采煤機上微型電磁式振動發電機的發展探討

宋油唐

（山西煤炭運銷集團陽泉有限公司，山西陽泉 045000）

0 引言

微機電系統（MEMS）技術的發展開辟了一個全新的技術領域和產業，在幾乎所有領域中，包括煤機設備、汽車、航空、航天、環境監控等，采用MEMS 技術制作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等都有著十分廣闊的應用前景。圍繞MEMS 技術正在興起一個巨大的產業［1］。

目前，典型的電子產品方便使用的同時也存在著電源運行費用高、循環周期短的問題，而且電子產品大部分重量被電源占據。所以減輕系統重量、延長電池運行壽命的需求已經對微動力發電系統的發展提出了更大的挑戰。如果這項技術能夠成功應用于煤礦上，將給目前不景氣煤礦行業節約很大成本。

振動能量在人們日常生活、生產環境中廣泛存在，如井下設備產煤過程中各種機械的振動，工業生產中設備運轉時引起設備自身和廠房振動，各類輸送管道的振動，汽車、火車等交通工具行駛過程中會產生振動，以及路面和列車軌道的受迫振動，家用電器工作時會產生微弱的振動。

1 研究現狀

1）2007 年英國University of Southampton 的SP Beeby等［2］研制了動圈式振動發電機，機構總體尺寸0.15 cm3，在固有頻率52 Hz 附近，振幅0.59g，外接負載4 kΩ，發電機輸出功率達46 μW，結構如圖1 所示。

采用懸臂梁拾振機構，線圈固定在梁自由端，兩個永磁鐵NS 極相對，在氣隙中形成近似均勻磁場，線圈振動產生動生電動勢。此種結構僅能收集到固有頻率附近的振動能量，對振動頻率隨時間變化的環境的適應性較差。

2）山東理工大學咸化彩等［1］2008 年研制一種永磁體內置發電機，結構如圖2 所示。

圖1 動圈式振動發電機

采用典型的彈簧振子機構，結構簡單、使用方便。采用鐵氧體永磁材料，尺寸為直徑14 mm，長度18 mm，剩磁0.495 T，在外部振動為2 Hz時，最大輸出電壓12 V，輸出電壓經整流后，可用于多種低壓供電系統。

3）2009 年University of Michigan，USA 的Tzeno Galchev 等［3］，針對低頻大振幅的環境，研制的發電機，結構圖如圖3 所示，系統總體積3.74 cm3，當輸入信號時，將輸出最大功率288 μW，平均功率5.8 μW。

工作原理：中部質量塊和彈性膜組成低頻機構，上部和下部由磁鐵和彈性膜組成高頻振動機構，環境中的低頻振動信號引起低頻機構的共振，當質量塊運動接近上下磁鐵時，對磁鐵產生激勵作用，引起上下高頻機構的自由振動。

圖2 永磁體內置發電機

圖3 發電機示意圖

其創新之處在于收集環境中的低頻振動，經機構轉換成高頻振動，從而提高轉換效率。

4）2003 年 國 內重慶大學溫中泉［4］提出一種方案，拾振機構如圖4 所示，這種機構優點是在第一、二、三階模態下，都能產生感應電動勢，即能收集到一、二、三階固有頻率附近的能量，從而擴大響應頻寬。

拾振機構尺寸：在4.1 mm×4.1 mm 面積內，梁寬200 μm，厚50 μm，質量塊1 mm×1 mm×1 mm，其一階固有頻率為103 Hz，二階固有頻率為236 Hz，三階固有頻率為238 Hz［6］。采用開路測試，外部激勵振幅為50 μm 時，感應電壓在100 mV 以上的激勵頻率范圍為118～126 Hz、205～213 Hz。兩個頻帶值相差太大，機構對環境振動響應頻帶不連續。

綜合以上研究可知，國內外學者對電磁式能量采集裝置做了大量的研究，提出了多種機構，實現了振動能向電能的轉換。

圖4 拾振機構

3 存在的困難和面臨的挑戰

雖然做了大量的微型電磁式振動能量采集器的研究，但是要進一步發展，仍需克服諸多困難和挑戰。環境振動通常是由一系列不同頻率的振動信號組成，在不同場合振動信號差異是非常大的，當前研究中的電磁式振動能量采集器，其拾振機構只可收集固有頻率附近的振動，遠離固有頻率的振動獲取能力弱。即使寬帶響應機構，頻率范圍是固定的，對于超出其頻帶范圍的振動信號響應微弱。當前研究的結構存在對環境的適應性較差，振動能向電能轉換效率低下等問題。

1）建模仿真問題。目前，采用現有的電磁場分析軟件建立3D 模型對電磁式振動能量采集器進行分析仍存在很多不足，仿真結果精度不高，對模型性能預測有較大偏差，這方面有待提高。

2）結構性能優化問題。為實現微型電磁式振動能量采集器的實用化和產業化，尤其是在特大型礦井煤機設備上使用，安全系數要求高，必須要求輸出穩定的電壓和功率，如何在小尺度下提高輸出功率和輸出電壓，對器件的結構和性能進行優化，仍然需要進一步研究。

3）微操作與微裝配問題。微型電磁式振動能量采集器結構復雜，零件尺寸小，微型線圈的制作目前工藝還不成熟。另外微型零件的精確裝配對人工操作要求很高。但是現有裝配技術不成熟，很難實現按設計要求精密裝配，引起仿真結果的誤差。

4 結語

國內外各研究機構對電磁式微型振動發電機的研究，實現了把環境中的振動能轉換成電能。環境中的振動是復雜的，如何在小體積的前提下，設計一種高效換能結構，并且能適應多種復雜環境，將是接下來重點需要研究的內容。

［1］咸化彩.永磁體內置式微型振動發電機的研究［J］.微電機，2010，43（1）：16-25.

［2］Beeby S P.A micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting［J］.Micromech Microeng，2007（17）：1257-1265.

［3］Galchev T.A Parametric Frequency Increased Power Generator for Scavenging Low Frequency Ambient Vibrations［J］.Procedia Chemistry，2009（1）：1439-1442.

［4］溫中泉.微型振動式發電機的基礎理論及關鍵技術的研究［D］.重慶：重慶大學，2003.

［5］Sari I.An electromagnetic micro power generator for wideband environmental vibrations［J］.Sensors and Actuators A，2008，145-146：405-413.

［6］賈起民.電磁學［M］.北京：高等教育出版社，2001.