悬臂梁式MSMA振动换能器的设计与研究

王路平，杨 静，高云红，吕俊伯

(沈阳航空航天大学工程训练中心，辽宁 沈阳 110136)

1 引言

随着电子工业的产业升级，微传感器、微执行器和可携带电子器件等微型系统的应用范围不断扩大，该领域已广泛渗透到军事、医用、社会生产、生活等方面，特别在设备监控、环境检测及野外、高空等恶劣、狭小环境下的监控系统等方面得到了广泛应用[1]，而在发展的同时也面临着制约发展的最大问题，其在于为微电子产品提供电力的微型能源还没有良好的解决方案[2]。因此，研究人员开始思考将外界振动能量转化为电能，从而实现传感器的自供电[3-7]。

Kangqi Fan等人提出自由端带有块式制动器的单稳态压电陶瓷悬臂梁式振动能量转换供电系统[8]，加速度为0.15g时，最大输出功率约为0.055mW。 Y W PARK等结合 Galfenol磁致伸缩材料的高磁致伸缩性、较为理想的机械性能等特性[9]，材料两端分别放有永磁体，旋转永磁体阵列与材料一端永磁体靠近，当转速为 300 r/min，输出电压最高可达0.5V。赫尔辛基工业大学的Niskanen等人利用MSMA的材料特性，提出了一种基于MSMA的振动能量转换供电系统[10]，该系统适用于小于 100Hz 的低频环境，当振动频率为45Hz时输出功率为20mW。O Heczko等人对MSMA特性进行了初步研究[11]，马里兰大学的R.C.O′Handley等发现在施加外力状态下，Ni2MnGa单晶体在外加磁场下能够产生4.3%的室温磁感应形变和5.7%的剪切应变[12]。MSMA材料性能在最高响应频率以及最大磁致形变率方面都明显优于压电陶瓷、磁致伸缩等材料。通过维拉利效应，可以实现对振动机械能到电能的转化，实现振动能量的采集，为振动能量转换供电技术提供了新的有效途径。

本文在对MSMA形变机理和维拉利效应研究基础上，设计了一种新型悬臂梁式MSMA振动换能器，介绍了该换能器的工作原理，建立振动换能器数学模型，提出实验样机结构设计方案，利用ANSYS Maxwell有限元软件对换能器进行仿真分析，为振动换能器的整体优化提供依据。搭建了系统实验测试平台，实验结果验证了该换能系统的可行性，并具有较好的采集效率和输出性能。

2 工作原理

能量转换部分的核心在于利用了MSMA材料的维拉利效应实现形变-磁化强度的转换过程。当MSMA材料在一定的温度和磁感应强度的情况下，由于形变产生的材料本身磁化强度发生变化时，使得在磁路上的磁感应强度发生改变。磁感应强度的变化引起了磁通量的变化。由电磁感应定律可知，磁通量的变化产生了感应电动势。MSMA振动换能器工作原理如图1所示。

图1 MSMA振动换能器工作原理图

3 悬臂梁式MSMA振动换能器的设计

3.1 MSMA振动换能器结构设计

根据MSMA的变形机理和换能器的工作原理，MSMA换能器结构要满足以下条件：

1)保证具有一定磁感应强度的恒定偏置磁场施加到MSMA材料两侧；

2)需要设计合理的施加应力方式，保证MSMA材料产生较大的形变和变形恢复；

3)保证稳定的电压输出。

MSMA振动换能器装置示意图如图2所示。为了防止振动源直接作用于MSMA，外部增加一个悬臂梁式力放大器，将外界的振动激励经过悬臂梁的放大后施加在击锤上，再用击锤将力传递到MSMA材料上。如图3所示为悬臂梁式力放大器振动示意图。悬臂梁式力放大器主要由可调长度的梁主体、梁前方的质量块、梁底座组成。当底座振动时，由于质量块存在惯性，梁主体受迫产生弹性形变。将悬臂梁式力放大器与能量转换部分结合，所产生的电能接入换能器电源管理电路，即构成了本设计的样机总体。

图2 MSMA振动换能器装置示意图

图3 悬臂梁式力放大器振动示意图

3.2 MSMA振动换能器磁路设计

已知磁导率μ、磁场强度H、磁化强度M与磁感应强度B的关系为

B=μ(H+M)

(1)

磁场强度H与距离Le之间的关系为

(2)

磁路由永磁体、纳米晶导体材料、MSMA材料以及周围空气构成，为MSMA材料提供偏置磁场。其中的纳米晶导磁材料是一种新型的导磁材料。纳米晶导磁材料的相对磁导率为80000-400000。采用纳米晶导磁材料可以提高作用于MSMA材料的磁感应强度，提高换能器的输出功率。

利用ANSYS Maxwell软件对传统的磁路进行仿真如图4所示，对新型结构磁路仿真如图5所示，将MSMA材料紧贴在磁铁上，只在一侧的磁路上缠绕线圈，仿真发现MSMA材料可以处在将近1T的磁感应强度。磁场强度不仅确保了MSMA材料形变量的最大化，也能保证MSMA具有较好的响应速度，该结构满足MSMA材料对磁场的要求。

图4 传统的磁路仿真

图5 新型结构磁路仿真

3.3 MSMA振动换能器数学模型

为了研究MSMA阻尼特性数学模型，采用单自由度的振动系统来简化分析模型。“弹簧-质量块-阻尼”系统的物理模型如图6所示。

图6 “弹簧-质量块-阻尼”系统物理模型示意图

在外力、磁场、温度等外部条件不改变的情况下建立MSMA合金阻尼特性模型

(3)

其中，m为材料本身的质量，ω为针对材料施加的外界的交变应力的频率，k为材料的弹性系数，z为应力施加在材料上所产生的位移，c为阻尼系数。

结合运动学中瞬时功率公式P=Fv可推导出

(4)

MSMA材料形变为

(5)

(6)

根据自感发电的基本公式

(7)

根据电压计算功率的公式为

(8)

MSMA材料形变与磁化强度M呈线性关系为M=σCMSMA，由式(12)(13)(14)得

(9)

选取l=0.07m时，σ≈0.71，得出当n=4时固有频率约为125.38Hz，换能器功率P换能器约为144μW。

4 样机制作

利用Solidworks三维机械制图软件设计的悬臂梁式MSMA振动换能器示意图如图7所示。MSMA振动换能器的外形尺寸为162*78*35mm，基本结构包括：悬臂梁式力放大器(包括悬臂支架以及梁本身)、铷铁硼磁铁、纳米晶导磁体、线圈、击锤、发电机外壳以及MSMA材料。

该装置的磁路由永磁体、纳米晶导体材料、MSMA材料以及周围空气构成，为MSMA材料提供偏置磁场，导磁单元如图8所示，样机整体实物图如图9所示。

图7 悬臂梁式MSMA振动换能器示意图

图8 导磁单元

图9 样机整体实物图

5 实验测试结果及分析

为验证振动换能器采集电能效果，搭建实验测试平台，激振器模拟外界振动信号，将信号发生器输出信号作用于振动换能器上，观察其在不同应力、频率作用下的输出感应电压情况。在实验中发现，当振动源频率较低时，如图10所示，输出电压波形不连续，不利于能量采集。当振动频率较高并接近固有频率时，输出电压波形连续、效果较好，为了保证样机的正常运行，需使振动源频率保持在100Hz以上。因此该样机适用于100Hz以上的振动换能。启动振动台并施加100Hz的振动信号(n=4时固有频率约为125.376Hz)，如图11所示，振动台振动频率为100Hz时的实物测试。当振动信号频率为100Hz时接近固有频率，产生共振，此时换能器获得较好效果，依据实验数据进行计算可知振动换能器输出功率约为125μW。

图10 振动台振动频率为20Hz时实物测试

图11 振动台振动频率为100Hz时实物测试

6 结论

本文分析了磁控形状记忆合金振动换能器工作原理，设计了一种悬臂梁式MSMA振动换能器，提出一种新型磁路结构，利用ANSYS Maxwell软件对磁场进行仿真分析，结果表明MSMA材料周围磁感应强度大幅度提高，验证了系统中的磁感应强度满足MSMA材料的形变要求。优化了悬臂梁和施加磁场结构，改善了振动换能器系统的施压装置，建立MSMA振动换能器数学模型，依据分析结果，设计制造了MSMA振动换能器样机，搭建实验测试平台并进行了实验验证。通过理论分析和仿真验证了设计方案的可行性，结果表明，在施加频率为100Hz左右情况下，能达到较好输出效果，此时换能器输出功率约为125μW。该装置是一种新型节能电力设备，有很好的发展前景。