磁懸浮式雙自由度軌道車輛軸箱振動能量采集器研究

李哲輝　袁天辰　楊儉　宋瑞剛

摘要： 提出了一種適合采集軌道車輛軸箱振動能量的磁懸浮式雙自由度振動能量采集器。基于單自由度磁懸浮振動能量采集器的基本原理，設計磁懸浮式雙自由度振動能量采集器的基本構型。利用磁偶極子模型，推導了圓柱磁鐵的磁力方程，建立了磁懸浮式雙自由度能量采集系統的動力學方程。考慮到系統具有的強非線性特點，利用龍格?庫塔方法，得到了系統的幅頻響應曲線。根據軌道車輛軸箱實測時間歷程和頻率分布特點，設計了磁懸浮式雙自由度振動能量采集器的核心參數。對比分析單自由度振動能量采集器和雙自由度振動能量采集器的頻率響應特性。研究結果表明：非線性雙自由度振動能量采集器可以有效拓寬俘能裝置的工作帶寬，進而提高能量采集功率。在簡諧振動激勵下，雙自由度振動能量采集器比單自由度振動能量采集器的輸出功率增加了約1.1倍，且工作帶寬可以拓寬約2.7倍;在實測的軌道車輛軸箱振動激勵下，雙自由度振動能量采集器在一站間可采集到31.5 mJ能量，峰值感應電流為14.6 mA，峰值輸出功率為9.4 mW。

關鍵詞：?能量采集器;?磁懸浮式;?雙自由度;?軸箱;?龍格?庫塔法

中圖分類號： TN752;U270.11;TM919 ?文獻標志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0397-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.015

引??言

軌道車輛軸箱上有諸多傳感器件（如速度傳感器、溫度傳感器等），隨著微型傳感器技術的日趨成熟，傳感器產品正在不斷地趨向于模塊化和微型化。傳統電池具有尺寸大、需定時更換或充電、對使用環境要求高且污染環境等缺點，已經難以滿足長壽命無線傳感網絡節點等對電源的要求。所以新型電源的探索迫在眉睫，研究一種可持續、高效率和高可靠性的環境能量采集方法是實現傳感器自供能的核心關鍵問題。

近年來，利用振動俘能技術從周圍環境（如風能、熱能和振動等）獲取能量成為新能源領域的熱點。本文提出使用軌道車輛軸箱自身環境激勵的振動能量作為新型能源來為傳感器供電，減小傳感器對外電源的依賴。進而，軌道車輛軸箱振動能量既能為傳感器提供可靠的電源，又能為車輛整車輔助供電系統減輕負擔。

軌道車輛振動能量采集器目前主要有壓電式和電磁式兩種。壓電式振動能量采集器的工作原理是通過各類壓電材料的壓電效應將外界機械振動能量轉化為電能，壓電式振動能量采集器的整體性能和使用壽命受制于壓電材料的電能轉化效率和疲勞性能;電磁式振動能量采集器的工作原理是利用法拉第電磁感應定律將外界機械振動能量轉化為電能，電磁式振動能量采集器具有結構簡單、不需要額外驅動電源與功能材料、輸出電流大等優點，而且其能在低頻振動環境中有較好的輸出性能表現。電磁式振動能量采集器通常采用彈簧?質量塊系統作為拾振器件實現振動耦合，利用永磁體和線圈的相對運動實現磁電耦合。

國內外許多研究人員都提出了不同類型的電磁式振動能量采集器。Sardini等提出一個由兩塊永磁體及一個平面線圈組成的能量采集器，兩塊永磁體分居平面線圈兩側，通過使用磁環加磁片代替永磁體的形式有效加強了線圈附近的磁場強度，使得線圈內磁通量變化更大。TANG等設計了一種磁電懸臂梁能量采集器，在1激勵下，其諧振頻率為20 Hz，峰值輸出功率達到24.56 μW，平均輸出功率為3.6 μW。Anjum等加工制造了一種由一個運動磁鐵、四組感應線圈、兩個橡膠彈簧和空氣氣隙組成的能量采集器，該裝置在頻率為20 Hz、激勵為3作用下，峰值輸出功率可達到1.89 mW，且工作帶寬可達到70 Hz。

早期的振動能量采集系統的研究主要基于線性振動理論。線性能量采集系統只在諧振頻率點附近具有良好的能量采集效果，很難適用于環境振動的寬頻特性。為了拓寬可應用的工作頻帶，能量采集裝置設計中越來越多地開始關注非線性因素。許多學者致力于利用非線性來拓寬響應頻帶和提升輸出功率。王祖堯通過在懸浮磁體上添加線性彈簧振子，增加了系統自由度數，擴大了磁力懸浮非線性能量采集器的有效工作帶寬。聶新民研究了一種把永磁體間磁力等效為彈簧彈力的懸浮式振動能量采集器，該系統主要由四塊永磁體和感應線圈組成，利用磁體之間的排斥力使中間磁體懸浮，當采集器受到外界的環境激勵時，中間磁體上下振動，感應線圈切割磁感線產生電壓。

基于上述研究，本文提出磁懸浮式雙自由度軌道車輛軸箱振動能量采集器，建立該采集器的數學模型，利用龍格?庫塔算法對其動力學模型進行數值分析計算，得到該振動能量采集器在簡諧振動激勵及實測軌道車輛軸箱振動激勵下的響應特性，并將其與磁懸浮式單自由度振動能量采集器進行對比，從理論方面研究雙自由度特性和非線性對俘能器輸出性能的影響規律。該理論研究對軌道車輛軸箱振動能量采集及對今后無線軸溫技術提供可靠電源等方面具有重要的實際意義。