懸臂梁式MSMA振動換能器的設計與研究

王路平，楊 靜，高云紅，呂俊伯

(沈陽航空航天大學工程訓練中心，遼寧 沈陽 110136)

1 引言

隨著電子工業的產業升級，微傳感器、微執行器和可攜帶電子器件等微型系統的應用范圍不斷擴大，該領域已廣泛滲透到軍事、醫用、社會生產、生活等方面，特別在設備監控、環境檢測及野外、高空等惡劣、狹小環境下的監控系統等方面得到了廣泛應用[1]，而在發展的同時也面臨著制約發展的最大問題，其在于為微電子產品提供電力的微型能源還沒有良好的解決方案[2]。因此，研究人員開始思考將外界振動能量轉化為電能，從而實現傳感器的自供電[3-7]。

Kangqi Fan等人提出自由端帶有塊式制動器的單穩態壓電陶瓷懸臂梁式振動能量轉換供電系統[8]，加速度為0.15g時，最大輸出功率約為0.055mW。 Y W PARK等結合 Galfenol磁致伸縮材料的高磁致伸縮性、較為理想的機械性能等特性[9]，材料兩端分別放有永磁體，旋轉永磁體陣列與材料一端永磁體靠近，當轉速為 300 r/min，輸出電壓最高可達0.5V。赫爾辛基工業大學的Niskanen等人利用MSMA的材料特性，提出了一種基于MSMA的振動能量轉換供電系統[10]，該系統適用于小于 100Hz 的低頻環境，當振動頻率為45Hz時輸出功率為20mW。O Heczko等人對MSMA特性進行了初步研究[11]，馬里蘭大學的R.C.O′Handley等發現在施加外力狀態下，Ni2MnGa單晶體在外加磁場下能夠產生4.3%的室溫磁感應形變和5.7%的剪切應變[12]。MSMA材料性能在最高響應頻率以及最大磁致形變率方面都明顯優于壓電陶瓷、磁致伸縮等材料。通過維拉利效應，可以實現對振動機械能到電能的轉化，實現振動能量的采集，為振動能量轉換供電技術提供了新的有效途徑。

本文在對MSMA形變機理和維拉利效應研究基礎上，設計了一種新型懸臂梁式MSMA振動換能器，介紹了該換能器的工作原理，建立振動換能器數學模型，提出實驗樣機結構設計方案，利用ANSYS Maxwell有限元軟件對換能器進行仿真分析，為振動換能器的整體優化提供依據。搭建了系統實驗測試平臺，實驗結果驗證了該換能系統的可行性，并具有較好的采集效率和輸出性能。

2 工作原理

能量轉換部分的核心在于利用了MSMA材料的維拉利效應實現形變-磁化強度的轉換過程。當MSMA材料在一定的溫度和磁感應強度的情況下，由于形變產生的材料本身磁化強度發生變化時，使得在磁路上的磁感應強度發生改變。磁感應強度的變化引起了磁通量的變化。由電磁感應定律可知，磁通量的變化產生了感應電動勢。MSMA振動換能器工作原理如圖1所示。

圖1 MSMA振動換能器工作原理圖

3 懸臂梁式MSMA振動換能器的設計

3.1 MSMA振動換能器結構設計

根據MSMA的變形機理和換能器的工作原理，MSMA換能器結構要滿足以下條件：

1)保證具有一定磁感應強度的恒定偏置磁場施加到MSMA材料兩側；

2)需要設計合理的施加應力方式，保證MSMA材料產生較大的形變和變形恢復；

3)保證穩定的電壓輸出。

MSMA振動換能器裝置示意圖如圖2所示。為了防止振動源直接作用于MSMA，外部增加一個懸臂梁式力放大器，將外界的振動激勵經過懸臂梁的放大后施加在擊錘上，再用擊錘將力傳遞到MSMA材料上。如圖3所示為懸臂梁式力放大器振動示意圖。懸臂梁式力放大器主要由可調長度的梁主體、梁前方的質量塊、梁底座組成。當底座振動時，由于質量塊存在慣性，梁主體受迫產生彈性形變。將懸臂梁式力放大器與能量轉換部分結合，所產生的電能接入換能器電源管理電路，即構成了本設計的樣機總體。

圖2 MSMA振動換能器裝置示意圖

圖3 懸臂梁式力放大器振動示意圖

3.2 MSMA振動換能器磁路設計

已知磁導率μ、磁場強度H、磁化強度M與磁感應強度B的關系為

B=μ(H+M)

(1)

磁場強度H與距離Le之間的關系為

(2)

磁路由永磁體、納米晶導體材料、MSMA材料以及周圍空氣構成，為MSMA材料提供偏置磁場。其中的納米晶導磁材料是一種新型的導磁材料。納米晶導磁材料的相對磁導率為80000-400000。采用納米晶導磁材料可以提高作用于MSMA材料的磁感應強度，提高換能器的輸出功率。

利用ANSYS Maxwell軟件對傳統的磁路進行仿真如圖4所示，對新型結構磁路仿真如圖5所示，將MSMA材料緊貼在磁鐵上，只在一側的磁路上纏繞線圈，仿真發現MSMA材料可以處在將近1T的磁感應強度。磁場強度不僅確保了MSMA材料形變量的最大化，也能保證MSMA具有較好的響應速度，該結構滿足MSMA材料對磁場的要求。

圖4 傳統的磁路仿真

圖5 新型結構磁路仿真

3.3 MSMA振動換能器數學模型

為了研究MSMA阻尼特性數學模型，采用單自由度的振動系統來簡化分析模型。“彈簧-質量塊-阻尼”系統的物理模型如圖6所示。

圖6 “彈簧-質量塊-阻尼”系統物理模型示意圖

在外力、磁場、溫度等外部條件不改變的情況下建立MSMA合金阻尼特性模型

(3)

其中，m為材料本身的質量，ω為針對材料施加的外界的交變應力的頻率，k為材料的彈性系數，z為應力施加在材料上所產生的位移，c為阻尼系數。

結合運動學中瞬時功率公式P=Fv可推導出

(4)

MSMA材料形變為

(5)

(6)

根據自感發電的基本公式

(7)

根據電壓計算功率的公式為

(8)

MSMA材料形變與磁化強度M呈線性關系為M=σCMSMA，由式(12)(13)(14)得

(9)

選取l=0.07m時，σ≈0.71，得出當n=4時固有頻率約為125.38Hz，換能器功率P換能器約為144μW。

4 樣機制作

利用Solidworks三維機械制圖軟件設計的懸臂梁式MSMA振動換能器示意圖如圖7所示。MSMA振動換能器的外形尺寸為162*78*35mm，基本結構包括：懸臂梁式力放大器(包括懸臂支架以及梁本身)、銣鐵硼磁鐵、納米晶導磁體、線圈、擊錘、發電機外殼以及MSMA材料。

該裝置的磁路由永磁體、納米晶導體材料、MSMA材料以及周圍空氣構成，為MSMA材料提供偏置磁場，導磁單元如圖8所示，樣機整體實物圖如圖9所示。

圖7 懸臂梁式MSMA振動換能器示意圖

圖8 導磁單元

圖9 樣機整體實物圖

5 實驗測試結果及分析

為驗證振動換能器采集電能效果，搭建實驗測試平臺，激振器模擬外界振動信號，將信號發生器輸出信號作用于振動換能器上，觀察其在不同應力、頻率作用下的輸出感應電壓情況。在實驗中發現，當振動源頻率較低時，如圖10所示，輸出電壓波形不連續，不利于能量采集。當振動頻率較高并接近固有頻率時，輸出電壓波形連續、效果較好，為了保證樣機的正常運行，需使振動源頻率保持在100Hz以上。因此該樣機適用于100Hz以上的振動換能。啟動振動臺并施加100Hz的振動信號(n=4時固有頻率約為125.376Hz)，如圖11所示，振動臺振動頻率為100Hz時的實物測試。當振動信號頻率為100Hz時接近固有頻率，產生共振，此時換能器獲得較好效果，依據實驗數據進行計算可知振動換能器輸出功率約為125μW。

圖10 振動臺振動頻率為20Hz時實物測試

圖11 振動臺振動頻率為100Hz時實物測試

6 結論

本文分析了磁控形狀記憶合金振動換能器工作原理，設計了一種懸臂梁式MSMA振動換能器，提出一種新型磁路結構，利用ANSYS Maxwell軟件對磁場進行仿真分析，結果表明MSMA材料周圍磁感應強度大幅度提高，驗證了系統中的磁感應強度滿足MSMA材料的形變要求。優化了懸臂梁和施加磁場結構，改善了振動換能器系統的施壓裝置，建立MSMA振動換能器數學模型，依據分析結果，設計制造了MSMA振動換能器樣機，搭建實驗測試平臺并進行了實驗驗證。通過理論分析和仿真驗證了設計方案的可行性，結果表明，在施加頻率為100Hz左右情況下，能達到較好輸出效果，此時換能器輸出功率約為125μW。該裝置是一種新型節能電力設備，有很好的發展前景。