利用斜齒離合升頻機制實現瓦級輸出的超低頻電磁式振動能量收集器1)

毛新輝 張繼元 齊 歡 邱長泉 申維和 田建國* 汪 飛?, 陶 凱,3)

* (西北工業大學深圳研究院,廣東深圳 518063)

? (西北工業大學機電學院,西安 710072)

** (中國運載火箭技術研究院,北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

?? (中國運載火箭技術研究院,空間物理重點實驗室,北京 100076)

*** (上海航天控制技術研究所,上海 201109)

??? (南方科技大學深港微電子學院,廣東深圳 518055)

引言

隨著物聯網、人工智能和可穿戴電子設備的快速發展,數十億小型化、便攜化、分布式傳感器對電力供應的巨大需求隨之而來[1-3].低功耗微電子技術進一步使可穿戴電子設備向著小型化、便捷化和集成化方向發展[4-7].然而,可穿戴電子設備主要依靠傳統的鋰電池和化學電池供電,存在能量密度有限、充電不規律、更換頻繁、集成難度大和環境污染風險高等種種缺陷[8-9].由于人體含有多種可持續的、可再生的生物力學能量,從人體及其周圍環境中獲取能量為可穿戴電子設備供電被廣泛認為是替代傳統電池的理想解決方案[10-12].壓電效應[13-15]、電磁感應效應[16-18]、靜電感應效應[19-21]和摩擦電效應[22-26]等不同機理的發電機在能量收集應用中發揮著至關重要的作用.其中,摩擦電發電機和靜電發電機通常被用于從風[27]、水[28]、機械振動[29]和人體運動[30]中獲取能量,具有成本低[31]、重量輕[32]和低頻運動下能量轉換效率高[33]、材料和結構選擇多樣性[34]等優點,但因其輸出功率低而在實際應用層面受限;近年來各類壓電俘能器件層出不迭,但是壓電器件也面臨一些難以解決的問題,如壓電陶瓷高頻加載易碎,無法高效地收集微小激勵下的振動能量、輸出功率不高等;電磁感應發電是目前應用廣泛且較為成熟的發電技術,具有高功率輸出,被廣泛應用于能量收集領域.

然而,來自周圍環境和人類的機械動能通常具有低頻和不規則的特點[35],這極大地限制了其適用條件和能量收集效率的提升[36].最近,研究人員已經開發了許多從低頻和不規則激勵中收集能量的方法,包括共振運動[37]、升級結構[38]和多向能量收集結構[39].郭紀元等[40]提出一種線繩驅動的電磁式俘能器,俘能器中的繩索結構能夠將外界振動轉化為雙向旋轉運動,再通過柔性撥片將雙向旋轉運動轉化為轉速更高的單向旋轉運動,一定程度上提升了運動頻率與輸出功率.鄒鴻翔等[41]提出了一種用于單向車道的抗沖擊車路能量收集減速帶,采用電磁式俘能機理,包含滾壓板、齒輪組、棘輪、棘爪和永磁體工作盤等結構,可以有效吸收車輛的沖擊能量并延長減速帶壽命,有效地將外界沖擊激勵轉化為永磁體工作盤的高速單向旋轉運動,顯著提升了輸出功率.Zhao 等[42]提出一種機械智能波浪能俘獲系統,耦合了摩擦納米發電與電磁感應發電,裝置中的重力驅動滾柱和仿蹺蹺板結構對低頻和不規則激勵敏感,可以將其雙向擺動轉換為永磁盤的高速單向旋轉,提高了機電轉換效率.一些研究人員采用飛輪將沖程轉換為持久的旋轉[43],但在俘能器的小型化和應用方面仍存在一些挑戰.因此,迫切需要一種高效可靠的轉換系統,將低頻、不規則能量提取并存儲,轉化為旋轉機械能,產生連續、穩定和高效的輸出.

為了進一步提升俘能器在外界低頻激勵下的頻率轉換與輸出表現,本文提出的俘能器機械傳動機構由直線-旋轉轉化模塊、牙嵌離合模塊和能量存儲/釋放模塊組成.利用3 種模塊的耦合作用,俘能器可以收集低頻、不規則的能量,并產生連續、穩定和高效的輸出.設計兼顧升頻與運動轉換,通過巧妙且全新的機械調制結構,將輸入能量較好地與電磁相耦合,實現了機電能量耦合輸出,大幅提升了能量轉換效率.可從外界低頻不規則激勵中收集能量.在應用層面,本文提出的俘能器已成功放置于鞋子中,用于人體行走、跑步等不同步態下的能量收集.本研究為振動俘能器在可穿戴設備中的實際應用提供了一種可行的技術支持.

1 結構設計與機電耦合轉換機理

1.1 結構設計

俘能器的整體結構如圖1(a)所示,包含輸入轉換結構與輸出轉換結構兩部分.輸入轉換結構由螺旋桿、牙嵌離合器、飛輪及復位彈簧組成.輸出轉換結構由永磁鐵陣列與上下線圈陣列組成.俘能器的剖視圖如圖1(b)所示,套筒復位彈簧通過內部點狀凸起設計與錐形環一同卡在套筒內部,由于錐形環在豎直方向不會產生位移,當套筒產生向下位移便會擠壓套筒復位彈簧,隨后在復位彈簧的彈力作用下實現復位;螺旋桿與軸通過自攻螺釘連接,當外力撤去,處于擠壓狀態下的螺旋桿復位彈簧的彈力作用使螺旋桿向上位移,自攻螺釘的設計限制了螺旋桿的最高位置從而保證螺旋桿不會被復位彈簧彈出而掉落.

圖1 總體設計Fig.1 Overall design

圖1(c)為俘能器爆炸示意圖,俘能器整體自上而下由頂蓋、螺旋桿及其復位彈簧、套筒及其復位彈簧、兩層發電單元(單層永磁體陣列以及兩層銅線圈)、錐形環、飛輪、滾動軸承和底座等零部件組成.整個結構以軸為中心,軸與軸承間過盈配合,保證了軸與底板間的垂直度.軸承的外環與飛輪過盈配合,保證了飛輪與底板間的平行度.飛輪外圍有8 個圓周分布的通孔,用以布置交替磁極.飛輪內側由齒組成,齒數與牙嵌離合器齒數相當,用于傳遞驅動力矩.上下兩組線圈陣列分別由線圈支撐環及底板外殼容納,線圈與交替磁極處于統一圓周曲面,保證穿過線圈的磁通量為最大值.同時上下兩組線圈保持統一相位,保證輸出疊加的倍增效應.

1.2 工作原理

俘能器的運動原理如圖2 所示: 當螺旋桿接收到來自于外界豎直方向的激勵時(狀態Ⅰ),直線-旋轉轉化模塊被激活,外力施加于螺旋桿上,螺旋桿受到的外力大于復位彈簧的彈力,沿軸向向下平移,在螺旋面的摩擦力作用下,套筒旋轉向下運動,將線性運動轉化為旋轉運動,套筒因旋轉運動而具有扭矩;由于此時套筒受到的軸向力大于套筒復位彈簧的彈力,此時牙嵌離合模塊被激活,套筒上的齒形結構與飛輪上的齒形槽嚙合(狀態Ⅱ),同時套筒將自身的扭矩傳遞給飛輪,激活能量存儲/釋放模塊,飛輪本身能夠瞬時存儲能量并將其轉化為逆時針旋轉運動(狀態Ⅲ),當施加于螺旋桿上的外力撤去,螺旋桿受到其復位彈簧的彈力而回升,齒形離合器分離,同時彈簧復位(狀態Ⅳ),螺旋桿上升到原位置,飛輪由于慣性作用,將產生持續的旋轉運動直至將存儲的能量全部耗盡.在飛輪上極性相反的交替磁極陣列轉動時,其上下表面附近的磁通量也發生高頻改變.因而安置在飛輪上下表面附近的線圈中磁通量會快速變化.根據法拉第電磁感應定律,在線圈中會產生由交變磁場帶來的輸出電流.通過機械結構的調制輸出,將單次振動沖擊轉換為飛輪的高頻旋轉,進而輸出電能.

圖2 工作原理Fig.2 Working principle

1.3 機電耦合動力學模型

俘能器在受振動沖擊激勵時,整個理論模型建立分為兩個階段,即圖2 所示螺旋桿驅動階段(狀態Ⅰ/Ⅱ)和飛輪驅動階段(狀態Ⅲ/Ⅳ).下面將從這兩個階段建立動力學模型.

在螺旋桿驅動階段,受力情況如圖3 所示.在振動沖擊激勵的作用下螺旋桿向下運動,在螺旋桿的螺旋導軌的約束以及導軌表面的摩擦力作用下,套筒產生旋轉運動同時向下位移一段距離.螺旋桿遵守的拉格朗日方程為

圖3 受力分析Fig.3 Force analysis

其中,F為振動沖擊載荷,k1為套筒復位彈簧勁度系數,k2為螺旋桿復位彈簧勁度系數,z為螺旋桿的線數(頭數),fr為螺旋桿單線螺紋所受摩擦力,fN為螺旋桿單線螺紋所受法向力,φ為螺旋桿升角,m為螺旋桿質量,x為螺旋桿振動幅值.

在螺旋桿向下旋轉運動的同時,套筒在螺旋桿摩擦力的帶動下作旋轉運動,此時,套筒的動力學控制方程為

其中,d為套筒直徑,JR為套筒轉動慣量,θ為套筒旋轉轉角.

同時,fr與fN計算公式為

此時,加速度與角加速度間存在以下關系

代入式(1)～式(4)可得

在飛輪驅動階段(Ⅲ,Ⅳ),套筒與飛輪嚙合時間為t0.在該段時間內飛輪處于驅動階段,其受力旋轉的角度近似等于套筒的旋轉角度θ.因此,可以計算得到飛輪在驅動瞬間之前的轉角為

由于嚙合時間t0與彈簧材質相關,且t0值約為0.05 s.此處θ可近似為

此時,飛輪輸入能量轉換方程如下

其中,JF為飛輪轉動慣量,求得飛輪驅動階段開始轉動瞬間的最大角速度ωmax

此時,電路中的感應電動勢E可由法拉第電磁感應定律求得

其中,B為磁感應強度,S為線圈有效面積,N為線圈匝數.

線圈中的電流大小為

其中,RC為線圈總阻值,RL為外接負載阻值.

其中,n為磁鐵陣列數,在求解得到電動勢E后,代入式(12)即可得到平均輸出功率Paverage.

2 實驗樣機及平臺

如圖4(a)所示,俘能器樣機主要包括機械傳動系統和兩層發電模塊.機械傳動系統由直線-旋轉轉化模塊、牙嵌離合模塊和能量存儲/釋放模塊組成.發電單元由兩層同軸同相布置的線圈定子層和永磁鐵轉子層組成.

圖4 樣機結構及實驗平臺Fig.4 Prototype structure and experimental platform

俘能器的主體零部件均采用3D 打印技術制備,材料為光敏樹脂.在組裝過程中,轉子層的8 個永磁體采取磁性反轉交替的放置方式,這樣做能夠增大旋轉過程中每個線圈的磁通量變化進而增大發電量.俘能器的主要設計參數如表1 所示.

為了測試輸入頻率與輸出性能間的關系,搭建了振動激勵測試實驗平臺,為俘能器提供超低頻激勵源,如圖4(b)所示.整個實驗平臺由曲柄搖桿結構、伺服電機、數據采集設備、電阻箱及計算機組成.利用伺服電機控制曲柄搖桿機構在水平/豎直方向作往復運動,進而驅動俘能器,進行能量轉換.通過調節伺服電機中的電壓信號大小,進一步調節曲柄搖桿結構的擺動速率,進而調整俘能器受激勵的頻率.在俘能器輸出端外接電阻箱的情況下,利用數據采集設備測量負載兩端電壓信號用以表征俘能器的電學輸出.

本實驗中的數據采集設備為NI 公司的NI USB-6289 數據采集卡,經過電腦端上位機軟件NI Signal Express 實現數據讀取與存儲.

3 性能表征

3.1 電學輸出

在搭建好圖4(b)所示的實驗平臺后,進行實驗測試.圖5(a)和圖5(b)分別展示了在開路狀態下上、下兩層發電模塊開路電壓的輸出情況,俘能器可產生長達30 s 的電學輸出,最大開路電壓為13 V.由于兩層線圈與磁鐵之間的間距控制得較為精準,所以上下層線圈的開路電壓具有高度相似的波形.接入250 Ω 的外部負載后,測試得到單層發電模塊輸出電壓如圖5(c)所示,負載兩端峰值電壓達到了5.5 V,通過積分計算得到單層發電模塊的平均功率約為67 mW.

圖5 電學測試Fig.5 Electrical test

同時進行阻抗匹配測試,如圖5(d)所示.上層與下層發電模塊的輸出性能幾乎保持一致,在外接負載為20 Ω 的情況下,峰值功率約為1.25 W;將兩層發電模塊進行并聯輸出,在外接負載為10 Ω 的情況下,峰值功率約為2.5 W.可見,將兩層并聯輸出,峰值功率實現倍增.

將單層發電模塊對470 μF 的電容進行充電測試,如圖5(e)所示,在5 s 的時間內對俘能器激勵4 次,即可將電容充電至7 V,展現了其良好的供電能力.

此外,將理論計算與實際測量得到的結果進行了對比分析,如圖6 所示.圖6(a)展示了不同沖擊載荷下,依照機電耦合動力學模型得出的飛輪最大轉速的理論值以及實驗測得的最大轉速的對比,可以看到在沖擊載荷達到30 N 后,理論值呈線性關系繼續增大,而實驗測得的最大轉速保持不變,穩定在157 rad/s 左右,其原因在于飛輪與套筒之間的能量是通過極短時間的沖量傳遞的,當沖擊載荷超過臨界載荷時,飛輪和套筒之間的作用力雖然仍在變大,但是由于套筒復位彈簧給予的反作用力使得飛輪和套筒在嚙合的瞬間便使二者分離,套筒傳遞給飛輪扭矩的時間不發生變化,從而影響了飛輪與套筒之間的能量傳遞,限制飛輪最大轉速的繼續增大.圖6(b)展示了在不同沖擊載荷下最大感應電動勢的變化情況,由于最大感應電動勢與飛輪最大轉速呈線性關系,其呈現出與飛輪最大轉速相同類型的變化趨勢,即達到30 N 以后,由于飛輪轉速不再繼續增大,因而最大感應電動勢保持在13.4 V 左右.

圖6 理論計算與實際測量Fig.6 Theoretical calculation and practical measurement

3.2 機械升頻

3 種模塊的集成使俘能器具有許多優異的特性,如低頻直線運動到高頻旋轉運動、瞬時激勵到持久輸出的轉換,以及在多次激勵下實現不間斷的連續加速運動.圖7(a)展示了俘能器被充分激勵時負載兩端的電壓波形.在外接負載的情況下,俘能器受到激勵的瞬間由于存在電磁阻尼,俘能器可產生7 s 的電學輸出,負載兩端產生的最大電壓為5.5 V.通過對輸出電壓波形的處理可知,轉子旋轉一圈的周期約為0.08 s,產生4 個完整的正弦波,因此計算出俘能器在接收外界激勵時可以達到750 r/min 的瞬時最大轉速.

圖7 俘能器在不同類型激勵下的輸出表現Fig.7 Output performance of the VEH under different types of excitation

圖7(b)展示了對俘能器施加頻率為0.17 Hz 的超低頻激勵和對應的輸出電壓波形.從圖7(b)可以看出,每間隔6 s 對俘能器施加約60 N 的沖擊力作為激勵,發電機的最大輸出頻率可達50 Hz,輸出相較于輸入的頻率提升了290 倍.因此,俘能器實現了從低頻到高頻的轉換,為從環境中收集超低頻能量提供了可靠的途徑.

圖7(c)展示了對俘能器施加頻率為2 Hz 的低頻激勵和對應的輸出電壓波形,可以看出俘能器在工作過程中可以多次加速并保持較高轉速(約750 r/min)和持續的高密度輸出電壓.

綜上所述,俘能器對不同頻率的激勵具有良好的適應性,為從復雜環境中收集低頻能量提供了有效的解決方案.

3.3 應用評估

俘能器可以將超低頻不規則激勵(<0.2 Hz)轉化為發電模塊的高速持久旋轉運動,從而產生連續、穩定和高效的電力輸出.如圖8(a)所示,在單次激勵下可以輕松點亮“MEMS”燈帶,同時也可將俘能器陣列輸出,用于對手機的充電.

圖8 應用演示Fig.8 Demonstration of applications

如圖8(b)所示,將俘能器放置在鞋中,通過模擬行走過程給予俘能器低頻激勵,并測試了不同運動狀態下的輸出電壓.

如圖8(c)所示,為了進一步驗證俘能器在商用電子產品領域的應用能力,我們將俘能器豎直放入曲柄搖桿機構當中,模擬人體疾走狀態下對于俘能器的沖擊實驗,設置約為2 Hz 的豎直方向激勵,將輸出的交流電先通過整流電路得到直流電輸出,再通過開關型升降壓電源模塊,對電容進行充電.實驗結果表明,俘能器可在400 s 內將1 F 的超級電容充電至1 V;在這個過程中共收集到有效能量約為0.5 J,可推算得知其可在2 h 內為華為Freebuds Pro TWS 耳機提供2%以上的電量,表明其在自供能可穿戴設備領域具備一定的應用潛力.

4 結論

本文提出了一種基于斜齒離合機制的電磁式振動能量采集器,包含直線-旋轉轉換模塊、牙嵌離合模塊與能量存儲/釋放模塊,可有效地將豎直方向的低頻激勵轉化為高速的單向旋轉運動,對俘能器建立了機電耦合動力學模型,同時搭建了實驗測試平臺并制作了俘能器實物樣機進行性能測試與分析,得到主要結論如下.

(1)俘能器的單層峰值功率可達瓦級(1.25 W),兩層發電模塊并聯輸出的峰值功率達2.5 W,可實現134 mW 的最大平均輸出功率,憑借其緊湊高效的傳動結構設計,可將其應用于人體行走能量收集領域,為構建自供能物聯網傳感節點提供新的思路.

(2)在一次充分的激勵下,開路狀態下俘能器可產生長達30 s 的電學輸出,能夠有效收集環境中低至0.17 Hz 的激勵并轉化為最高轉速為750 rpm 的轉子旋轉運動和50 Hz 的交流電輸出,輸出頻率相較于輸入提升了近300 倍.在低頻(0.2～5 Hz)激勵下,俘能器可實現持續、高效的高密度電學輸出.