悬臂梁振动计算(一种新型振动能量收集系统，可持续点亮LED灯和数码管)

Posted 2023-05-26

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悬臂梁振动计算(一种新型振动能量收集系统，可持续点亮LED灯和数码管)

沈阳工业大学机械工程学院的研究人员刘慧芳、曹崇东、赵强、马凯、谷艳玲，在2020年第14期《电工技术学报》上撰文，基于悬臂式铁镓合金的动力学模型、等效电路模型和伏安特性建立悬臂式铁镓合金振动能量收集装置的输出电压和输出功率模型，设计能量存储电路，搭建了铁镓合金振动能量收集装置实验平台。

实验结果表明，在67Hz固有频率、外接17负载时，样机的最大输出功率为116mW，对应的功率密度约为271W/cm3；电压智能调解电路的最大输出电压可保持在5.1V，且可为锂电池提供4.18V的充电电压，实验验证了振动收集装置的输出电压经过所设计的能量存储电路可有效地为超级电容器和锂电池充电，实现对能量的存储；样机可持续点亮LED灯和数码管，进一步证明了文中涉及的振动收集装置及存储电路的有效性，并为其在无线传感器节点供电中的实际应用提供了基础。

振动能量收集技术属于利用环境废弃振动能量产生电能的研究领域，该研究可以应用于许多无需人工干涉即可长期运行的实际问题中，如无线传感器网络、健康监测、心脏起搏器、自供电传感器等。传统上，电池是此类设备的主要电源。

然而，每年对数十亿个废弃电池的处置会引发严重的环境问题，并且有限的使用寿命对设备的长期、自主运行亦构成了挑战。因此，收集环境中的振动能源是实现便携式和无线电子设备可持续绿色供电的有效途径，该技术引起了学术界的广泛关注。

压电及磁致伸缩等智能材料已经被证明能够依靠材料固有的特性实现对轮胎、风、人体运动等形式的环境振动能量进行收集。压电材料振动能量收集是一种直接简单、较为流行的方法，其是通过正向压电效应将材料的应变能转化为电能，由于无笨重的附件以及易于与微机电系统（Microelectro- mechanical System, MEMS）沉积融合的优势，目前对它的研究较为广泛。

压电振动收集方法具有电容特性，可以产生较高输出电压和较低电流。另外，压电材料中也存在去极化、电荷泄漏、最佳输出功率需要很高匹配负载阻抗等缺点。

为了克服这些局限性，近几年尝试基于磁致伸缩材料（Magnetostrictive Materials, MsM）的Villari效应实现收集振动能量。基于MsM的能量收集方法是利用了其结构振荡所引起的磁场变化，进而在拾取线圈中产生电动势。

近些年出现的磁致伸缩球墨铸铁合金（称为Galfenol）和玻璃纤维金属化合物（例如Metglas）等MsM具有高强度、优异的延展性、良好的鲁棒性、较高的饱和磁致伸缩系数和机电耦合系数，尤其是优异的可加工性。这为需要通过与弯曲结构灵活配合来完成振动能量收集提供了一种更合适的核心元件材料。并且，这些材料没有去极化问题，可显著提高系统运行的可靠性。

然而，在低振动激励下时，磁致伸缩装置表现出几百毫伏的低电压和几十微瓦的低功率。因此，有必要设计一种高效的能量采集系统，以实现最大功率的跟踪与能量存储，以满足负载端的要求。

沈阳工业大学机械工程学院课题组利用铁镓合金研制了一种悬臂式振动能量收集系统，可实现源于基极振动及瞬态自由振动的收集。

图1 悬臂式铁镓合金振动收集装置原理结构

图2 信号处理与能量存储电路原理

研究人员将铁镓合金复合悬臂梁结构近似简化为单自由度质量-弹簧-阻尼系统，建立了悬臂式铁镓合金振动能量收集装置的输出电压模型，并依据其等效电路模型和伏安特性，对能量收集装置在外接负载电阻时的输出功率进行理论分析。

图3 信号处理与能量存储电路实物

图4 实验装置平台

由于悬臂式铁镓合金振动能量收集装置产生的电压是交流电，并且电压较小，不能直接用于为电子元器件供电。针对此问题，他们设计了四倍压整流电路，用于对收集装置输出的交流电进行升压与整流；采用MAX1795和MAX1811芯片设计了电压调节电路和储能管理电路，进一步提高了直流输出电压，最大值可达到5.1V，同时可为超级电容器和锂电池充电，实现对能量的存储。

图5 样机为多个并联的LED灯供电

图6 样机为多个数码管供电

最后，研究人员开发了悬臂式铁镓合金振动能量收集样机，并搭建了实验平台。综合测试了样机的发电能力与能量存储电路的性能，结果表明，样机系统输出的直流电能够持续点亮了多个并联LED灯或数码管，进一步验证了样机的发电能力及信号处理与能量存储电路的工作性能。

以上研究成果发表在2020年第14期《电工技术学报》，论文标题为“悬臂式铁镓合金振动能量收集的存储方法”，作者为刘慧芳、曹崇东、赵强、马凯、谷艳玲。