基于双稳态的轨道列车能量收集器设计与实现

刘梦洲，付海岭，张 媛，秦 勇，丁 奥

(1．北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044；

2．拉夫堡大学 沃尔夫森机械、电气和制造工程学院，莱斯特郡LE113TU；

3．北京印刷学院 机电工程学院，北京102600)

铁路承载着大多数人们的生活出行，保持铁路网安全、高效、准时运行以及列车运输过程的安全和设备后期的维护非常重要。根据文献[1]，北京地铁从2014年到2018年的405起故障中，有114起是由于车辆故障引起的。无线传感器和低功耗电子设备的出现与发展为持续性监控轨道列车和铁路基础设施提供了良好的解决方案。但是，列车车体上无线传感器的可靠电源、数据安全和整体数据可靠性等问题仍然是大规模实现监控的障碍，这使得现代智能技术将无法应用于提高轨道车辆的运营安全和效率。

近年来，许多研究者试图从振动与运动中获取能量，从而实现对无线传感器的自供电。4种主要的能量获取机制包括静电[2-3]、压电[4-5]、摩擦电[6-7]和电磁转换[8-9]，这些能量获取机制已经被研究并应用到许多设备中，如智能汽车、智能可穿戴设备、波浪能发电和健康监测设备等[10-11]。

对于轨道列车，学术界已经提出了一系列车载能量收集解决方案。Perpetuum 公司设计、生产并商业化了世界上第1台用于轨道状态监测的振动能量收集器，并且在2011年宣称研制出的PMG17振动发电机组可用于列车轴承状态监测[12]。文献[13]针对货运列车的定位和监控问题，设计了一种安装在转向架悬挂系统上的、基于机械运动校正机制的振动能量收集器。文献[14]针对铁路货车车载安全监测问题，分析了大秦线货运列车车载安全监测的用电需求，提出了基于悬臂梁结构的宽带低频压电能量收集器，并进行了装置制备和试验研究。文献[15]设计并测试了3种类型的基于机械的电磁轨道车悬架能量收集器，包括1种线性运动能量收集器，其磁体在线圈内随列车悬架线性移动；2种基于滚珠丝杠的旋转电磁能量收集器，能量收集器带有2个定制的行星齿轮箱，将悬架的双向线性运动转换为发电机的双向旋转[16]或单向旋转。文献[17]开发了一种具有耦合振动模式的非线性能量收集器，从而实现宽带宽上能量的利用，并且对能量收集器性能在类似于实际操作条件下进行了检查。尽管上述文献提出了各种设计和装置，但是在装置小型化和宽带宽的能量利用上仍然面临许多挑战。本文针对这2个问题，设计一款厘米级能量收集器，以实现宽带宽上的能量有效收集。

1 结构设计与运行原理

1.1 轨道列车信号分析

为了设计一款符合实际应用条件的电磁能量收集器，对北京地铁9号线地铁列车上设备的振动信号进行了收集与分析，其中收集到的转向架振动信号较为明显，见图1。图1(a)为北京地铁9号线地铁列车转向架上的原始振动信号，图1(b)和图1(c)为选取其中一段进行频谱分析与小波变换的结果，可以看到其主要振动频率集中在28～50Hz之间，振幅小于2g。

1.2 整体系统框架

根据对上述地铁列车转向架振动信号的分析，提出并设计一种基于双稳态电磁能量收集器的自供电智能感知系统，包括能量收集器模块、能量管理电路模块、低功耗传感器模块以及无线数据收发装置，如图2所示。下面主要对能量收集器模块和能量管理电路模块进行详细介绍。

1．2．1双稳态电磁能量收集器

根据对实际数据特征的分析，设计了一种结构简单紧凑的双稳态电磁能量收集器(图3)。如图3 所示，2个磁铁固定在套筒的两端，1个可移动的磁铁放在套筒里，固定磁铁与动磁铁之间的相互作用力为磁力。使用限制弹簧阻止动磁铁粘在固定磁铁上，为动磁铁在管内振荡提供弹簧恢复力。2组线圈放置在套筒外靠近稳定位置处，最大化磁通量变化速率。套筒上有孔，以减少动磁铁振动时的空气阻尼。

图1 北京地铁9号线地铁列车转向架部分振动数据

图2 基于双稳态电磁能量收集器的自供电智能感知系统的基本组成

图3 双稳态电磁能量收集器设计示意与构成

作用在动磁铁上的弹簧恢复力和磁力之间的关系如图4所示。在动磁铁与弹簧接触之前，只有磁力作用，将动磁铁驱动到套筒的任一端。当动磁铁压缩限制弹簧时，弹簧恢复力急剧增加，超过磁力。这种磁铁弹簧结构在套筒的两侧形成了2个稳定的位置，从而在运动中形成双稳态。

图4 作用在动磁铁上的弹簧恢复力和磁力的相互关系

能量收集器的试验原型与测试平台如图5所示，使用33600A 系列信号发生器和CT5871型功率放大器对JZK-2型激振器进行驱动，装置通过定制的夹具固定在激振器上。能量收集器整体尺寸为15 mm×50mm，通过连接在装置上的加速度传感器来获取施加在装置上的加速度。在不同的操作条件下对能量收集器进行了测试。

图5 能量收集器试验原型与测试平台

1．2．2能量管理电路

由于上述能量收集器产生的电压是交流电，所以在进行能量管理前需要进行AC-DC 变换。如图6所示，原型机中使用4个肖特基二极管构成的全桥整流电路进行AC-DC 转换，输出的电压经过能量管理电路模块对能量进行储能与稳压，最后输出至低功耗传感器与无线数据收发装置。此能量管理电路模块的欠压阈值为2V，能量存储模块电容电压Vstor最高可升至4.2V，输出端输出电压稳定在3.3V。

图6 能量管理电路模块

2 试验

2.1 能量管理电路模块充放电试验结果

对整体电路进行试验观察，使用型号为1N5817的肖特基二极管搭建全桥整流电路，能量管理电路模块中的能量存储使用2200μF电容，输出端用100kΩ电阻进行模拟负载。

图7为能量管理电路模块的充放电试验结果图，其中外部激励的频率为30 Hz，幅值为7g，红色为电容电压Vstor，蓝色为输出电压。从图7(a)可以看到：Vstor从2V 上升到3.3V 共需要24s，从2V 上升到4.2V 共需要48s左右，其充电功率约为0.31 mW。从图7(b)可以看到：Vstor在负载为100kΩ 电阻的条件下，电压从最高点4.2V 降到3.3V 共需要70s，再经过126s电压则下降至2V，输出端输出电压为0V，能量管理芯片停止工作。

2.2 不同摩擦力下能量收集器的性能差异

当动磁铁在套筒内部上下滑动时，由于摩擦力的存在对动磁铁的速度产生了一定的影响，这里对不同摩擦力下的能量收集器进行了扫频，观察摩擦力对系统带宽与输出电压的影响。

由于脂基的磁流体具有不易挥发特性，这里使用脂基的磁流体来减小套筒和动磁铁之间的摩擦力。将少量的磁流体附着在动磁铁上，振动一段时间后磁流体会自动覆盖动磁铁的表面，从而减少运动时产生的摩擦力。图8为幅值6g、频率10～90Hz的外部激励下，不同摩擦力下能量收集器扫频输出电压结果。蓝色为正向扫频下的输出电压，黄色为反向扫频下的输出电压。

图7 能量管理电路模块的充放电试验结果图

图8 不同摩擦力下能量收集器扫频输出电压

从图8可以看出，当摩擦力较大时(图8(a))，可获得一个较宽的工作频率范围，但电压较低：正向扫频下的工作带宽为18～40 Hz，输出电压为1.3～3 V；反向扫频下的工作带宽为15～32 Hz，输出电压为1～2.2V。当摩擦力较小时(图8(b))，可获得的工作频率较窄，但输出电压较高：正向扫频下的工作带宽为15～25Hz，输出电压为2.5～4V；反向扫频下的工作带宽为17～26 Hz，输出电压为2.3～3.7V。

3 总结与展望

本文设计并实现了一种针对轨道列车振动的双稳态能量收集装置。利用吸引的磁场力和限制弹簧构成的双稳态结构，收集来自轨道列车带宽的振动能量。首先，分析了实际轨道列车运行的数据以确定能量收集器工作的振动频带与强度，设计了相匹配的能量收集器。其次，展示了频率30 Hz、幅值7g的外部激励下能量收集器与能量管理电路模块集成的电能输出效果，其充电功率约为0.31 mW；探讨了摩擦力对装置的带宽和输出电压范围的影响，利用磁流体减少摩擦力可以增大输出电压，但是减小了能量收集的带宽。本研究的未来工作包括减小输入激励幅度要求，以便能量收集器能在实际轨道列车运行的振动下进行工作。其中，减小摩擦力可以减少一定的外部激励需求，除此之外，减小磁场吸引力可能也是一个潜在方案，这一思路将在未来工作中进行探究。