几种压电电磁复合俘能器的发电性能实验研究

赵庆玲,于蓬勃,刘诗雨,杨崇秋,杨小辉,宋汝君,2

(1.山东理工大学机械工程学院,255000,山东淄博;2.山东省精密制造与特种加工重点实验室,255000,山东淄博)

近年来,随着科技的进步和社会的发展,无线传感技术、便携式电子设备和微电机系统等技术在各个领域得到了广泛的应用[1],进而对微电子产品的供能也有了更高的技术要求[2]。但是,目前的供能技术主要是使用传统的电池,传统电池的供能存在容量小、使用寿命短、容易污染环境等缺点[3-4],不能满足现在微电子产品的发展要求,制约其发展进程。为有效解决传统供能方式存在的问题,高效环保的供能方式研究引起了诸多学者的关注[5-7]。在近阶段的发展中,很多学者关注到一种从自然环境中获取能量供微电子产品使用的技术,这是一种具有良好发展前景的技术,并成为国内外研究学者的研究热点。环境中存在很多能源,如太阳能、潮汐能、风能、振动能和温差能等,这些能量可以通过特定的方式被人们获取利用,是新型的环保能源[8-11]。其中,振动能是普遍存在且较易俘获的能源类型之一,对其进行的获取利用研究也是最为广泛的。振动能是一种性能稳定的能源,它的能量密度较高,不受地理位置和环境的影响[12-15],因此越来越多研究学者将研究重心放在振动能俘获并转化成电能上。振动能转化为电能的方式主要有压电式、电磁式和静电式,其中压电式和电磁式是学者关注较多的转换方式[16]。压电式系统结构简单,可以输出较高的电压,并且容易集成化,但它输出的电流值较低。电磁式系统可以输出较大的电流[17-20],但是输出的电压值较低。学者们起初仅研究单一的俘能方式,其中,单自由度的线性系统工作带频很窄,当激振频率和系统的固有频率匹配时,俘能器的俘能效率最高,发电性能最好[21-22];当激振频率变化无法与系统的固有频率匹配时,俘能器的俘能效率会降低,发电性能随之衰减[23]。单自由度线性系统的俘能器无法高效俘获外界宽带频的振动能,不能满足实际的需求。为使俘能器具有更宽的俘能带宽和更高的发电效率,学者们通过引入电学调谐和机械调谐的研究来调整俘能系统的刚度或质量[24-25],从而达到了拓宽工作频带和提高俘能效率的目的,同时使俘能系统的输出性能获得了极大地提升。

国内外的学者对基于磁力非线性振动的能量俘获技术进行了大量的研究。Challa等[26]提出了一种磁力调谐压电俘能器系统,在压电悬臂梁末端放置磁铁引入磁力作用,磁铁的吸引力和排斥力能够改变系统的谐振频率,拓宽系统的工作频带。Aboulfotoh等[27]提出了一种自动调频的压电电磁复合能量采集装置,调整两块磁铁之间的间距能够改变压电悬臂梁的机械应变力,进而使得悬臂梁与环境振动共振,大幅度提高系统的发电效率。高世桥等[28]设计了一种新型的复合式俘能装置,它由多个俘能模块组成,采用多种悬臂梁尺寸,可以兼顾多个环境振动频率,拓宽带宽频率,提高发电效率。武丽森等[29]提出了一种非线性压电电磁复合式俘能器的结构,并将其等效成质量弹簧阻尼振动的系统,用两组磁铁构成双稳态体系,充分利用非线性技术拓宽俘能带宽,改善工作频率范围,增加输出功率。张振振等[30]通过研究复合俘能器的耦合负载特性得出,复合俘能器具有更好的俘能效率且具有一定的宽频俘能特性,能更好地适应当前的发展要求。目前磁力耦合压电式俘能器是国内外的研究热点问题,但当前的研究中仍然存在着一些不足和问题。例如,当装置存在多个共振频率时,俘能器不能很好地兼顾多个离散振动频率,俘能效率有待提高;非线性磁力耦合装置能够拓宽俘能的频带,但一般需要很大的激振加速度,不适合较低激励强度环境。鉴于此,本文在较低激振加速度下探究了3种磁力耦合压电电磁俘能器的发电性能和宽频特性,分别通过实验探究3种装置的输出功率,并对磁力双梁压电电磁俘能装置的输出功率和发电性能展开研究。

1 实验模型装置

1.1 物理模型结构

本文提出的3种压电电磁复合俘能器的结构,结构各个组成部件的尺寸参数如表1所示,涉及线圈、压电片、悬臂梁、刚性梁和磁铁等组成部分。悬臂梁的材料选用铝,长、宽、厚分别用Ls、Ws和hs表示;压电片的材料选用锆钛酸铅,它的长、宽、厚分别用Lp、Wp和hp表示;Lr、Wr和hr分别表示刚性梁的长、宽、厚,刚性梁的材料选用亚克力板。3种结构俘能器的示意图如图1所示。俘能器中将磁铁固定在悬臂梁的自由端,两块磁铁在同一竖直方向上,再将压电片贴在悬臂梁上表面构成单晶压电悬臂梁结构。图1(a)装置仅设有上方的压电单梁,线圈的固定位置使得磁铁全部进入线圈内部,形成无磁力单梁的俘能装置;图1(b)装置上方设有压电单梁,在线圈下方放置有磁铁的刚性梁,上下两块磁铁极性相对,都进入到线圈内部,形成磁力刚性梁的俘能装置;图1(c)装置将图1(b)装置中的刚性梁替换成与压电悬臂梁相同尺寸的弹性梁,保持磁铁位置不变,形成磁力双梁的俘能装置。

表1 俘能器的结构参数

1.2 实验平台搭建

根据装置物理模型的结构参数制作出俘能器的实验样机,并搭建相应的实验平台,如图2和图3所示。图3所示是图1中3种俘能装置的实验样机。实验系统由实验样机、数据采集卡、可变电阻、激振器、振动控制台、功率放大器、加速度传感器和计算机组成。数据采集卡(NI®)连接在计算机上,可以连续实时地采集俘能装置输出的电压等实验数据。可变电阻分别连接在线圈和压电片输出端,可以通过调节电阻值的大小来获取最优的功率输出。将实验样机放置在激振器上,加速度传感器也通过永磁体固定在激振器上。将振动控制台和功率放大器连接在一起,再将振动控制台连接在计算机上,设置不同的实验参数可改变激振器不同的振动状态。

图3所示的实验样机中磁铁和悬臂梁之间用亚克力管连接,用丙烯酸酯结构胶将压电片粘贴在悬臂梁上表面的根部,用亚克力夹板将悬臂梁固定好,用固定夹将线圈固定好,使磁铁全部进入线圈内部。实验时,不考虑其他外在因素的影响,对3种装置进行实验,探究装置输出功率的大小,并通过外接电阻值、激振频率和加速度数值来重点探究磁力双梁压电电磁复合俘能装置的输出性能。

2 结果分析

对俘能装置无磁力单梁的输出功率进行实验探究,实验平台如图3(a)所示,在激振加速度为0.2g(g为重力加速度),压电梁连接110 kΩ的外接电阻、线圈连接140 Ω的外接电阻时,对电磁和压电部分的输出功率分别进行采样分析,其结果如图4(a)、(b)所示。由图4(a)、(b)可知,无磁力单梁线圈和压电梁的输出功率和输出电压都是随激振频率的增大先升后降的,两者的共振频率都是12.1 Hz,在12.1 Hz时输出功率最大;当激振频率和系统的固有频率接近时,系统的输出功率和输出电压达到最大值。

对磁力刚性梁装置的输出功率和输出电压分别进行实验探究,实验装置如图3(b)所示。在激振加速度为0.2g,压电梁外接110 kΩ的电阻、线圈外接140 Ω的电阻时,对装置的输出功率和输出电压分别进行采样分析,实验结果如图4(c)、(d)所示。由图4(c)、(d)可知,磁力刚性梁线圈和压电梁的输出电压值和功率值随着激振频率的增大亦是先升后降的,两者在激振频率为13.4 Hz时输出功率最大。与图4(a)、(b)相较可知,磁力刚性梁的线圈输出功率值明显大于无磁力单梁线圈的输出功率值,磁力刚性梁的压电梁输出功率值略小于无磁力单梁的压电梁输出功率值。磁力的引入增大了电磁部分的输出功率,抑制了压电部分的输出功率值,但图3(a)装置(简称装置a)的总输出功率值与图3(b)装置(简称装置b)的总输出功率值相差不大。

利用图3(c)所示装置(简称装置c)搭建实验平台,对磁力双梁的压电电磁俘能装置输出特性进行实验探究。在装置激振加速度设为0.2g,压电梁外接电阻为110 kΩ、线圈外接电阻为140 Ω时,对线圈和压电梁的输出功率和输出电压进行实验探究,实验结果如图4(c)、(f)所示。由图4(c)、(f)可知,线圈和压电梁均存在两个共振频率,共振频率分别在10.3 Hz和13.8 Hz处,线圈和压电梁都在共振频率10.3 Hz下有最大的输出功率和电压,相较之下,共振频率为13.8 Hz时的输出功率和电压明显小于10.3 Hz下的值。

对图1所示的3种模型分别进行实验探究,对比图4(a)、(d)与图4(b)、(e)可知,装置b线圈的最大功率为321.7 μW,大于装置a的最大功率94.27 μW,装置b压电梁的最大输出功率为1.505 mW,装置a压电梁的最大输出功率为1.907 mW,装置b总输出功率为1.827 mW,与装置a的总输出功率2 mW相差不大;由图4(c)、(f)可知,装置c的总输出功率在10.3 Hz时为1.77 mW,在13.8 Hz时为0.783 mW,与装置a和b对比,3个装置的最大输出功率基本相当,但装置c电磁发电部分性能明显提升,且装置易实现低频双峰值发电,有效拓宽工作频带。

由图4可知,磁力刚性梁的加入使磁性刚性梁压电电磁俘能系统的共振频率相对无磁力单梁系统向右发生偏移,因为压电梁受到磁斥力的作用,导致压电梁的等效刚度增大,从而使磁力刚性梁系统的共振频率向右偏移;悬臂梁的加入使磁力双梁压电电磁俘能系统存在两个共振频率,第一个共振频率点(10.3 Hz)为引入悬臂梁的共振频率,第二个共振频率点(13.8 Hz)为压电悬臂梁产生的共振频率;因此,磁力引入,使压电梁共振频率向右偏移。同时磁力双梁还拓宽了系统的俘能频带,增大了装置的输出电压值,能够使俘能装置具有更好的俘能效率和发电性能。基于此,下文重点对图1(c)所示的磁力双梁装置进行实验,探究电阻和激振加速度对装置c输出特性的影响。

用图3(c)所示装置对激振频率改变时磁力双梁压电电磁俘能装置的输出电压进行实验探究。将装置的激振加速度设为0.2g,令压电梁外接110 kΩ的电阻,线圈外接140 Ω的电阻,实验结果如图5和图6所示。图5是电磁部分在激振频率为9～16 Hz下的输出电压变化图。线圈在10 Hz时的输出电压最大,在第二个共振频率14 Hz时输出电压高于13、15和16 Hz的输出电压,但14 Hz下的输出电压低于10 Hz下的输出电压。

图6是磁力双梁压电电磁俘能装置压电部分在激振频率为9～16 Hz下的输出电压变化图。压电梁在激振频率为10 Hz时的输出电压最大,激振频率为14 Hz时的输出电压小于10 Hz时的输出电压,但大于其他频率下的输出电压,12 Hz时的输出电压最小。可见,磁铁悬臂梁的加入给装置增加了磁力作用,对压电梁的影响较大,悬臂梁出现共振现象时,压电梁也会出现明显的磁激励振动现象,能够使装置的压电梁获取较高的输出电压,同时还拓宽了装置的工作频带,使输出性能更好。

图7所示的是磁力双梁压电电磁俘能装置在不同的激振频率下其输出功率随电阻的变化曲线。激振加速度设为0.2g,在线圈和压电片分别连接上可变电阻,给实验装置施加一个恒定的激振频率,线圈和压电梁的输出功率都是随着外接电阻值的增大先升后降,最后趋于较平稳的趋势;在激励频率为10 Hz时线圈的最优电阻为140 Ω,压电梁在激振频率为10 Hz时的最优电阻为110 kΩ。压电电磁俘能系统在激振频率接近共振频率时的输出功率大,线圈在激振频率为10 Hz时的输出功率大于8、9和11 Hz时的输出功率,最大输出功率为277.3 μW。压电梁在激振频率为10 Hz时的输出功率亦远大于8、9和11 Hz时的输出功率,最大输出功率为316.1 μW。

图8所示的是在不同的激振加速度下磁力双梁压电电磁俘能装置的输出功率随激振频率的变化曲线。实验装置的线圈处接140 Ω的外接电阻,压电梁处接110 kΩ的外接电阻,探究在不同激振加速度下俘能装置的输出功率,实验结果如图8所示。由图8(a)知,电磁部分具有两个共振频率,输出功率随着激振频率的增加在共振频率处先升后降。加速度为0.1g时,线圈的最大输出功率在10.2 Hz为0.66 mW;当激振加速度为0.4g时,线圈的最大输出功率在10.3 Hz为1.05 mW,线圈实现了较大功率的输出,频率为13.8 Hz时线圈的输出功率在0.4g处最大。在激振加速度为0.4g时,线圈的输出功率大于其他激振加速度下的,对比0.1g、0.2g和0.3g的变化曲线可知,随着激振加速度的增加,线圈的工作频带得到了明显的拓宽,输出的功率更大。由图8(b)可知,压电部分具有两个共振频率,输出功率在这两个共振频率下都是随着频率的增大先升后降;在激振加速度为0.4g时,压电梁的输出功率在10.3 Hz和13.8 Hz有最大值,分别为1.51 mW和1.68 mW。压电梁在激振加速度为0.4g时的输出功率大于其他加速度下的输出值,随着加速度的增大,同一频率下装置的输出功率也逐渐增大。由图8可见,磁力的加入使压电梁在13.8 Hz时到达共振频率,从而使压电梁的振幅增大,输出功率增大;在图8(a)的13.8 Hz处,当压电梁振动幅值增大时,电磁输出功率也随之增大,电磁发电变化曲线出现凸起的峰值。由变化曲线可知,激振加速度的增加会使装置在同一频率下的输出功率增大,但激振加速度过大可能造成压电片的断裂,因此激振加速度的取值在0.1g～0.4g之间合适。对比0.1g和0.4g时的输出曲线明显可知,激振加速度的增大明显的拓宽了整个装置的俘能频带,提高了装置的输出功率,使装置具有更好的发电性能。

3 结 论

本文提出了3种压电电磁俘能装置,主要通过实验分别探究3种俘能装置输出性能。实验对比研究表明,3个装置综合最大输出性能基本相当;无磁力单梁装置压电发电性能最优,磁力双梁装置电磁发电性能最优;磁力的引入增大了装置的电磁输出功率,双悬臂梁的加入,增加了俘能装置的自由度,拓宽了系统的俘能频带,综合提高了装置的发电性能。装置存在最优外接电阻值使线圈和压电梁的输出功率最大;激振加速度的变化对装置影响显著,激振加速度增大使俘能器的输出功率增大,并且激振加速度越大,俘能器的工作频带越宽,装置的输出功率也越大。本文的研究对压电-电磁俘能装置提高能量转换效率有重要的参考价值。