針對遠程無線開關的電磁式沖擊能量收集器研究

趙興強， 戴志新， 丁 宇， 嚴 飛， 錢海林

(1. 南京信息工程大學 江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，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研究中心，南京 210044)

隨著無線通信和物聯網技術在智能家居中的廣泛應用，使得傳統的家電、照明和能源等方面的檢測與控制都發生了革命性的變化，給人們的生活帶來了很大的便利。無線遙控開關面板作為智能家居系統的一個重要組成[1-3]，除了可以通過無線通信技術實現對家電、照明等方面的控制，同時還可以通過WiFi等技術連接互聯網，實現遠程控制。相對于傳統的開關面板，無線遙控開關面板有顯著的優勢，它無需在開關端布線，極大地簡化了電纜布線，降低裝修成本。按照用戶需求，無線開關面板可靈活地放置于應用場所的各個位置，實現一對一、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。

目前的無線開關面板基本上為電池供電，在頻繁的開關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境的污染。近年來出現的能量收集技術開始在無線開關面板上應用，可將光能、按鍵沖擊動作轉化為電能，給開關面板發射端供電，實現控制信號的發射。孔德超等[4]提出了一種基于弱光充電的無線開關面板控制器，用弱光型太陽能電池收集室內光能，并對電容充電，實現了對燈具的無線控制。Cho等[5]設計了一種使用懸臂式壓電能量收集器(發電機)的無線遠程開關，通過升頻技術實現了高頻振蕩，在受到5～8 N按壓力的情況下，產生140 μJ的能量，利用ZigBee無線通信技術發送了三個數據包。太陽能電池和壓電式動能收集器結構簡單，便于實現小體積的開關面板，但是成本高，沒有市場競爭力。實際的應用中，大多采用電磁式沖擊能量收集器，其輸出性能優良，成本低。德國EnOcean[6]，武漢領普[7]、北京微能[8]等公司都先后開發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，產生的電能高達到3 mJ，保證了后續電路在短時間內發送若干數據包。盡管在這種無線開關的沖擊能量收集技術已經實現了商業化，但是關于電磁式沖擊能量收集器的工作原理和性能分析方面的尚未見系統性的研究性文獻。本文提出了E型和U型兩種鐵芯的電磁式沖擊能量收集器，在按壓前后，磁力線都能形成閉環，磁通變化量大，發電性能優異。論文介紹了收集器的工作原理，開展了收集器的結構設計于仿真，加工了樣機，結合實驗研究，詳細分析電磁式沖擊能量收集器的性能，并實現了無線控制開關的自供能應用。

1 工作原理

電磁式沖擊能量收集器都有兩個穩定的狀態，這個兩個狀態中磁極和對應的鐵芯吸合。穩態轉換時，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態，線圈內鐵芯的磁力線突然反相，線圈會產生一個脈沖電信號。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型電磁式沖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構，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。該收集器有兩個穩定狀態，如圖1中的狀態1和狀態2所示。首先在狀態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，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2，磁鐵組件與鐵芯的下、中臂對應，同樣磁力線也形成閉環，但中臂中的磁力線反相。忽略漏磁，假設中臂中磁感應強度B均勻恒定，則線圈中的磁通變化量2NBS，其中N為線圈匝數，S是中臂的截面積。當釋放按鍵后，通過恢復彈簧可以實現一個相反的運動過程，從狀態2返回狀態1，產生一個反相的脈沖。

圖1 E型鐵芯收集器結構及其穩定狀態

1.2 U型鐵芯收集器

U型結構與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型鐵芯收集器結構及其穩定狀態

在狀態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，磁感應強度和磁通量為最大值。按下去后，到達狀態2，鐵芯與上面兩個磁鐵對應，在鐵芯中磁力線反相。這個轉換過程，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2到狀態1會產生一個相反的脈沖。

2 仿真設計

采用ANSYS Maxwell軟件對電磁式沖擊能量收集器的性能進行了瞬態仿真研究，建立模型如圖3(a)所示。首先對E型鐵芯進行參數優化設計，將其結果應用于U型鐵芯，要優化的參數為鐵芯臂的尺寸(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N=lhc/0.1，hc表示線圈厚度，內阻為線圈對應的電阻，同時功率的計算也是取負載等于內阻時計算得到。磁鐵為NdFe35材料，厚度設定為2 mm，高度2～4 mm，磁鐵與鐵芯間氣隙1 mm。磁鐵運動速度設定為4 m/s，這樣從一個穩態運動到另一穩態用時約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時的結果。圖3(b)為兩個過程轉換時線圈產生的電壓波形，最大15.8 V，有效值為11.8 V。圖3(c)、圖3(d)分別為兩個穩定狀態時的磁力線分布，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，結果見圖4。可以發現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，線圈匝數就會減少，輸出電壓就會減小，但其內阻也對應減小，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，鐵芯臂厚在設計范圍內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產生的電能5.8 mJ。考慮達到小體積、低成本，鐵芯尺寸優化結果為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。得到優化的尺寸Hm=4 mm，對應的輸出功率為550 mW，產生的電能5.5 mJ。

基于E型鐵芯的優化結果，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，兩個穩定狀態下在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回路。而U型鐵芯穩定狀態時有兩個磁鐵與鐵芯相對，磁力線形成閉環，第三個磁鐵的將會從已經形成的閉環中吸取部分磁力線，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態時的磁力線分布

3 實驗分析

3.1 樣機加工

仿真結果表明E型鐵芯的收集器性能優于U型鐵芯，因此僅加工了E型鐵芯的收集器樣機。按照優化的尺寸加個了電磁式沖擊能量收集器，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 電磁式沖擊能量收集器樣機

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化的電能。將10～470 μF的電解電容接入整流電路之后，結果見圖8所示。可以看出隨著電容增加，儲能電壓近似呈指數減小，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的無線發射信號模塊，不考慮其他損耗時，可以發射13 ms的信號。

圖7 電磁式沖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)為開關面板的無線發射和接收模塊，由超低功耗的STM8L單片機控制，其中發射模塊為12 dbm(約16 mW)的國產凌承芯H34B無線模塊，接收模塊為H3V4F，通信頻率為433 MHz，以OOK模式工作發送1.1 kHz的方波信號。在接收端接收到該信號后，實現了LED燈亮/滅的控制。按壓一下收集器樣機，約發送16～20 ms的方波，如圖9(b)所示，最大通信距離為70 m，在普通的家庭環境中，可以穿透2～3層墻體，完全滿足居家環境的應用需求。

圖9 自供能的無線開關電路與測試

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生串擾。通過方波信號的占空比、頻率等參數的調節可以實現不同的收發模塊組合配對，避免控制信號的串擾。為了進一步的區分，可以發送至少16 bit的二進制編碼，實現65 536個的不同收發模塊組合。同時在收發模塊增加了配對學習功能，便于新的發射或接收節點的加入和編碼信號的變更，提高實用的靈活性。

4 結 論

本文系統地研究了電磁式沖擊能量收集器的設計過程，提出了E型和U型鐵芯兩種收集器結構，分析了其工作原理。采用ANSYS Maxwell軟件對電磁式沖擊能量收集器的性能進行了瞬態仿真研究，分析了不同穩態之間鐵芯中磁力線的變化情況、輸出電壓、輸出功率等性能，發現E型鐵芯結構的收集器性能優于U型鐵芯，最終得到了優化的鐵芯尺寸。加工組裝了E型鐵芯結構收集器樣機，完成了測試。結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，能量轉化最大，存儲的電能為0.66 mJ。按壓一次收集器，信號發射端發射了18 ms的方波，接收端接收到之后實現了LED的開關控制。