一种错位旋磁激励压电俘能器

阚君武　张肖逸　王淑云　汪　彬　余　杰　张忠华　何恒钱

浙江师范大学，金华，321004



一种错位旋磁激励压电俘能器

阚君武张肖逸王淑云汪彬余杰张忠华何恒钱

浙江师范大学，金华，321004

为解决现有旋磁激励压电俘能器动磁铁与定磁铁正对激励时易发生碰撞的问题，提出一种错位旋磁激励的压电俘能器，并进行了磁力耦合仿真分析以及动磁铁转速/径向激励距离/压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能影响的测试试验。结果表明:动定磁铁错位配置可实现压电振子的有效激励，且存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速；径向激励距离对最佳转速无影响，但对峰值电压影响较大，正/负向分别存在不同的最佳激励距离使峰值电压最大；附加质量及动磁铁数量对俘能器性能影响较大，随着附加质量增大，各阶最佳转速降低、电压峰值增大；随着动磁铁数量增加，最佳转速的阶数、转速值及其所对应的电压值都依次减小。

压电；俘能器；错位激励；旋转磁铁

0　引言

为实现微功率电子产品及远程传感监测系统的能量自给、减少电池能量不足/耗尽所带来的不便以及废弃电池所造成的环境污染，各类俘能器的研究已成为国内外研究的前沿热点[1-4]。目前，已成功开发的微小型俘能器主要有压电式[5-7]、静电式[8]和电磁式[9]三大类。压电俘能器以其结构简单、无电磁干扰、能量密度大以及易与主体结构集成等优势发展尤为迅速，用于振动能、流体能及旋转运动能收集的新型压电俘能器不断涌现。为解决现有接触激励式旋转压电俘能器冲击及噪声大、可靠性低、无法用于匀高速场合等弊端，阚君武等[10]提出一种旋磁激励式压电俘能器，利用旋转的动磁铁正对压电悬臂梁端部的定磁铁进行旋转激励。但因悬臂梁压电振子刚度较低，谐振时振幅较大,易与旋转体撞击损毁，故只能通过增大动定磁铁间的激励距离提高可靠性，但这同时也会减小激振力和发电量。

为避免悬臂梁压电振子与旋转体撞击，提高有限空间下的发电量，本文提出一种动定磁铁错位激励的压电俘能器。较之于以往磁铁间正对激励的方法，错位激励俘能器所需的安全距离小，压电振子的可变形空间大，可同时提高俘能器的可靠性(避免碰撞损坏)和发电能力。

1　错位激励压电俘能器结构及工作原理

错位旋磁激励式压电俘能器结构原理如图1所示，其中悬臂梁压电振子由金属基板和压电陶瓷片黏结而成，一端固定于轴承座上，一端装有定磁铁；动磁铁均布安装在转盘上，动磁铁与定磁铁错位安装。工作中，当动磁铁随转盘转动靠近定磁铁时，其间的相互作用力增大，迫使压电振子弯曲变形；动磁铁逐渐离开时，激振力减小、压电振子在自身弹性力作用下恢复变形或产生持续的往复弯曲振动，从而将机械能转换成电能。

由错位旋磁激励俘能器的原理可知，其发电特性和能力由压电振子结构尺度、动定磁铁尺度及配置方式(图1中的径向激励距离d、轴向激励距离l)、转盘上动磁铁数量以及转盘转速等共同决定，各参数间的合理配置有助于提高俘能器的有效带宽和发电能力。

图1　错位旋磁激励式压电俘能器结构原理图

2　激振力的耦合特性分析

图2　激振力的COMSOL仿真模型图

本文中的激振力是由动定磁铁间的耦合作用形成的，为获得错位旋磁激励时动定磁铁间不同配置方式下的耦合特性，利用COMSOL软件进行了仿真分析，仿真模型如图2所示，图中的箭头表示磁场，等值线表示磁标势。仿真所用动定磁铁尺寸均为φ12 mm×4 mm，磁化强度为8.5×1010A/m，磁铁中心回转半径r为50 mm，动定磁铁的同性磁极在径向上相对安装。单因素分析时，轴向激励距离l=15 mm，径向激励距离d=7 mm，转盘上均布4个动磁铁。

众所周知，两个磁铁间磁场及力的耦合特性取决于其相互位置关系。本文采用动定磁铁中心相对坐标(l,d)表示磁铁间的位置关系，且取动磁铁中心为坐标原点。为便于分析激振力与磁铁间距的关系，令(l,d)=(0，7)mm时的径向激振力为F0、任意激励距离(l,d)时的径向激振力为Fi，λ为激振力比，λ=Fi/F0。

图3所示为几种不同磁铁配置方式下激振力比λ与轴向距离l和径向距离d的关系曲线。图3中曲线表明，激振力的大小及形式(吸引、排斥)均随动定磁铁间的相对位置变化而变化：①径向激励距离d确定时(图3a)，激振力比λ随轴向激励距离l的增大而减小，且当轴向激励距离l等于磁铁半径时激振力比λ由正变负(斥力变为吸力)；轴向激励距离l增至磁铁直径时吸引力达最大，此后吸引力随轴向激励距离l增大而减小、且渐趋于零；②轴向激励距离l大于磁铁直径时动定磁铁间均为吸引力(图3b)，且存在最佳的径向激励距离d使吸引力最大，但定磁铁处于动磁铁上方(正向，d>0，)与下方(负向，d<0)时的激振力比特性曲线不同，原因是定磁铁处于动磁铁上/下方时与转盘上其他磁铁的耦合强度不同。激振力比随径向激励距离d的变化规律表明，本文所采用的错位激励方案有助于控制压电振子的振幅，提高可靠性。

(a)不同d值下λ-l曲线

(b)不同l值下λ-d曲线图3　激振力比与动定磁铁间相互位置的关系

3　试验测试与分析

为验证错位旋磁式激励压电俘能器的可行性及相关要素对其性能的影响规律，制作了试验样机并进行了试验测试。测试系统如图4所示，主要由交流电机、变频器及示波器等构成；所用压电振子的金属基板尺寸为50 mm×20 mm×0.3 mm，压电片尺寸为40 mm×20 mm×0.3 mm，磁铁尺寸及质量分别为φ12 mm×4 mm和2.45 g。动磁铁均布于转盘上，动定磁铁的同性磁极在径向上相对安装，动定磁铁轴向激励距离为l=15 mm。

图4　压电俘能器及其测试系统

图5　径向激励距离不同时的电压-转速特性曲线

图5所示为动定磁铁数量均为1、轴向激励距离d不同时的电压-转速特性曲线。图5中曲线表明，本文所提出的错位激励俘能器在转速域内存在多个最佳转速使其输出电压出现峰值,且相邻最佳转速的间隔随转速增大而增大。产生上述现象的原因在于：压电振子所承受的是一般性周期激励(非简谐激励)，当激励频率与其固有频率及其各分频相等时都将产生共振。图5中曲线变化趋势还表明，径向激励距离d对最佳转速无明显影响，但对输出电压值影响较大，d=10 mm时的输出电压明显高于d=-10 mm时的输出电压，这与径向激励距离对激振力比λ的影响规律是一致的(参见图3b)。

图6所示为各阶最佳转速(与压电振子固有频率及各分频相对应的转速)下的峰值电压与径向激励距离的关系曲线。图6中曲线表明，各阶最佳转速所对应的峰值电压随激励距离d正/负向增大而均呈现先增大后减小的趋势，即正/负向均存在一个最佳激励距离使峰值电压最大，这与径向距离对激振力比的影响规律也是一致的。

图6　峰值电压与径向激励距离间的关系曲线

根据错位旋磁激励俘能结构原理可知，其发电能力及特性除与径向激励距离d有关外，还取决于压电振子端部附加质量及动磁铁数量等其他要素。图7所示为压电振子端部安装单个磁铁(质量2.45 g)和安装1个磁铁及1个质量块 (总质量4.90 g)时的电压特性曲线。由图7可知，随压电振子端部质量的增大，俘能器各阶最佳转速减小、相应的电压增大，这与振动理论中随系统质量增大，谐振频率降低、振幅增大的结论相一致，故可通过调节附加质量获得所需的最佳转速。如采用多个端部质量不同的压电振子同步工作，可有效提高俘能器带宽，实现整个转速域的有效发电。

图7　端部质量不同时的电压-转速特性曲线

图8所示为动磁铁数量不同时的电压-转速特性曲线。图8中曲线表明，随动磁铁数量增加，最佳转速的阶数、转速值及其所对应的电压值都依次减小，1个和6个动磁铁激励时较明显最佳转速阶数分别为8和2，相应的最大电压值分别约为54 V和35 V，这是由于动磁铁数量增加时各动磁铁间耦合关系增强、压电振子激励频率增大所造成的。根据俘能器的结构原理，与压电振子谐振频率fn相对应的最佳转速n*随动磁铁数量N的增加而减小(n*=60fn/N)，从而使最佳转速阶数及转速值减小；同时，动磁铁数量增加使各磁铁间的距离减小、耦合性增强，从而导致激振力幅值及压电振子变形量(电压)减小。因此，从提高错位激励俘能器有效带宽及输出电压的角度应适当减少动磁铁数量，但这会降低单位时间内压电振子的受激次数和电能。

图8　动磁铁数量不同时的电压-转速特性曲线

4　结论

(1)提出的错位旋磁激励压电俘能器即使在谐振状态下也不会发生碰撞、可靠性高，且存在多个最佳转速使输出电压出现明显的峰值。

(2)激励距离对最佳转速无明显影响，但对输出电压影响较大。输出电压随激励距离正/负向增大呈现先增大后减小的趋势，即正/负向均存在一个最佳激励距离使输出电压最大。

(3)俘能器最佳转速及发电能力受附加质量及动磁铁数量影响较大。随着附加质量增大，各阶最佳转速降低、峰值电压增大；随着动磁铁数量增加，最佳转速的阶数、转速值及其峰值电压依次降低。

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(编辑王艳丽)

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

国家自然科学基金资助项目(51277166，61574128，51377147，51577173)；浙江省自然科学基金资助项目(Y16F010012)；国家大学生创新创业计划资助项目(201510345032)

TN384；TM619；TK05

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

阚君武，男，1965年生。浙江师范大学工学院教授、博士研究生导师。研究方向为压电驱动器、能量回收、精密机械与微小机械。发表论文110余篇。张肖逸，女，1991年生。浙江师范大学工学院硕士研究生。王淑云，女，1965年生。浙江师范大学工学院教授。汪彬，男，1979年生。浙江师范大学工学院副教授。余杰，男，1972年生。浙江师范大学工学院硕士研究生。张忠华，男，1980年生。浙江师范大学工学院副教授。何恒钱，男，1994年生。浙江师范大学工学院本科生。