不同頻帶寬度的振動能量收集器研究進展*

王小麗， 方玉明， 丁立群， 楊孟媛， 鈕 飛， 鄧麗城

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

不同頻帶寬度的振動能量收集器研究進展*

王小麗， 方玉明， 丁立群， 楊孟媛， 鈕 飛， 鄧麗城

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

振動能量收集器由于具有體積小、壽命長、高能量密度等特點，被廣泛用于微機電系統(tǒng)設備的供電。從頻率角度出發(fā)，介紹了單諧振頻率、寬頻式、頻率可調式三種不同頻帶寬度的振動能量收集器，并系統(tǒng)介紹了上述結構優(yōu)缺點、國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。其中，單諧振頻率能量收集結構最為簡單，研究較早，技術比較成熟。而寬頻式和頻率可調式由于更加符合外界環(huán)境振動條件，成為研究熱點。

振動能量收集器； 單諧振頻率； 寬頻式； 頻率可調式

0 引 言

振動在環(huán)境中普遍存在，例如:車輛電動機運轉產生的振動、公路鐵路橋梁的振動、由風激勵轉化而來的振動等。振動能量采集器就是將這些振動所產生的能量轉換為電能，為各種電子設備供電。由于其具有體積小、壽命長、高能量密度、無污染等特點，被國內外研究者廣泛研究。根據(jù)工作頻帶寬度不同，可將其分為單頻式、寬頻式和頻率可調式等結構。

本文介紹了三種不同頻帶寬度振動能量采集器，并對它們的優(yōu)缺點進行了比較。其中,寬頻式和頻率可調式由于更加符合外界環(huán)境振動條件，成為研究熱點。

1 單諧振頻率振動能量收集結構

研究表明，當振動能量收集器的固有頻率與外界振動頻率相同，即發(fā)生諧振時，其能量轉換效率最高。單諧振頻率能量采集器固有頻率單一，且工作頻率范圍較小。其結構簡單、研究較早、技術比較成熟。根據(jù)換能原理不同，振動能量采集器又可分為壓電式、電磁式和靜電式。

1.1 單諧振頻率壓電式振動能量收集結構

壓電式結構的工作原理是利用壓電材料的正壓電效應將機械能轉換為電能。當受到某固定方向外力作用時，壓電材料會產生形變，內部產生電極化現(xiàn)象，同時在兩個表面上產生等量異號的束縛電荷，由此將機械振動能轉換為電能。在目前研究的單頻壓電式結構中，單懸臂梁結構由于結構最為簡單，而得到了廣泛的研究，并且發(fā)展最為成熟。通常，單懸臂梁結構的固有頻率比較高，而外界環(huán)境振動源的頻率比較低，因此，在懸臂梁的末端增加一金屬質量塊以減小單懸臂梁結構振動的固有頻率，如圖1所示。

圖1 單懸臂梁結構示意圖Fig 1 Diagram of single cantilever structure

矩形單懸臂梁結構是目前單頻能量收集器最常用的結構，其結構簡單且易于集成，同時還有很多研究者對其他結構形式也進行了研究。謝濤等人[1]對矩形、梯形和三角形的懸臂梁進行了研究，研究表明，在相同的外部激勵下，三角形單懸臂梁收集的能量最多，梯形單懸臂梁次之，矩形單懸臂梁收集的能量最少。Chen S等人[2]對厚度不均勻的壓電支撐梁進行了研究，在壓電支撐梁上挖三個大小相等的矩形凹槽，研究發(fā)現(xiàn)，帶有凹槽的矩形單懸臂梁結構與普通的矩形單懸臂梁結構相比，收集的能量更多。Ting Y等人[3]對曲線型懸臂梁進行了研究，研究表明，采用曲線形懸臂梁比采用同種壓電材料的矩形結構性能更好。

對于單懸臂梁結構，其承受的壓力或沖擊載荷不能太大，在一些沖擊載荷較大的場合中就限制了其應用。Kim H W等人[4，5]設計了一種Cymbal形振動能量收集結構，該結構在壓電圓片兩側分別粘結一個相同的碟形金屬帽，其示意圖如圖2所示。該結構能承受更大的載荷，且比相同體積的懸臂梁結構能產生更大的電能。

圖2 Cymbal形振動能量收集結構示意圖Fig 2 Structure diagram of cymbal shape vibration energy harvesting

1.2 單諧振頻率電磁式振動能量收集結構

電磁式能量收集器是利用法拉第電磁感應定律，將外界隨機的機械振動轉換為線圈回路或永磁體的運動，實現(xiàn)兩者之間的相對運動，從而使線圈回路內磁通量發(fā)生變化，產生感應電動勢。根據(jù)振動部件的不同又可分為動鐵型、動圈型和鐵圈同振型[6]。王佩紅等人[7，8]采用MEMS工藝，設計并制作了一種三明治夾層結構的動鐵型振動能量收集器，如圖3所示。它采用上、下兩層線圈串聯(lián)以提高輸出電壓，中間是由硅基平面鎳彈簧和永磁體構成的拾振結構。實驗測試表明，在頻率為280.9 BZ的外界振動激勵下，該結構能產生的最大輸出電壓為125 mV。

圖3 三明治夾層結構的電磁式能量收集器Fig 3 Electromagnetic energy harvester with sandwiched structure

Zhang Q等人[9]提出了一種動圈型能量收集結構，該結構分別將多個磁鐵和線圈并聯(lián)以提高輸出。此外，Zuo L等人[10]設計了一種鐵圈同振型能量收集結構，該結構在2.5 m/s的相對速度下，能產生2.01 W的平均功率。

1.3 單諧振頻率靜電式振動能量收集結構

靜電式能量收集器是通過靜電效應將機械振動能轉換為電能。靜電式能量收集器根據(jù)其改變電容的方式不同可分為變間距式和變面積式。其中,Guilllemet R[11]研制了一種矩形截面的梳齒狀結構靜電式能量采集器，通過改變極板間的間距改變電容,其結構示意圖如圖4所示。該器件能產生距中心頻率30 %的高的半功率帶寬，當振動頻率和加速度分為為150 BZ和1gn的條件下，輸出功率為2.2 μW。另外，Renaud M等人[12]研制出了一種用于胎壓監(jiān)測的變面積式的能量采集器，該器件的一個電極表面凹凸不平，利用狹谷效應使之具有好的機電線性。在與輪胎內振動相似的環(huán)境中測試時，該器件能產生10～50 μW的功率輸出。

圖4 梳齒狀靜電式振動能量采集結構示意圖Fig 4 Diagram of comb shape electrostatic vibration energy harvesting structure

2 寬頻帶振動能量收集結構

上述的單諧振頻率振動能量收集結構的工作的頻率范圍比較小，以單懸臂梁結構為例，其頻帶寬度為2ξωn(ξ為能量收集結構的阻尼比，ωn為結構振動的固有頻率)，當工作在十幾赫茲的振動頻率下，阻尼比為0.025時，其頻帶寬度不到1 BZ[13]。而實際環(huán)境中的振動頻率一般在一個范圍內，若采用上述單頻率的振動能量收集結構工作，則能量收集的效率就比較低。因此，就需要拓寬能量采集結構的頻帶寬度，使其能夠收集更多振動頻率下的能量。

2.1 寬頻帶壓電式振動能量收集結構

在拓寬頻帶寬度方面，壓電式振動能量收集結構有許多研究。Shahruz S M等人[14]設計了一系列固有頻率相近的懸臂梁結構，將它們進行組合，研究了單懸臂梁陣列式能量收集結構的頻率響應問題。這樣即使環(huán)境中振源振動的頻率不斷變化，也總會有某些單懸臂梁處在工作狀態(tài)。

Erturk A等人[15]研究了一種L型懸臂梁結構，其結構如圖5所示。該結構與傳統(tǒng)的懸臂梁相比，將結構的一階和二階固有頻率之間相差的倍數(shù)從6倍降低到1倍，其振幅有時甚至比直線型懸臂梁還要大，輸出電能更大。他們設計的懸臂梁的一階和二階固有頻率分別為23.8，46.5 BZ(開路時)。

圖5 L型懸臂梁結構示意圖Fig 5 Diagram of L shape cantilever structure

2.2 寬頻帶電磁式振動能量收集結構

單諧振頻率能量收集結構是直線共振結構，僅工作在其共振頻率下，能量收集效率不高，與之相比，非共振型能量采集結構更適用于寬頻帶的外界振動能量的采集。而純轉動型能量采集器，往往需要連續(xù)的推動力運轉，不適合用于自然界振動的能量收集。混合型非共振轉動型能量收集器結合了兩者的特點，通過非平衡轉子將直線振動轉化為永磁體的轉動實現(xiàn)能量收集。其結構原理如圖6所示。

圖6 混合型電磁式振動能量采集結構示意圖Fig 6 Hybrid electromagnetic vibration energy harvesting structure

Lu C H等人[16]根據(jù)呼啦圈的工作原理研制出了一種轉動型能量收集器。該收集器由線圈定子、非平衡永磁體轉子和中間的轉軸組成。外界的直線振動轉化為非平衡永磁體轉子的轉動，通過電磁感應定律收集能量。

靜電式振動能量采集器由于需要接入外部電源作為啟動電壓，限制了其應用，目前研究較少，在拓寬頻帶寬度和調節(jié)頻率方面的研究更是很少見，本文就不再敘述。

3 頻率可調式振動能量收集結構

由于外界環(huán)境中振源的振動頻率不是固定不變的，這就需要調節(jié)振動能量收集器的固定頻率，以適應外界環(huán)境的變化。

3.1 頻率可調壓電式振動能量收集器

可以通過調節(jié)振動結構的動力學特性來改變結構振動的固有頻率，壓電式能量收集器的具體調節(jié)方式有改變彈性體的彈性系數(shù)，調節(jié)質量塊的位置等。Calla V R等人[17]提出了一種共振頻率可調的能量收集器，其結構如圖7所示。

圖7 頻率可調節(jié)的能量收集器結構示意圖Fig 7 Structure diagram of frequency tunable energy harvester

該結構在懸臂梁末端設置四塊永磁體，通過改變上下永磁體的距離來改變結構的共振頻率。Calla V R通過實驗研究了一共振頻率為26 BZ的壓電懸臂梁，在上下永磁體的作用下，頻率可調范圍為22～32 BZ。Wu X M等人[18]提出一種通過調整懸臂梁上的質量塊的位置來實現(xiàn)共振頻率調節(jié)的振動能量收集器，實驗結果表明，通過調節(jié)質量塊的位置，該能量收集器的共振頻率的范圍為130～180 BZ。

3.2 頻率可調電磁式振動能量收集器

Liu H C等人[19]設計一種面內近似非線性電磁式振動能量采集結構。該結構由一個MEMS能量采集芯片和一個圓柱形永磁體構成。芯片上集成了1個大的彈簧—質量塊系統(tǒng)和4個小的彈簧—質量塊系統(tǒng)，如圖8所示，其中質量塊上集成有線圈。小的彈簧—質量塊系統(tǒng)作為大的彈簧—質量塊系統(tǒng)的驅動力，使之發(fā)生非線性振動。非線性振動中彈簧剛度隨形變大小而變化，因而，系統(tǒng)的固有頻率也隨振動幅度大小而變化。

圖8 MEMS能量采集芯片示意圖Fig 8 Diagram of MEMS energy harvesting chip

4 不同頻帶寬度的能量收集結構的比較

對三種不同換能方式的結構的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 三種能量采集器的對比Tab 1 Comparison of three kinds of energy harvester

5 結束語

振動能量采集器在低功耗電子器件領域展現(xiàn)著巨大的潛能，與其他微能源相比具有壽命長、體積小、無污染等優(yōu)勢。振動能量采集器的發(fā)展方向有兩個方面：一方面，對單諧振頻率能量收集器的結構和參數(shù)進行優(yōu)化設計，提高其各項性能指標，從而使其更快地得到實際應用；另一方面，完善和改進能量收集器的基礎原理和仿真模型，拓寬頻帶寬度，使其能夠應用于更寬的頻率范圍內。綜合全文所述，可以通過以下三種方式來拓寬能量采集器的頻帶寬度：1)增加結構的諧振頻率的數(shù)量；2)縮小結構的一階、二階固有頻率之間相差的倍數(shù)；3)利用非線性振動。

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方玉明，通訊作者,E—mail：fangym@njupt.edu.cn。

Research progress of vibration energy harvesters with different bandwidth*

WANG Xiao-li， FANG Yu-ming， DING Li-qun， YANG Meng-yuan, NIU Fei， DENG Li-cheng

(College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China )

Vibration energy harvester is widely used in power supply of micro-electro-mechanical system(MEMS)devices because of characteristics of small size,long lifetime and high energy density.Three types of vibration energy harvesters with different bandwidth,which are single resonant frequency,wide frequency,and frequency tunable type,are introduced from the aspect of frequency,and advantages,disadvantages,currently situation at home and abroad and future development trends of these structures are systematically introduced.The single resonant frequency energy harvesting structure is the simplest among them and has relatively mature technology,which has been researched for a long time.While broadband structure and frequency tunable structure have become hot topics of research because they are more suitable for external environmental vibration condition.

vibration energy harvester; single resonant frequency; broadband type; frequency tunable type

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0005—04

2015—09—10

江蘇省自然科學基金資助項目(BK20131380)；南京郵電大學大學生創(chuàng)新訓練計劃資助項目(XYB2015519，XZD2015025)；江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室項目

TM 919

A

1000—9787(2016)07—0005—04

王小麗(1990-)，女，安徽阜陽人，碩士研究生，主要研究方向為微機電系統(tǒng)、振動能量采集。