采煤机上微型电磁式振动发电机的发展探讨

宋油唐

（山西煤炭运销集团阳泉有限公司，山西阳泉 045000）

0 引言

微机电系统（MEMS）技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，在几乎所有领域中，包括煤机设备、汽车、航空、航天、环境监控等，采用MEMS 技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等都有着十分广阔的应用前景。围绕MEMS 技术正在兴起一个巨大的产业［1］。

目前，典型的电子产品方便使用的同时也存在着电源运行费用高、循环周期短的问题，而且电子产品大部分重量被电源占据。所以减轻系统重量、延长电池运行寿命的需求已经对微动力发电系统的发展提出了更大的挑战。如果这项技术能够成功应用于煤矿上，将给目前不景气煤矿行业节约很大成本。

振动能量在人们日常生活、生产环境中广泛存在，如井下设备产煤过程中各种机械的振动，工业生产中设备运转时引起设备自身和厂房振动，各类输送管道的振动，汽车、火车等交通工具行驶过程中会产生振动，以及路面和列车轨道的受迫振动，家用电器工作时会产生微弱的振动。

1 研究现状

1）2007 年英国University of Southampton 的SP Beeby等［2］研制了动圈式振动发电机，机构总体尺寸0.15 cm3，在固有频率52 Hz 附近，振幅0.59g，外接负载4 kΩ，发电机输出功率达46 μW，结构如图1 所示。

采用悬臂梁拾振机构，线圈固定在梁自由端，两个永磁铁NS 极相对，在气隙中形成近似均匀磁场，线圈振动产生动生电动势。此种结构仅能收集到固有频率附近的振动能量，对振动频率随时间变化的环境的适应性较差。

2）山东理工大学咸化彩等［1］2008 年研制一种永磁体内置发电机，结构如图2 所示。

图1 动圈式振动发电机

采用典型的弹簧振子机构，结构简单、使用方便。采用铁氧体永磁材料，尺寸为直径14 mm，长度18 mm，剩磁0.495 T，在外部振动为2 Hz时，最大输出电压12 V，输出电压经整流后，可用于多种低压供电系统。

3）2009 年University of Michigan，USA 的Tzeno Galchev 等［3］，针对低频大振幅的环境，研制的发电机，结构图如图3 所示，系统总体积3.74 cm3，当输入信号时，将输出最大功率288 μW，平均功率5.8 μW。

工作原理：中部质量块和弹性膜组成低频机构，上部和下部由磁铁和弹性膜组成高频振动机构，环境中的低频振动信号引起低频机构的共振，当质量块运动接近上下磁铁时，对磁铁产生激励作用，引起上下高频机构的自由振动。

图2 永磁体内置发电机

图3 发电机示意图

其创新之处在于收集环境中的低频振动，经机构转换成高频振动，从而提高转换效率。

4）2003 年 国 内重庆大学温中泉［4］提出一种方案，拾振机构如图4 所示，这种机构优点是在第一、二、三阶模态下，都能产生感应电动势，即能收集到一、二、三阶固有频率附近的能量，从而扩大响应频宽。

拾振机构尺寸：在4.1 mm×4.1 mm 面积内，梁宽200 μm，厚50 μm，质量块1 mm×1 mm×1 mm，其一阶固有频率为103 Hz，二阶固有频率为236 Hz，三阶固有频率为238 Hz［6］。采用开路测试，外部激励振幅为50 μm 时，感应电压在100 mV 以上的激励频率范围为118～126 Hz、205～213 Hz。两个频带值相差太大，机构对环境振动响应频带不连续。

综合以上研究可知，国内外学者对电磁式能量采集装置做了大量的研究，提出了多种机构，实现了振动能向电能的转换。

图4 拾振机构

3 存在的困难和面临的挑战

虽然做了大量的微型电磁式振动能量采集器的研究，但是要进一步发展，仍需克服诸多困难和挑战。环境振动通常是由一系列不同频率的振动信号组成，在不同场合振动信号差异是非常大的，当前研究中的电磁式振动能量采集器，其拾振机构只可收集固有频率附近的振动，远离固有频率的振动获取能力弱。即使宽带响应机构，频率范围是固定的，对于超出其频带范围的振动信号响应微弱。当前研究的结构存在对环境的适应性较差，振动能向电能转换效率低下等问题。

1）建模仿真问题。目前，采用现有的电磁场分析软件建立3D 模型对电磁式振动能量采集器进行分析仍存在很多不足，仿真结果精度不高，对模型性能预测有较大偏差，这方面有待提高。

2）结构性能优化问题。为实现微型电磁式振动能量采集器的实用化和产业化，尤其是在特大型矿井煤机设备上使用，安全系数要求高，必须要求输出稳定的电压和功率，如何在小尺度下提高输出功率和输出电压，对器件的结构和性能进行优化，仍然需要进一步研究。

3）微操作与微装配问题。微型电磁式振动能量采集器结构复杂，零件尺寸小，微型线圈的制作目前工艺还不成熟。另外微型零件的精确装配对人工操作要求很高。但是现有装配技术不成熟，很难实现按设计要求精密装配，引起仿真结果的误差。

4 结语

国内外各研究机构对电磁式微型振动发电机的研究，实现了把环境中的振动能转换成电能。环境中的振动是复杂的，如何在小体积的前提下，设计一种高效换能结构，并且能适应多种复杂环境，将是接下来重点需要研究的内容。

［1］咸化彩.永磁体内置式微型振动发电机的研究［J］.微电机，2010，43（1）：16-25.

［2］Beeby S P.A micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting［J］.Micromech Microeng，2007（17）：1257-1265.

［3］Galchev T.A Parametric Frequency Increased Power Generator for Scavenging Low Frequency Ambient Vibrations［J］.Procedia Chemistry，2009（1）：1439-1442.

［4］温中泉.微型振动式发电机的基础理论及关键技术的研究［D］.重庆：重庆大学，2003.

［5］Sari I.An electromagnetic micro power generator for wideband environmental vibrations［J］.Sensors and Actuators A，2008，145-146：405-413.

［6］贾起民.电磁学［M］.北京：高等教育出版社，2001.