磁悬浮式双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器研究

李哲辉　袁天辰　杨俭　宋瑞刚

摘要： 提出了一种适合采集轨道车辆轴箱振动能量的磁悬浮式双自由度振动能量采集器。基于单自由度磁悬浮振动能量采集器的基本原理，设计磁悬浮式双自由度振动能量采集器的基本构型。利用磁偶极子模型，推导了圆柱磁铁的磁力方程，建立了磁悬浮式双自由度能量采集系统的动力学方程。考虑到系统具有的强非線性特点，利用龙格‑库塔方法，得到了系统的幅频响应曲线。根据轨道车辆轴箱实测时间历程和频率分布特点，设计了磁悬浮式双自由度振动能量采集器的核心参数。对比分析单自由度振动能量采集器和双自由度振动能量采集器的频率响应特性。研究结果表明：非线性双自由度振动能量采集器可以有效拓宽俘能装置的工作带宽，进而提高能量采集功率。在简谐振动激励下，双自由度振动能量采集器比单自由度振动能量采集器的输出功率增加了约1.1倍，且工作带宽可以拓宽约2.7倍;在实测的轨道车辆轴箱振动激励下，双自由度振动能量采集器在一站间可采集到31.5 mJ能量，峰值感应电流为14.6 mA，峰值输出功率为9.4 mW。

关键词： 能量采集器; 磁悬浮式; 双自由度; 轴箱; 龙格‑库塔法

中图分类号： TN752;U270.11;TM919  文献标志码： A    文章编号： 1004-4523（2022）02-0397-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.015

引  言

轨道车辆轴箱上有诸多传感器件（如速度传感器、温度传感器等），随着微型传感器技术的日趋成熟，传感器产品正在不断地趋向于模块化和微型化。传统电池具有尺寸大、需定时更换或充电、对使用环境要求高且污染环境等缺点，已经难以满足长寿命无线传感网络节点等对电源的要求。所以新型电源的探索迫在眉睫，研究一种可持续、高效率和高可靠性的环境能量采集方法是实现传感器自供能的核心关键问题。

近年来，利用振动俘能技术从周围环境（如风能、热能和振动等）获取能量成为新能源领域的热点。本文提出使用轨道车辆轴箱自身环境激励的振动能量作为新型能源来为传感器供电，减小传感器对外电源的依赖。进而，轨道车辆轴箱振动能量既能为传感器提供可靠的电源，又能为车辆整车辅助供电系统减轻负担。

轨道车辆振动能量采集器目前主要有压电式和电磁式两种。压电式振动能量采集器的工作原理是通过各类压电材料的压电效应将外界机械振动能量转化为电能，压电式振动能量采集器的整体性能和使用寿命受制于压电材料的电能转化效率和疲劳性能;电磁式振动能量采集器的工作原理是利用法拉第电磁感应定律将外界机械振动能量转化为电能，电磁式振动能量采集器具有结构简单、不需要额外驱动电源与功能材料、输出电流大等优点，而且其能在低频振动环境中有较好的输出性能表现。电磁式振动能量采集器通常采用弹簧⁃质量块系统作为拾振器件实现振动耦合，利用永磁体和线圈的相对运动实现磁电耦合。

国内外许多研究人员都提出了不同类型的电磁式振动能量采集器。Sardini等提出一个由两块永磁体及一个平面线圈组成的能量采集器，两块永磁体分居平面线圈两侧，通过使用磁环加磁片代替永磁体的形式有效加强了线圈附近的磁场强度，使得线圈内磁通量变化更大。TANG等设计了一种磁电悬臂梁能量采集器，在1激励下，其谐振频率为20 Hz，峰值输出功率达到24.56 μW，平均输出功率为3.6 μW。Anjum等加工制造了一种由一个运动磁铁、四组感应线圈、两个橡胶弹簧和空气气隙组成的能量采集器，该装置在频率为20 Hz、激励为3作用下，峰值输出功率可达到1.89 mW，且工作带宽可达到70 Hz。

早期的振动能量采集系统的研究主要基于线性振动理论。线性能量采集系统只在谐振频率点附近具有良好的能量采集效果，很难适用于环境振动的宽频特性。为了拓宽可应用的工作频带，能量采集装置设计中越来越多地开始关注非线性因素。许多学者致力于利用非线性来拓宽响应频带和提升输出功率。王祖尧通过在悬浮磁体上添加线性弹簧振子，增加了系统自由度数，扩大了磁力悬浮非线性能量采集器的有效工作带宽。聂新民研究了一种把永磁体间磁力等效为弹簧弹力的悬浮式振动能量采集器，该系统主要由四块永磁体和感应线圈组成，利用磁体之间的排斥力使中间磁体悬浮，当采集器受到外界的环境激励时，中间磁体上下振动，感应线圈切割磁感线产生电压。

基于上述研究，本文提出磁悬浮式双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器，建立该采集器的数学模型，利用龙格‑库塔算法对其动力学模型进行数值分析计算，得到该振动能量采集器在简谐振动激励及实测轨道车辆轴箱振动激励下的响应特性，并将其与磁悬浮式单自由度振动能量采集器进行对比，从理论方面研究双自由度特性和非线性对俘能器输出性能的影响规律。该理论研究对轨道车辆轴箱振动能量采集及对今后无线轴温技术提供可靠电源等方面具有重要的实际意义。