利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器1)

毛新辉 张继元 齐 欢 邱长泉 申维和 田建国* 汪 飞†, 陶 凯,3)

* (西北工业大学深圳研究院,广东深圳 518063)

† (西北工业大学机电学院,西安 710072)

** (中国运载火箭技术研究院,北京宇航系统工程研究所,北京 100076)

†† (中国运载火箭技术研究院,空间物理重点实验室,北京 100076)

*** (上海航天控制技术研究所,上海 201109)

††† (南方科技大学深港微电子学院,广东深圳 518055)

引言

随着物联网、人工智能和可穿戴电子设备的快速发展,数十亿小型化、便携化、分布式传感器对电力供应的巨大需求随之而来[1-3].低功耗微电子技术进一步使可穿戴电子设备向着小型化、便捷化和集成化方向发展[4-7].然而,可穿戴电子设备主要依靠传统的锂电池和化学电池供电,存在能量密度有限、充电不规律、更换频繁、集成难度大和环境污染风险高等种种缺陷[8-9].由于人体含有多种可持续的、可再生的生物力学能量,从人体及其周围环境中获取能量为可穿戴电子设备供电被广泛认为是替代传统电池的理想解决方案[10-12].压电效应[13-15]、电磁感应效应[16-18]、静电感应效应[19-21]和摩擦电效应[22-26]等不同机理的发电机在能量收集应用中发挥着至关重要的作用.其中,摩擦电发电机和静电发电机通常被用于从风[27]、水[28]、机械振动[29]和人体运动[30]中获取能量,具有成本低[31]、重量轻[32]和低频运动下能量转换效率高[33]、材料和结构选择多样性[34]等优点,但因其输出功率低而在实际应用层面受限;近年来各类压电俘能器件层出不迭,但是压电器件也面临一些难以解决的问题,如压电陶瓷高频加载易碎,无法高效地收集微小激励下的振动能量、输出功率不高等;电磁感应发电是目前应用广泛且较为成熟的发电技术,具有高功率输出,被广泛应用于能量收集领域.

然而,来自周围环境和人类的机械动能通常具有低频和不规则的特点[35],这极大地限制了其适用条件和能量收集效率的提升[36].最近,研究人员已经开发了许多从低频和不规则激励中收集能量的方法,包括共振运动[37]、升级结构[38]和多向能量收集结构[39].郭纪元等[40]提出一种线绳驱动的电磁式俘能器,俘能器中的绳索结构能够将外界振动转化为双向旋转运动,再通过柔性拨片将双向旋转运动转化为转速更高的单向旋转运动,一定程度上提升了运动频率与输出功率.邹鸿翔等[41]提出了一种用于单向车道的抗冲击车路能量收集减速带,采用电磁式俘能机理,包含滚压板、齿轮组、棘轮、棘爪和永磁体工作盘等结构,可以有效吸收车辆的冲击能量并延长减速带寿命,有效地将外界冲击激励转化为永磁体工作盘的高速单向旋转运动,显著提升了输出功率.Zhao 等[42]提出一种机械智能波浪能俘获系统,耦合了摩擦纳米发电与电磁感应发电,装置中的重力驱动滚柱和仿跷跷板结构对低频和不规则激励敏感,可以将其双向摆动转换为永磁盘的高速单向旋转,提高了机电转换效率.一些研究人员采用飞轮将冲程转换为持久的旋转[43],但在俘能器的小型化和应用方面仍存在一些挑战.因此,迫切需要一种高效可靠的转换系统,将低频、不规则能量提取并存储,转化为旋转机械能,产生连续、稳定和高效的输出.

为了进一步提升俘能器在外界低频激励下的频率转换与输出表现,本文提出的俘能器机械传动机构由直线-旋转转化模块、牙嵌离合模块和能量存储/释放模块组成.利用3 种模块的耦合作用,俘能器可以收集低频、不规则的能量,并产生连续、稳定和高效的输出.设计兼顾升频与运动转换,通过巧妙且全新的机械调制结构,将输入能量较好地与电磁相耦合,实现了机电能量耦合输出,大幅提升了能量转换效率.可从外界低频不规则激励中收集能量.在应用层面,本文提出的俘能器已成功放置于鞋子中,用于人体行走、跑步等不同步态下的能量收集.本研究为振动俘能器在可穿戴设备中的实际应用提供了一种可行的技术支持.

1 结构设计与机电耦合转换机理

1.1 结构设计

俘能器的整体结构如图1(a)所示,包含输入转换结构与输出转换结构两部分.输入转换结构由螺旋杆、牙嵌离合器、飞轮及复位弹簧组成.输出转换结构由永磁铁阵列与上下线圈阵列组成.俘能器的剖视图如图1(b)所示,套筒复位弹簧通过内部点状凸起设计与锥形环一同卡在套筒内部,由于锥形环在竖直方向不会产生位移,当套筒产生向下位移便会挤压套筒复位弹簧,随后在复位弹簧的弹力作用下实现复位;螺旋杆与轴通过自攻螺钉连接,当外力撤去,处于挤压状态下的螺旋杆复位弹簧的弹力作用使螺旋杆向上位移,自攻螺钉的设计限制了螺旋杆的最高位置从而保证螺旋杆不会被复位弹簧弹出而掉落.

图1 总体设计Fig.1 Overall design

图1(c)为俘能器爆炸示意图,俘能器整体自上而下由顶盖、螺旋杆及其复位弹簧、套筒及其复位弹簧、两层发电单元(单层永磁体阵列以及两层铜线圈)、锥形环、飞轮、滚动轴承和底座等零部件组成.整个结构以轴为中心,轴与轴承间过盈配合,保证了轴与底板间的垂直度.轴承的外环与飞轮过盈配合,保证了飞轮与底板间的平行度.飞轮外围有8 个圆周分布的通孔,用以布置交替磁极.飞轮内侧由齿组成,齿数与牙嵌离合器齿数相当,用于传递驱动力矩.上下两组线圈阵列分别由线圈支撑环及底板外壳容纳,线圈与交替磁极处于统一圆周曲面,保证穿过线圈的磁通量为最大值.同时上下两组线圈保持统一相位,保证输出叠加的倍增效应.

1.2 工作原理

俘能器的运动原理如图2 所示: 当螺旋杆接收到来自于外界竖直方向的激励时(状态Ⅰ),直线-旋转转化模块被激活,外力施加于螺旋杆上,螺旋杆受到的外力大于复位弹簧的弹力,沿轴向向下平移,在螺旋面的摩擦力作用下,套筒旋转向下运动,将线性运动转化为旋转运动,套筒因旋转运动而具有扭矩;由于此时套筒受到的轴向力大于套筒复位弹簧的弹力,此时牙嵌离合模块被激活,套筒上的齿形结构与飞轮上的齿形槽啮合(状态Ⅱ),同时套筒将自身的扭矩传递给飞轮,激活能量存储/释放模块,飞轮本身能够瞬时存储能量并将其转化为逆时针旋转运动(状态Ⅲ),当施加于螺旋杆上的外力撤去,螺旋杆受到其复位弹簧的弹力而回升,齿形离合器分离,同时弹簧复位(状态Ⅳ),螺旋杆上升到原位置,飞轮由于惯性作用,将产生持续的旋转运动直至将存储的能量全部耗尽.在飞轮上极性相反的交替磁极阵列转动时,其上下表面附近的磁通量也发生高频改变.因而安置在飞轮上下表面附近的线圈中磁通量会快速变化.根据法拉第电磁感应定律,在线圈中会产生由交变磁场带来的输出电流.通过机械结构的调制输出,将单次振动冲击转换为飞轮的高频旋转,进而输出电能.

图2 工作原理Fig.2 Working principle

1.3 机电耦合动力学模型

俘能器在受振动冲击激励时,整个理论模型建立分为两个阶段,即图2 所示螺旋杆驱动阶段(状态Ⅰ/Ⅱ)和飞轮驱动阶段(状态Ⅲ/Ⅳ).下面将从这两个阶段建立动力学模型.

在螺旋杆驱动阶段,受力情况如图3 所示.在振动冲击激励的作用下螺旋杆向下运动,在螺旋杆的螺旋导轨的约束以及导轨表面的摩擦力作用下,套筒产生旋转运动同时向下位移一段距离.螺旋杆遵守的拉格朗日方程为

图3 受力分析Fig.3 Force analysis

其中,F为振动冲击载荷,k1为套筒复位弹簧劲度系数,k2为螺旋杆复位弹簧劲度系数,z为螺旋杆的线数(头数),fr为螺旋杆单线螺纹所受摩擦力,fN为螺旋杆单线螺纹所受法向力,φ为螺旋杆升角,m为螺旋杆质量,x为螺旋杆振动幅值.

在螺旋杆向下旋转运动的同时,套筒在螺旋杆摩擦力的带动下作旋转运动,此时,套筒的动力学控制方程为

其中,d为套筒直径,JR为套筒转动惯量,θ为套筒旋转转角.

同时,fr与fN计算公式为

此时,加速度与角加速度间存在以下关系

代入式(1)～式(4)可得

在飞轮驱动阶段(Ⅲ,Ⅳ),套筒与飞轮啮合时间为t0.在该段时间内飞轮处于驱动阶段,其受力旋转的角度近似等于套筒的旋转角度θ.因此,可以计算得到飞轮在驱动瞬间之前的转角为

由于啮合时间t0与弹簧材质相关,且t0值约为0.05 s.此处θ可近似为

此时,飞轮输入能量转换方程如下

其中,JF为飞轮转动惯量,求得飞轮驱动阶段开始转动瞬间的最大角速度ωmax

此时,电路中的感应电动势E可由法拉第电磁感应定律求得

其中,B为磁感应强度,S为线圈有效面积,N为线圈匝数.

线圈中的电流大小为

其中,RC为线圈总阻值,RL为外接负载阻值.

其中,n为磁铁阵列数,在求解得到电动势E后,代入式(12)即可得到平均输出功率Paverage.

2 实验样机及平台

如图4(a)所示,俘能器样机主要包括机械传动系统和两层发电模块.机械传动系统由直线-旋转转化模块、牙嵌离合模块和能量存储/释放模块组成.发电单元由两层同轴同相布置的线圈定子层和永磁铁转子层组成.

图4 样机结构及实验平台Fig.4 Prototype structure and experimental platform

俘能器的主体零部件均采用3D 打印技术制备,材料为光敏树脂.在组装过程中,转子层的8 个永磁体采取磁性反转交替的放置方式,这样做能够增大旋转过程中每个线圈的磁通量变化进而增大发电量.俘能器的主要设计参数如表1 所示.

为了测试输入频率与输出性能间的关系,搭建了振动激励测试实验平台,为俘能器提供超低频激励源,如图4(b)所示.整个实验平台由曲柄摇杆结构、伺服电机、数据采集设备、电阻箱及计算机组成.利用伺服电机控制曲柄摇杆机构在水平/竖直方向作往复运动,进而驱动俘能器,进行能量转换.通过调节伺服电机中的电压信号大小,进一步调节曲柄摇杆结构的摆动速率,进而调整俘能器受激励的频率.在俘能器输出端外接电阻箱的情况下,利用数据采集设备测量负载两端电压信号用以表征俘能器的电学输出.

本实验中的数据采集设备为NI 公司的NI USB-6289 数据采集卡,经过电脑端上位机软件NI Signal Express 实现数据读取与存储.

3 性能表征

3.1 电学输出

在搭建好图4(b)所示的实验平台后,进行实验测试.图5(a)和图5(b)分别展示了在开路状态下上、下两层发电模块开路电压的输出情况,俘能器可产生长达30 s 的电学输出,最大开路电压为13 V.由于两层线圈与磁铁之间的间距控制得较为精准,所以上下层线圈的开路电压具有高度相似的波形.接入250 Ω 的外部负载后,测试得到单层发电模块输出电压如图5(c)所示,负载两端峰值电压达到了5.5 V,通过积分计算得到单层发电模块的平均功率约为67 mW.

图5 电学测试Fig.5 Electrical test

同时进行阻抗匹配测试,如图5(d)所示.上层与下层发电模块的输出性能几乎保持一致,在外接负载为20 Ω 的情况下,峰值功率约为1.25 W;将两层发电模块进行并联输出,在外接负载为10 Ω 的情况下,峰值功率约为2.5 W.可见,将两层并联输出,峰值功率实现倍增.

将单层发电模块对470 μF 的电容进行充电测试,如图5(e)所示,在5 s 的时间内对俘能器激励4 次,即可将电容充电至7 V,展现了其良好的供电能力.

此外,将理论计算与实际测量得到的结果进行了对比分析,如图6 所示.图6(a)展示了不同冲击载荷下,依照机电耦合动力学模型得出的飞轮最大转速的理论值以及实验测得的最大转速的对比,可以看到在冲击载荷达到30 N 后,理论值呈线性关系继续增大,而实验测得的最大转速保持不变,稳定在157 rad/s 左右,其原因在于飞轮与套筒之间的能量是通过极短时间的冲量传递的,当冲击载荷超过临界载荷时,飞轮和套筒之间的作用力虽然仍在变大,但是由于套筒复位弹簧给予的反作用力使得飞轮和套筒在啮合的瞬间便使二者分离,套筒传递给飞轮扭矩的时间不发生变化,从而影响了飞轮与套筒之间的能量传递,限制飞轮最大转速的继续增大.图6(b)展示了在不同冲击载荷下最大感应电动势的变化情况,由于最大感应电动势与飞轮最大转速呈线性关系,其呈现出与飞轮最大转速相同类型的变化趋势,即达到30 N 以后,由于飞轮转速不再继续增大,因而最大感应电动势保持在13.4 V 左右.

图6 理论计算与实际测量Fig.6 Theoretical calculation and practical measurement

3.2 机械升频

3 种模块的集成使俘能器具有许多优异的特性,如低频直线运动到高频旋转运动、瞬时激励到持久输出的转换,以及在多次激励下实现不间断的连续加速运动.图7(a)展示了俘能器被充分激励时负载两端的电压波形.在外接负载的情况下,俘能器受到激励的瞬间由于存在电磁阻尼,俘能器可产生7 s 的电学输出,负载两端产生的最大电压为5.5 V.通过对输出电压波形的处理可知,转子旋转一圈的周期约为0.08 s,产生4 个完整的正弦波,因此计算出俘能器在接收外界激励时可以达到750 r/min 的瞬时最大转速.

图7 俘能器在不同类型激励下的输出表现Fig.7 Output performance of the VEH under different types of excitation

图7(b)展示了对俘能器施加频率为0.17 Hz 的超低频激励和对应的输出电压波形.从图7(b)可以看出,每间隔6 s 对俘能器施加约60 N 的冲击力作为激励,发电机的最大输出频率可达50 Hz,输出相较于输入的频率提升了290 倍.因此,俘能器实现了从低频到高频的转换,为从环境中收集超低频能量提供了可靠的途径.

图7(c)展示了对俘能器施加频率为2 Hz 的低频激励和对应的输出电压波形,可以看出俘能器在工作过程中可以多次加速并保持较高转速(约750 r/min)和持续的高密度输出电压.

综上所述,俘能器对不同频率的激励具有良好的适应性,为从复杂环境中收集低频能量提供了有效的解决方案.

3.3 应用评估

俘能器可以将超低频不规则激励(<0.2 Hz)转化为发电模块的高速持久旋转运动,从而产生连续、稳定和高效的电力输出.如图8(a)所示,在单次激励下可以轻松点亮“MEMS”灯带,同时也可将俘能器阵列输出,用于对手机的充电.

图8 应用演示Fig.8 Demonstration of applications

如图8(b)所示,将俘能器放置在鞋中,通过模拟行走过程给予俘能器低频激励,并测试了不同运动状态下的输出电压.

如图8(c)所示,为了进一步验证俘能器在商用电子产品领域的应用能力,我们将俘能器竖直放入曲柄摇杆机构当中,模拟人体疾走状态下对于俘能器的冲击实验,设置约为2 Hz 的竖直方向激励,将输出的交流电先通过整流电路得到直流电输出,再通过开关型升降压电源模块,对电容进行充电.实验结果表明,俘能器可在400 s 内将1 F 的超级电容充电至1 V;在这个过程中共收集到有效能量约为0.5 J,可推算得知其可在2 h 内为华为Freebuds Pro TWS 耳机提供2%以上的电量,表明其在自供能可穿戴设备领域具备一定的应用潜力.

4 结论

本文提出了一种基于斜齿离合机制的电磁式振动能量采集器,包含直线-旋转转换模块、牙嵌离合模块与能量存储/释放模块,可有效地将竖直方向的低频激励转化为高速的单向旋转运动,对俘能器建立了机电耦合动力学模型,同时搭建了实验测试平台并制作了俘能器实物样机进行性能测试与分析,得到主要结论如下.

(1)俘能器的单层峰值功率可达瓦级(1.25 W),两层发电模块并联输出的峰值功率达2.5 W,可实现134 mW 的最大平均输出功率,凭借其紧凑高效的传动结构设计,可将其应用于人体行走能量收集领域,为构建自供能物联网传感节点提供新的思路.

(2)在一次充分的激励下,开路状态下俘能器可产生长达30 s 的电学输出,能够有效收集环境中低至0.17 Hz 的激励并转化为最高转速为750 rpm 的转子旋转运动和50 Hz 的交流电输出,输出频率相较于输入提升了近300 倍.在低频(0.2～5 Hz)激励下,俘能器可实现持续、高效的高密度电学输出.