一種基于人體運動的發電裝置研究與設計

王 超，楊 靜，李 昊，劉宇航，陳 嶺，3，劉航宇

(1.中國人民解放軍后勤工程學院， 重慶 401311；2.中國人民解放軍61906部隊， 河北 廊坊 065000；3.中國人民解放軍68064部隊， 青海 湟源 812199)

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一種基于人體運動的發電裝置研究與設計

王 超1，楊 靜1，李 昊1，劉宇航1，陳 嶺1，3，劉航宇2

(1.中國人民解放軍后勤工程學院， 重慶 401311；2.中國人民解放軍61906部隊， 河北 廊坊 065000；3.中國人民解放軍68064部隊， 青海 湟源 812199)

針對傳統電池具有容量小、質量大、續航時間短等缺點，根據人體運動的特點，研究和設計了一種基于單兵人體運動的便攜式發電裝置,提出了一種基于非平衡轉子的人體動能采集與轉換裝置。為提高輸出電壓值以達到實際可用的電能輸出，設計了一種以多極永磁體作為轉子、多組線圈作為定子的發電機，進行了相應的理論分析和Ansoft實驗仿真。結果表明：在2 Hz的人體正常步行頻率下，該裝置的開路輸出峰值電壓可達18 V，為實現電能的實際利用奠定了基礎。

發電裝置；非平衡轉子；人體動能；輸出電壓

現代戰爭需要依靠大量信息化裝備來提高士兵自身的作戰能力，這些電子裝備在提高單兵對戰場態勢感知能力的同時，也帶來電能消耗量大的突出問題[1]。電池在軍事設備中有很多應用，如美國士兵配備的GPS、夜視儀、紅外成像儀、顯示頭盔、武器瞄具及無線通信裝備等[2]都離不開電池。目前，常用的蓄電池存在容量小、質量大、續航時間短等不足，戰士不得不攜帶更多電池。在行軍打仗中，這些為電子裝備供電的電池在戰士的負重中占很大比重[3]，這不僅增加了單兵的負荷，也給后勤補給增加了壓力。據有關統計[4]，美軍在阿富汗戰場上，一名士兵執行為期5天的任務平均消耗88節AA電池，一名美國陸軍士兵每年消耗電池的費用高達6.5萬美元。沉重的單兵負載和高昂的后勤補給費用使西方國家日益重視單兵電源裝備。盡管各國軍方在研制新型便攜式電源上已經投入了大量的時間和經費，但目前絕大多數研究成果并不滿意[5]。因此，研制新型的能夠穩定、隨時供裝備使用的便攜式單兵電源勢在必行。

相較于單兵電能的短缺，環境中的能量分布無處不在。因此，眾多學者考慮通過能量收集技術，將環境中的能量轉換為電能，為蓄電池或用電設備供電。然而，環境能量密度受環境條件變化的影響很大，無疑增加了能量收集器的設計難度，影響能量收集的效率和穩定性[6]。相關研究結果表明：振動能(如人正常行走時雙臂大幅運動的功率為60 W、雙腿的擺動為67 W[7])能量密度更穩定，可以作為能量采集裝置的可靠輸入。振動能量收集技術的研究為該領域的發展提供了一個非常好的思路。目前，如何利用能量收集技術實現振動能的轉換是一個很有應用前景的課題[8]。

當前國內外針對振動能的研究主要有電磁式、靜電式、壓電式3種利用形式。靜電式能量采集器存在制作過程復雜、成本高、輸出阻抗大及輸出電流小等缺點，在實際應用過程中受到了極大的限制[9-12]。壓電式能量采集裝置受到結構限制、外圍轉換電路消耗大以及壓電材料性能缺陷等諸多問題的影響而效率較低。此外，在高頻周期的載荷作用下，壓電陶瓷很容易疲勞而產生裂紋，進而產生脆性斷裂，限制了其的實際應用[13]。電磁式人體能量收集器的研究較為廣泛，其中電磁傳動式發電裝置的模型較為成熟，有較高的能量密度，其微型化和高效率方面的研究是未來主要研究方向。目前，微型化的電磁集能器受限于線圈匝數、平面磁鐵性能、振動幅度小等因素，使其難以制作和應用，而且電磁式發電裝置能量轉換的體積受到彈簧的限制，產生的輸出功率較低。此外，電磁式集能器雖然有較大的輸出電流，但其輸出電壓很低(一般都小于1V)，大多僅限于毫伏級。王佩紅等[14]研究了一種三明治型電磁能量采集器。該能量采集器由上線圈、下線圈、中間平面彈簧和永磁體組成。實驗結果表明：上下線圈串聯可產生一個125 mV的最大輸出電壓。Duff和Carroll對一個滑動磁鐵的6線圈發電機在2 Hz的工作頻率下進行了測試，在設計了一種整流電路[15]升壓的條件下也僅得到了一個4 V的輸出電壓。在能量收集方式上，大多數都集中在以機械轉動的方式進行能量收集，而對以非平衡轉子作為動能收集方式的研究非常少。文獻[7]經升壓電路升壓后得到3.3 V的輸出電壓，文獻[16]通過電磁式電能轉換方式得到的峰值電壓也僅為2 V，為后續電能的有效利用帶來了極大的不便。

鑒于以上背景，本文設計了一種利用人體運動能量發電的便攜式電源裝置，能夠為單兵信息化裝備穩定、持續地供電，為保障士兵的作戰能力提供了支撐。

1 人體動能發電裝置結構設計

本文提出并設計的新型非平衡轉子式人體動能采集與轉換裝置的整體結構如圖1所示。該能量采集與轉換裝置主要被氣隙分隔成定子和轉子2個部分，兩者之間存在著氣隙磁場的耦合。裝置總體設計為圓柱體結構，直徑為100 mm、高50 mm，總質量約僅有390 g，相較于阿富汗美軍平均每5天88節AA電池約重2 640 g的攜帶量而言，顯然具有極大的優越性。該裝置可置于人體腳踝部位，隨著人體腳步的運動，非平衡轉子通過采集人體運動的能量而發生旋轉運動，經過中間氣隙與定子繞組的磁場耦合從而將轉子的旋轉動能轉化為線圈中的電能輸出。

圖1 新型非平衡轉子式人體動能采集與轉換裝置的整體結構

與傳統的振動能量采集裝置相比，該能量采集轉換裝置體積、質量較小，能夠與人體進行很好的結合，輸出較高的、可實際應用的電壓。在不影響人體正常運動下采集人體運動浪費掉的部分能量并轉化為電能輸出，從而實現了用電設備的供電和蓄電池的儲能。

1.1 定子結構設計

該裝置的定子由12組線圈和12組鐵芯以及基座組成。線圈繞鐵芯纏繞并相鍥在基座中，具體形式如圖2所示。12組線圈首尾串聯形成單項輸出，導線直徑選取0.15 mm銅導線并以正交環形繞線方式環繞。基座的直徑為100 mm、高25 mm。基座上開挖有線圈槽并將線圈繞組和鐵芯置于其內。

圖2 定子結構示意圖

在定子相關尺寸的設計中，主要考慮在其放置于人體踝關節處時應盡量減少對人正常行走和跑步運動的影響，并且使輸出電能質量盡可能高。

1.2 轉子結構設計

在轉子結構設計中，根據對人體腿部運動特點的分析和研究，考慮在一定負載下電能轉換裝置的電磁阻尼對轉子旋轉的影響，在滿足轉子在人體正常行走下連續運轉的基本性能要求下，綜合選擇和設計其基本尺寸為：中心角為120°，轉子半徑為50 mm，轉子高度為20 mm，轉子由4塊尺寸為16 mm×16 mm×20 mm的永磁體和環氧樹脂組成，具體結構如圖3所示。

圖3 轉子結構示意圖

2 裝置運行參數分析

動能發電裝置的運動方程可通過非平衡轉子得到。將線性振蕩運動X(t)=Axsinωt施加到發電機上，可得發電機垂直布置時轉子的運動方程[16]為

mgacosθ

(1)

式中：m是轉子的質量；a是從旋轉軸線到轉子質心的距離；Ax為輸入加速度的幅值；J為慣性矩；θ為轉子的旋轉角；ω為所施加的振蕩運動的角頻率；Ce是由通過線圈的電流引起的機電阻尼。

轉子自激勵旋轉的初始條件為：

( 2)

(3)

式(2)表明：為了具有連續的自激旋轉，轉子需要具有大于所施加的振蕩角頻率的初始角速度。

式(3)表明：太大的電磁阻尼將造成非平衡轉子無法自激勵旋轉。

發電機的開路電動勢的值與線圈的有效長度的關系為

(4)

(5)

式中：VTem為發電機輸出的開路電壓；B為線圈有效長度所在位置的剩余磁場；leff為線圈的有效長度；lr為轉子的半徑；lw為線圈的實際長度。

線圈螺線的總長度約為

(6)

式中：NT為線圈總匝數，定義為每層的線圈匝數乘以線圈層數；D0為線圈的外徑；Di為線圈的內徑。

因為永磁體在旋轉過程中會遠離線圈，故而必須重新計算線圈的剩磁。距離磁體z處的磁場為[17]

(7)

式中：tm表示磁體的厚度；r1表示磁體的半徑。

因為線圈都串聯在一起，故而電機的內阻為12個單獨電阻器的串聯電阻。由于只有4塊磁鐵，因此電壓可被視為串聯的4個電壓源，所以傳遞到負載電阻的功率可表示為

( 8)

式中：RL表示發電機外部負載電阻；RTint表示發電機內部線圈的電阻。

發電機內部線圈電阻由導線電阻計算求得：

( 9)

式中： ρ為線圈導線的電阻率；lw為線圈導線長度；Nc表示線圈數量；A為導線的橫截面積。

據上述分析可見：最大功率輸出值產生在最佳負載電阻處，而最佳負載電阻值等于電機的線圈內電阻值；電磁阻尼的大小取決于負載電阻的大小。因而，輸出功率可依據電磁阻尼來定義。為了找到電磁阻尼值，需首先找到由線圈和磁體之間的電磁力而引起的扭矩。

根據式(1)，電磁轉矩被定義為

(10)

由于扭矩也可以定義為角頻率上的功率，因此由電磁阻尼引起的轉矩可以定義為

(11)

令式(10)與(11)分別相等，則電磁阻尼可表示為

(12)

式(12)表明：發電機的電磁阻尼取決于動能采集裝置的負載電阻，并且與負載電阻成反比。

3 電機有限元仿真實驗

基于上述裝置模型和運動參數的求解，利用Ansoft電磁場有限元仿真軟件對該發電裝置模型進行了參數設置和材料的添加。

通過靜磁場的仿真分析，得出該模型的磁場分布，如圖4所示。圖4(a)顯示了轉子永磁體中磁場的分布情況，可見靠近磁鐵中心處的磁密較小，磁場由中心向外緣增大的趨勢。圖4(b)顯示了磁場在定子線圈以及定子鐵芯中的分布情況，可以看出：定子鐵芯中的磁密較大，線圈中磁密相應地減小，但線圈中磁密較為均勻，說明鐵芯的存在增強了線圈中的磁場。

圖4 線圈和鐵芯及永磁體的磁場分布

在瞬態場仿真設定中，將人體正常行走的2 Hz步速設定為轉子的轉速。為簡化程序設定，將人體行走中帶動非平衡轉子的旋轉假設為勻速旋轉。通過瞬態仿真運行數據處理分析得到線圈的磁通變化(圖5)以及開路條件下輸出電壓的波形隨時間的變化(圖6)。

圖5 線圈磁通量隨時間的變化關系

圖6 開路電壓隨時間的變化關系

從圖5中可以看出：線圈中磁通量隨著轉子的旋轉產生良好的正弦變換，峰值磁通量可達0.226 V·S。圖6中顯示：隨著轉子的旋轉，開路電壓做近似正弦變化，最大峰值電壓可達18 V，相對于前期類似研究大多處于毫伏級的峰值有了極大的提升，為后續電能的利用奠定了良好的基礎。根據計算分析可知：當外接負載電阻與線圈內電阻的阻值相等時輸出功率取得最大值，即當阻值為64.7 Ω的外接負載直接接入時可得到約1.25 W的輸出功率，可以作為可靠的電源。

4 結束語

本文研究和設計了一種基于人體運動的非平衡轉子發電裝置，提出了一種能夠與人體很好結合、并采集人體運動浪費掉的動能轉化為電能輸出的發電模型，用以緩解單兵或野營人員的微型用電設備的用電需求。本文設計的發電裝置直徑為10 cm，高度為5 cm，體積較小，適合放置于人體踝關節處進行能量的采集。仿真結果表明：輸出開路最大峰值電壓可達18 V，相較于以前的微型發電裝置的研究在體積與開路電壓參數上有了極大的提升。在后續的研究中，有必要對永磁體尺寸、線圈的匝數與直徑、鐵芯的直徑等參數進行優化，對發電裝置的輸出參數做進一步的提升。本文沒有對發電裝置在帶負載條件下的輸出參數以及不同負載下的輸出變化進行研究，有待于在后續工作中進一步探討與實驗。

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(責任編輯 劉 舸)

Research and Design of a Power Generation Device Based on Human Body Motion

WANG Chao1, YANG Jing1, LI Hao1, LIU Yu-hang1, CHEN Ling1，3, LIU Hang-yu2

(1.Logistical Engineering College, Chongqing 401311, China；2.The No. 61906thTroop of PLA，Langfang 065000, China；3.The No. 68064thTroop of PLA，Huangyuan 812199, China)

To replace traditional battery shortages such as small capacity, large weight, and short life and so on, a portable generating set is searched and developed based on human motion. According to body motion characteristics, this paper introduces an idea about an unbalanced rotor power generation, which can realize gathering and conversion of human kinetic power. This paper also creatively designs such a generator which uses multi-polar permanent magnets as rotor and a plurality of coils as stator to get usable output. Corresponding theory analysis and Ansoft simulation experiments are as well carried through. The results show that the peak output voltage of this device is up to 18 V when people walk in normal frequency of 2Hz, laying a foundation for use of electric energy. Summary of this topic and expectation of the future work are made in the conclusion part.

power generation device；unbalanced rotor；human kinetic energy；output voltage

2017-01-16 基金項目：國家自然科學基金資助項目(61603407)

王超(1993—)，男，山西人，碩士，主要從事移動電源與軍用多能源發電技術研究，E-mail：766008532@qq.com；通訊作者 楊靜(1973—)，女，重慶永川人，博士，副教授，主要從事移動電源與多能源發電技術研究，E-mail：yj7329@163.com。

王超，楊靜，李昊，等.一種基于人體運動的發電裝置研究與設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(5):137-142.

format：WANG Chao, YANG Jing, LI Hao, et al.Research and Design of a Power Generation Device Based on Human Body Motion[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(5):137-142.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.05.023

TM341；TM351

A

1674-8425(2017)05-0137-06