量增加，最佳轉速的階數、轉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

國家自然科學基金資助項目(51277166，61574128，51377147，51577173)；浙江省自然科學基金資助項目(Y16F010012)；國家大學生創新創業計劃資助項目(201510345032)

TN384；TM619；TK05

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

闞君武，男，1965年生。浙江師范大學工學院教授、博士研究生導師。研究方向為壓電驅動器、能量回收、精密機械與微小機械。發表論文110余篇。張肖逸，女，1991年生。浙江師范大學工學院碩士研究生。王淑云，女，1965年生。浙江師范大學工學院教授。汪彬，男，1979年生。浙江師范大學工學院副教授。余杰，男，1972年生。浙江師范大學工學院碩士研究生。張忠華，男，1980年生。浙江師范大學工學院副教授。何恒錢，男，1994年生。浙江師范大學工學院本科生。