磁力調頻壓電電磁復合發電設計與實驗

杜小振，張龍波，于 紅

(1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590；2.中國石油大學 (華東)理學院，山東 青島 266580)

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磁力調頻壓電電磁復合發電設計與實驗

杜小振1*，張龍波1，于 紅2

(1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590；2.中國石油大學 (華東)理學院，山東 青島 266580)

開展了基于環境振動發電作為微電源彌補傳統化學電池供能缺陷的研究?；诜蔷€性磁力調頻開發了低寬頻振動能采集壓電電磁復合發電系統。介紹了發電裝置工作原理；利用ANSYS和Ansoft Maxwell有限元分析軟件仿真分析了壓電和電磁發電的輸出特性；最后，搭建了壓電電磁復合寬頻發電裝置實驗測試系統，測試了發電系統在磁力自調過程中的輸出特性。實驗結果顯示：復合發電系統在諧振頻率60 Hz時輸出開路電壓峰值為5.8 V，高于壓電系統 (5.5 V)和電磁系統(410 mV)獨立發電的開路電壓峰值。施加磁力拓寬裝置后，當壓電懸臂梁沿豎直方向上下移動0～15 mm時，系統適應諧振頻帶拓寬為45～76 Hz；懸臂梁沿水平方向平移0～30 mm時，諧振頻帶拓寬為51～70 Hz。結果表明仿真分析與實驗測試結果吻合很好。該寬頻帶能量采集技術可用于低頻振動環境的能量采集，可在頻變環境中為微型低功耗系統提供低電能。

壓電發電；電磁發電；寬頻發電裝置；磁力調節；微電源；有限元分析

1 引 言

近年來無線傳感網絡節點、MEMS壓力傳感器、末端執行器等低功耗電子元器件逐漸向微型集成化發展[1-3]，然而無線傳感網絡節點數量多、分布廣、工作環境多樣、維護困難，嵌入式微傳感器更換電池程序繁瑣，因此研制自供能系統將實現無線傳感器網絡技術突破[4-5]。近年來收集環境振動能微電源技術成為研究熱點，其具有穩定持久、結構簡單易集成和環保無污染等優點，有望替代傳統化學電池成為新型微電源[6-7]。目前研究的振動型能量轉換形式主要有靜電式、壓電式和電磁式等[8-10]；其中拾振系統多采用懸臂梁結構[11-12]，而非調頻發電系統拾振頻帶窄不利于多頻能量收集。為適應環境隨機振動特點，需拓寬發電裝置諧振頻帶，提高換能效率[13-14]。

目前研究拓寬裝置采集頻帶的方法主要分為機械式和電氣式，可通過改變振動體結構、直接或間接碰撞拾振體、對懸臂梁施加外力作用、逆壓電效應調頻等實現，另外多頻組合結構也可實現寬頻發電。美國普杜大學的David F.Berdy等人首次將無線傳感網絡節點集成到寬頻壓電式能量收集系統內，結構設計緊湊但需手動調節，調頻響應慢且精度低，不適應振動頻率易變化環境[15]。立陶宛考納斯科技大學的Rolanas Dauksevicius等人設計低頻諧振梁直接碰撞影響高頻壓電懸臂梁[16]，韓國光云大學的M A Halim等人設計通過金屬球碰撞兩側柔性壁間接作用于壓電懸臂梁沖擊力進行頻率轉換[17]，均可實現在低頻振動環境下寬頻發電效果，但持續碰撞產生額外振動噪聲并降低裝置工作壽命。美國加州大學伯克利分校的Leland E S等人通過施加軸向預緊力壓縮固支梁可有效改變發電裝置固有頻率[18]，韓國全南國立大學的X.Wu 等人設計低高頻PVDF懸臂梁之間非接觸式磁力耦合效應實現寬頻發電[19]，但增加系統阻尼降低能量輸出效率。美國弗吉尼亞理工大學的Lallart M等人設計了雙壓電層包裹懸臂梁結構，底部壓電層用于輸出電能，根據逆壓電效應利用制動器對頂部壓電層施加電壓激勵實現懸臂梁剛度調節，可實時對環境頻變做出反饋但需額外供電，缺乏實用意義[20]。北京理工大學的高世橋等人設計了壓電電磁復合式寬頻俘能器，包含多組固有頻率不同的俘能器單元，可在一定頻帶范圍內實現寬頻諧振換能，但諧振頻率離散、結構復雜、能量密度低[21]。美國史蒂文斯理工學院Challa等人通過對壓電懸臂梁自由端磁鐵施加磁力改變其剛度來拓寬發電裝置諧振頻帶[22]，上海大學張國策對Challa模型的磁力產生非線性因素做了深入研究，采用數學理論方法分析磁鐵與懸臂梁的質量比和系統磁力對懸臂梁固有頻率調頻關系[23]。本文根據壓電電磁發電懸臂梁結構特點，利用磁力調節發電裝置固有頻率自適應環境頻變實現連續諧振換能，提高環境能量轉換效率。

2 微型壓電和電磁發電基本原理

壓電式能量轉換基于壓電材料的正壓電效應，當壓電材料受到外界作用力時發生機械形變，材料內部發生電極化現象致使上下表層聚集正負相反束縛電荷，當與外部負載聯接輸出電能，電荷密度與作用力大小成正比。壓電式能量轉換系統機電轉換系數高、輸出電壓高、能量密度大。

電磁式能量轉換采用法拉第電磁感應定律原理，當磁鐵與閉合線圈發生相對運動，穿過閉合線圈的磁通量發生變化產生感應電動勢，其大小取決于磁通量的變化率。根據磁鐵與閉合線圈相對運動形式不同，可分為動鐵型、動圈型和鐵圈同動型。其中，電磁式發電輸出電流大、電壓低，易受外圍磁場干擾。

3 實驗原理和實驗裝置

3.1 實驗原理

壓電電磁復合寬頻發電裝置結構設計如圖1所示。壓電懸臂梁固定在雙層有機玻璃夾板內，其自由端上下面各設置圓柱形磁鐵質量塊，整體可沿左端螺桿上下移動，磁鐵正對有機玻璃基座面位置各設置圓柱形磁鐵和平面線圈，上對磁鐵之間產生吸引力，下對磁鐵之間產生排斥力。壓電懸臂梁對應水平方向位置同樣設置自由端帶有圓柱形磁鐵的懸臂梁，可在雙層有機玻璃夾板內水平方向移動對壓電懸臂梁施加磁力，整體固定在右端螺桿上。當發電裝置受到外界環境振動激勵時，壓電懸臂梁隨磁鐵質量塊做上下簡諧運動，驅使黏貼在其上下表面的壓電片發生機械形變，同時壓電懸臂梁自由端磁鐵與平面線圈做相對運動。根據壓電式和電磁式能量轉換發電原理，發電裝置與外接電路聯接實現電能輸出。在豎直或水平方向調節磁鐵間距離可改變發電裝置固有頻率匹配環境振動頻率，根據Challa V R提出的磁力調節原理：當作用于壓電懸臂梁磁力為吸引力減小其剛度，降低固有頻率；相反作用于壓電懸臂梁磁力為排斥力增大其剛度，提高固有頻率；通過變化磁力改變壓電懸臂梁剛度調節其固有頻率，拓寬發電裝置諧振頻帶適應環境頻變，實現寬頻高效換能。

圖1 壓電電磁復合寬頻發電裝置結構示意圖

3.2 實驗裝置

壓電電磁復合寬頻發電裝置實驗測試系統如圖2所示。

(a)實驗裝置

(b)發電裝置實物照片

Fig.2 Experiment testing system of hybrid piezoelectric-electromagnetic power generation device with magnetic force tuning

壓電發電部分選用尺寸為40 mm×30 mm×0.3 mm的PZT-51型壓電片和尺寸為90 mm×30 mm×0.5 mm的黃銅片組合構成壓電懸臂梁結構，并固定在有機玻璃夾板上。電磁發電部分包括固定在有機玻璃基座上下面的內徑r=10 mm、外徑R=45 mm的銅制平面線圈和固定于壓電懸臂梁自由端的圓柱形磁鐵，圓柱形磁鐵尺寸均為直徑d=8 mm、高h=10 mm。同時在懸臂梁自由端上下面正對位置各放一塊圓柱形磁鐵，采用其與壓電懸臂梁自由端圓柱形磁鐵的相互引力和斥力改變系統剛度。測試時信號發生器(GFG-8016G)發出不同頻率值的正弦波信號經過功率放大器(YE5872A)輸入給激振器(JZK-10)，可獲得不同頻率和振幅的振動激勵源，示波器(GDS-820S)測量發電裝置輸出電壓值。發電裝置固定在激振器上，連接好測試儀器，設定激振加速度0.4g(1g= 9.8 m/s2)，接通電源依次調節信號發生器輸出不同頻率值的正弦波信號，分別測試壓電和電磁各自獨立發電部分輸出開路電壓與振動頻率關系，以及負載電阻與輸出功率和電壓關系。設定信號發生器輸出固定頻率值的正弦波信號，通過豎直或水平方向調節磁鐵間距離改變發電裝置固有頻率來匹配激振器振動頻率，測試得到發電裝置輸出開路電壓與振動頻率關系，研究分析磁力調頻實現的寬頻發電輸出特性。

4 有限元仿真分析

4.1 壓電發電輸出開路電壓仿真分析

采用ANSYS有限元分析軟件對壓電發電部分進行結構建模并劃分網格，分析類型選擇模態分析和諧響應分析。定義懸臂梁材料為Cu，壓電片材料為PZT-51，圓柱形磁鐵材料為NdFe35。其中懸臂梁和磁鐵選用Solid 45單元，壓電片選用Solid 5單元。先進行模態分析得出壓電懸臂梁一階固有頻率值64 Hz，在諧響應分析里面設定掃描頻率范圍，施加激勵加速度0.4g，仿真計算得到壓電懸臂梁輸出開路電壓與振動頻率關系曲線如圖3所示，諧振狀態下輸出峰值開路電壓為5.1 V。

圖3 輸出開路電壓與振動頻率關系曲線

4.2 磁距對磁力變化影響仿真分析

在Ansoft Maxwell 3D環境中建立圓柱形磁鐵周圍磁場模型如圖4所示，采用靜磁分析。圓柱形磁鐵材料選擇NdFe35，電磁感應強度B分布云圖顯示磁鐵周圍電磁感應強度在0.4～0.7 T。分別設定磁鐵充磁方向相同和相反，磁鐵之間距離變化為50～40 mm，經計算得磁力大小與磁距關系曲線如圖5所示，磁力隨磁鐵之間距離減小，其變化率快速增加，該部分仿真結果將用于系統剛度控制分析。

圖4 磁鐵之間磁力模型

圖5 磁力與磁距關系曲線

4.3 電磁發電輸出感應電動勢仿真分析

用Ansoft Maxwell對電磁發電進行結構建模并劃分網格，選擇瞬態分析。磁鐵材料選擇NdFe35，平面線圈材料為Cu，設定磁鐵充磁方向沿Z軸正方向，在band(圓柱磁鐵的運動軌跡)區域內做上下簡諧運動。設定圓柱形磁鐵與平面線圈相對位置60 mm，振幅為10 mm，激振頻率為64 Hz(模擬環境激振頻率)，仿真計算得平面線圈輸出感應電動勢隨時間變化關系曲線如圖6所示，感應電動勢隨時間呈周期性變化峰值達350 mV。

圖6 感應電動勢隨時間變化關系曲線

5 實驗測試結果分析

5.1 未施加磁力調頻分析

5.1.1 壓電發電部分輸出特性

維持壓電懸臂梁在d=0 mm和h=0 mm不受磁力作用位置，在激振器模擬環境振動情況下測量壓電獨立發電輸出開路電壓，激振頻率為0～120 Hz，測得輸出開路電壓與振動頻率關系如圖7所示。壓電懸臂梁諧振頻率為54 Hz(仿真結果64 Hz)，對應輸出峰值開路電壓達5.5 V(仿真結果為5.1 V)，當偏離諧振頻率時輸出電壓迅速降低。

圖7 輸出開路電壓與振動頻率關系曲線

微電源有效輸出功率、負載電壓和外部負載電阻關系如圖8所示。測試條件為模擬環境激振頻率54 Hz，負載電阻變化為0～400 KΩ。結果顯示負載功率隨負載阻值增大先遞增后遞減，在最優阻抗值200 kΩ時達到峰值。負載電壓隨負載阻值增大逐漸增大，超過最優阻抗值后增大趨勢平緩。

圖8 輸出功率和電壓與負載電阻關系曲線

5.1.2 電磁發電部分輸出特性

同樣維持壓電懸臂梁在未受磁力作用位置，測試其自由端永磁體磁場穿透平面線圈形成的電磁發電特性，激振頻率為0～130 Hz，測得電磁發電輸出開路電壓與激振頻率關系曲線如圖9所示，在諧振頻率76 Hz時輸出峰值開路電壓410 mV，實驗測試結果與仿真分析的峰值感應電動勢 350 mV 較為吻合。

圖9 輸出開路電壓與振動頻率關系曲線

未調頻情況下電磁發電輸出特性分析，首先測得單個平面線圈阻值為75 Ω，兩平面線圈串聯接入示波器，負載電阻變化為0～400 Ω，測得輸出功率和電壓與負載電阻關系如圖10所示。與壓電獨立發電輸出情況類似，輸出功率隨負載阻值增大先遞增后遞減，當負載阻值達150 Ω時輸出功率最大。輸出電壓隨負載阻值增大逐漸增大，超過最優負載阻值后增大趨勢平緩。

圖10 輸出功率和電壓與負載電阻關系曲線

5.2 豎直方向磁力調節結果分析

壓電懸臂梁沿豎直方向上下移動，利用磁鐵間磁力調整拾振系統剛度，調節發電系統的固有頻率與模擬環境激振頻率匹配實現諧振發電，磁距對系統諧振頻率的調節結果如圖11所示。在豎直方向無磁力作用位置h=0 mm處壓電懸臂梁上下移動為h=-15～+15 mm，向上移動壓電懸臂梁時，磁鐵間吸引力使系統剛度減小，固有頻率降低；向下移動壓電懸臂梁時，磁鐵間排斥力使系統剛度增大，固有頻率增加。在磁力調節作用下，發電系統固有頻率調節為45～76 Hz，有效拓寬諧振頻帶31 Hz，增加了發電系統對環境隨機振動的拾振范圍，提高發電效率。

測得輸出開路電壓與振動頻率關系曲線如圖12 所示。當未施加磁力調節即h=0 mm時，發電系統一階固有頻率為60 Hz，在諧振狀態下輸出峰值開路電壓為5.8 V，高于壓電和電磁單獨輸出開路電壓，但略低于二者獨立發電輸出峰值開路電壓總和的5.9 V。壓電懸臂梁上下移動過程中，系統輸出總的峰值開路電壓較調節前偏小，原因是由于引入磁力調頻的同時增加了系統阻尼。

圖11 豎直調節磁距與系統諧振頻率關系曲線

Fig.11 Curves of vertical magnetic distance adjustment versus system resonance frequency

圖12 發電系統輸出開路電壓與振動頻率關系曲線

Fig.12 Curves of power generation system output open circuit voltage versus vibration frequency

5.3 水平方向磁力調節結果分析

利用水平方向磁力調節系統諧振頻率，初始位置和豎直方向測試位置相同，水平磁距變化為0～30 mm。磁距與發電系統固有頻率關系如圖13 所示，發電裝置固有頻率可調為51～70 Hz，有效拓寬諧振頻帶19 Hz。當移動距離d為0～15 mm 時，由于懸臂梁端磁鐵與壓電懸臂梁端磁鐵之間有效磁力為吸引力，致使調節過程中固有頻率降低；當移動距離d為15～30 mm時，由于兩端磁鐵之間有效磁力為排斥力，致使調節過程中固有頻率提高。系統輸出開路電壓與模擬環境激振頻率關系如圖14所示。

圖13 水平調節磁距與系統諧振頻率關系曲線

Fig.13 Curves of horizontal magnetic distance adjustment versus system resonance frequency

圖14 發電系統輸出開路電壓與振動頻率關系曲線

Fig.14 Curves of power generation system output open circuit voltage versus vibration frequency

6 結 論

本文基于非線性磁力調頻研究了低寬頻振動能采集壓電電磁復合發電系統，并對其輸出特性進行仿真分析和實驗測試。在0.4g加速度激勵下，無磁力調節壓電系統在諧振頻率為54 Hz(仿真結果64 Hz)時輸出開路電壓峰值為5.5 V(仿真結果5.1 V)，電磁系統在諧振頻率為76 Hz(仿真結果64 Hz)時輸出開路電壓峰值為410 mV(仿真結果350 mV)。實驗測試復合發電系統在諧振頻率為60 Hz時輸出開路電壓峰值為5.8 V，施加磁力拓寬裝置采集頻帶過程中，壓電懸臂梁沿豎直方向上下游動0～15 mm，系統固有頻率可調為45～76 Hz，拓寬諧振頻帶為31 Hz；懸臂梁沿水平方向平移0～30 mm，系統固有頻率可調為51～70 Hz，拓寬諧振頻帶為19 Hz。結果表明，壓電和電磁系統輸出特性仿真分析與實驗測試結果較為吻合；復合發電系統輸出開路電壓峰值5.8 V均高于壓電(5.5 V)和電磁(410 mV)單獨發電，但略低于二者單獨輸出開路電壓峰值總和5.9 V；引入磁力調頻可有效改變系統諧振頻率適應低頻環境隨機振動，寬頻帶高效能輸出特點更利于在頻變環境中為微型低功耗系統供能。

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杜小振(1978-)，男，河南鄧州人，博士，副教授，碩士生導師，2003年、2008年于大連理工大學分別獲得碩士、博士學位，主要從事微電源，海洋能發電和傳感器技術等方面的研究。E-mail：du_xzh@163.com

張龍波(1990-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，2012年于中國海洋大學青島學院獲得學士學位，主要從事壓電電磁復合寬頻微電源技術的研究。E-mail： zhang_long_bo123@163.com

(版權所有 未經許可 不得轉載)

Design and experiment of piezoelectric electromagnetic hybrid broadband generator with magnetic force tuning

DU Xiao-zhen1*，ZHANG Long-bo1， YU Hong2

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China；2.CollegeofScience，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

This paper focuses on environmental vibration energy harvesting generator to provide low energy for a micro low-power system. A piezoelectric electromagnetic hybrid broadband power generator was developed based on nonlinear magnetic force tuning. The working principle of the power generator was introduced， and its output power characteristics by the piezoelectric system and electromagnetic system were respectively simulated with the software of ANSYS and Ansoft Maxwell. Then， an experiment system was set up to test the output power characteristics of the power generator with the magnetic force tuning. Experimental results indicate that the peak output open voltage from the power generator is 5.8 V at the resonance frequency of 60 Hz， which is higher than that of the piezoelectric system(5.5 V)and the electromagnetic system (410 mV)independently. When the natural frequency is adjusted with the magnetic force tuning， its resonance frequency band expands from 45 to 76 Hz as the piezoelectric cantilever beam moves from -15 mm to 15 mm in the vertical direction. And the resonance frequency band expands from 51 to 70 Hz similarly as the cantilever beam moves from 0 to 30 mm in the horizontal direction. The experiments show that the simulation analysis results are coincided with that tested results well. It demonstrates that the broadband energy harvesting system can use in low-frequency environment random vibration and can satisfy the demands of low-power of wireless sensor systems.

piezoelectric generation； electromagnetic generation； broadband generator； magnetic force tuning； micro power； finite element analysis

2016-04-20；

2016-05-27.

國家自然科學基金資助項目(No.51105234)；中國博士后科學基金資助項目(No.2015M582113)；山東省自然科學基金資助項目(No.2016EEM23)；青島市黃島區科技項目小微企業發展和孵化器專項資金資助項目(No.2014-01-107)和應用研究與公共衛生專項資金資助項目(No.2014-01-42)

1004-924X(2016)11-2753-08

TM919

A

10.3788/OPE.20162411.2753

*Correspondingauthor，E-mail：du_xzh@163.com