微纳振动能量收集器研究现状与展望
发布时间：2021-07-07 21:32
振动能量广泛分布在我们周围的环境中,比如人体运动、机器振动、微风吹动、水纹波动、声音振动等,收集环境中的振动能量对未来电子器件的自驱动化具有十分重要的意义。阐述了电磁、压电、摩擦电三种微纳振动能量收集器的工作机理和最新研究进展。对三种微纳振动能量收集器的特点和面临的挑战做出了归纳与概括。最后,对微纳振动能量收集器的发展趋势做出了展望。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(13)北大核心EICSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
基于谐振式的电磁振动能量收集器
电磁振动能量收集器在收集由列车引起的轨道偏转产生的振动能量中有很大的应用前景。但用于铁路的告警信号器、无线通信器、轨道开关、轨道健康监测系统等都需要较大的功率。LIN设计的机械运动整流式电磁振动能量收集器较好地解决了此问题，如图1c所示[22]。该收集器在1 Hz的振动频率下，可以产生28 W的峰值功率。基于动线圈式的电磁振动能量收集器，在医学研究领域也有很重要的应用。2019年由THOLL设计的基于心内径流的心脏起搏电磁振动能量收集器可以较好地解决目前心脏起搏器供电问题。图1d所示是它的整体结构图以及部分结构剖面图[23]。通过采用双稳态机制，可将心脏的低收缩频率(1～3 Hz)转换为更高频率的振动(260 Hz)。该收集器重6.4 g，体积为2 cm3，在1 m/s峰值流速的台架试验中，在60 bpm(1 Hz)激励下可以产生(14.39±8.38μW)的平均功率，在200 bpm(3.33 Hz)激励下产生高达(82.64±17.14μW)的平均功率。其在无电池和无引线心脏起搏器中具有重要的应用前景。2001年，英国谢菲尔德大学的WILLIAM研究小组为动铁式电磁振动能量收集器建立了一个通用的几何模型[24]，如图2a所示。该模型的特点是，线圈不运动，磁铁相对于线圈运动。该收集器可以在4 MHz的激励下产生0.3 pW的功率。基于此几何模型，ZHANG等于2019年设计出滚动磁铁高效电磁振动能量收集器[25]，如图2b所示。采用滚动磁铁的方式切割磁通量，与使用滑动磁铁相比，可以显著提高切割线圈时的磁通量。并且引入摩擦效应以提高能量收集性能，输出平均功率进一步增加了50%。在以3.1 Hz的频率进行手抖动的试验中，该收集器可以产生1.02 mW的平均功率。在正常骑车速度下，可以获得0.22 mW的平均功率，远大于垂直切割收集器(仅能产生0.05 m W功率)。这表明了滚动磁铁高效电磁振动能量收集器在集成自供电可穿戴传感器的潜在应用。
2001年，英国谢菲尔德大学的WILLIAM研究小组为动铁式电磁振动能量收集器建立了一个通用的几何模型[24]，如图2a所示。该模型的特点是，线圈不运动，磁铁相对于线圈运动。该收集器可以在4 MHz的激励下产生0.3 pW的功率。基于此几何模型，ZHANG等于2019年设计出滚动磁铁高效电磁振动能量收集器[25]，如图2b所示。采用滚动磁铁的方式切割磁通量，与使用滑动磁铁相比，可以显著提高切割线圈时的磁通量。并且引入摩擦效应以提高能量收集性能，输出平均功率进一步增加了50%。在以3.1 Hz的频率进行手抖动的试验中，该收集器可以产生1.02 mW的平均功率。在正常骑车速度下，可以获得0.22 mW的平均功率，远大于垂直切割收集器(仅能产生0.05 m W功率)。这表明了滚动磁铁高效电磁振动能量收集器在集成自供电可穿戴传感器的潜在应用。如何有效收集低频下的振动能量，是目前电磁振动能量收集器所面临的问题。FAN等设计出的基于扭转振动的电磁振动能量收集器可以较好地收集低频下的振动能量[26]，如图2c所示。此收集器是基于拉弦转子实现振动能量的收集，拉弦转子的使用，使得轴或轴承结构成为旋转能量收集器中可有可无的组件，使得它的设计具有更简单的结构和更低的能量损失。该收集器可以在1.5～2.5 Hz的频率下产生0.1～0.15 V的电压以及0.08～0.125m W的功率。基于扭转振动的电磁振动能量收集器还可以扩展到具有类似转子结构的压电和摩擦电振动能量收集器中。CHAE等[27]提出了一种电磁振动能量收集器，如图2d所示。此收集器采用铁磁流体润滑，可在12 Hz以及3 g振动时产生的最大开路电压为0.47 V，比没有润滑剂的装置高8%。除此之外，采用铁磁流体润滑，可在负载电阻为40.8?时，产生71.26μW的峰值功率。为了从振动源中提取最大的能量，ARUN等[28]设计出多磁铁振动能量收集器，如图2e所示。该电磁振动能量收集器的输出取决于磁体相对于线圈的相对位移、磁体的磁通量密度以及振动周期的频率。在收集器的固有频率下可获得最大幅度，通过保持磁铁相对于线圈的适当相对位置可增强装置的总输出。此收集器可以在最大相对位置处及14 Hz的振动频率下产生11.44 mW的功率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]振动能量收集技术的近况与展望[J]. 孟祥凯,侯玉亮. 科技与创新. 2019(11)
[2]多方向压电振动能量收集技术研究与进展[J]. 张旭辉,谭厚志,杨文娟,左萌,樊红卫. 压电与声光. 2019(02)
[3]宽频压电振动俘能器的研究现状综述[J]. 徐振龙,单小彪,谢涛. 振动与冲击. 2018(08)
[4]Parametric Study of Low Frequency Broadband Rectilinear-to-Rotary Vibrational Energy Harvesting[J]. Chen Jingfan,Deng Wei,Wang Ya,Inman Dan. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2018(01)
[5]Comparison of Energy Harvesting Systems for Wireless Sensor Networks[J]. James M.Gilbert,Farooq Balouchi. International Journal of Automation & Computing. 2008(04)
[6]动生电动势的产生机理[J]. 颜琳,王小云,全秀娥. 吉首大学学报(自然科学版). 2007(01)
本文编号：3270409
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(13)北大核心EICSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
基于谐振式的电磁振动能量收集器
电磁振动能量收集器在收集由列车引起的轨道偏转产生的振动能量中有很大的应用前景。但用于铁路的告警信号器、无线通信器、轨道开关、轨道健康监测系统等都需要较大的功率。LIN设计的机械运动整流式电磁振动能量收集器较好地解决了此问题，如图1c所示[22]。该收集器在1 Hz的振动频率下，可以产生28 W的峰值功率。基于动线圈式的电磁振动能量收集器，在医学研究领域也有很重要的应用。2019年由THOLL设计的基于心内径流的心脏起搏电磁振动能量收集器可以较好地解决目前心脏起搏器供电问题。图1d所示是它的整体结构图以及部分结构剖面图[23]。通过采用双稳态机制，可将心脏的低收缩频率(1～3 Hz)转换为更高频率的振动(260 Hz)。该收集器重6.4 g，体积为2 cm3，在1 m/s峰值流速的台架试验中，在60 bpm(1 Hz)激励下可以产生(14.39±8.38μW)的平均功率，在200 bpm(3.33 Hz)激励下产生高达(82.64±17.14μW)的平均功率。其在无电池和无引线心脏起搏器中具有重要的应用前景。2001年，英国谢菲尔德大学的WILLIAM研究小组为动铁式电磁振动能量收集器建立了一个通用的几何模型[24]，如图2a所示。该模型的特点是，线圈不运动，磁铁相对于线圈运动。该收集器可以在4 MHz的激励下产生0.3 pW的功率。基于此几何模型，ZHANG等于2019年设计出滚动磁铁高效电磁振动能量收集器[25]，如图2b所示。采用滚动磁铁的方式切割磁通量，与使用滑动磁铁相比，可以显著提高切割线圈时的磁通量。并且引入摩擦效应以提高能量收集性能，输出平均功率进一步增加了50%。在以3.1 Hz的频率进行手抖动的试验中，该收集器可以产生1.02 mW的平均功率。在正常骑车速度下，可以获得0.22 mW的平均功率，远大于垂直切割收集器(仅能产生0.05 m W功率)。这表明了滚动磁铁高效电磁振动能量收集器在集成自供电可穿戴传感器的潜在应用。
2001年，英国谢菲尔德大学的WILLIAM研究小组为动铁式电磁振动能量收集器建立了一个通用的几何模型[24]，如图2a所示。该模型的特点是，线圈不运动，磁铁相对于线圈运动。该收集器可以在4 MHz的激励下产生0.3 pW的功率。基于此几何模型，ZHANG等于2019年设计出滚动磁铁高效电磁振动能量收集器[25]，如图2b所示。采用滚动磁铁的方式切割磁通量，与使用滑动磁铁相比，可以显著提高切割线圈时的磁通量。并且引入摩擦效应以提高能量收集性能，输出平均功率进一步增加了50%。在以3.1 Hz的频率进行手抖动的试验中，该收集器可以产生1.02 mW的平均功率。在正常骑车速度下，可以获得0.22 mW的平均功率，远大于垂直切割收集器(仅能产生0.05 m W功率)。这表明了滚动磁铁高效电磁振动能量收集器在集成自供电可穿戴传感器的潜在应用。如何有效收集低频下的振动能量，是目前电磁振动能量收集器所面临的问题。FAN等设计出的基于扭转振动的电磁振动能量收集器可以较好地收集低频下的振动能量[26]，如图2c所示。此收集器是基于拉弦转子实现振动能量的收集，拉弦转子的使用，使得轴或轴承结构成为旋转能量收集器中可有可无的组件，使得它的设计具有更简单的结构和更低的能量损失。该收集器可以在1.5～2.5 Hz的频率下产生0.1～0.15 V的电压以及0.08～0.125m W的功率。基于扭转振动的电磁振动能量收集器还可以扩展到具有类似转子结构的压电和摩擦电振动能量收集器中。CHAE等[27]提出了一种电磁振动能量收集器，如图2d所示。此收集器采用铁磁流体润滑，可在12 Hz以及3 g振动时产生的最大开路电压为0.47 V，比没有润滑剂的装置高8%。除此之外，采用铁磁流体润滑，可在负载电阻为40.8?时，产生71.26μW的峰值功率。为了从振动源中提取最大的能量，ARUN等[28]设计出多磁铁振动能量收集器，如图2e所示。该电磁振动能量收集器的输出取决于磁体相对于线圈的相对位移、磁体的磁通量密度以及振动周期的频率。在收集器的固有频率下可获得最大幅度，通过保持磁铁相对于线圈的适当相对位置可增强装置的总输出。此收集器可以在最大相对位置处及14 Hz的振动频率下产生11.44 mW的功率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]振动能量收集技术的近况与展望[J]. 孟祥凯,侯玉亮. 科技与创新. 2019(11)
[2]多方向压电振动能量收集技术研究与进展[J]. 张旭辉,谭厚志,杨文娟,左萌,樊红卫. 压电与声光. 2019(02)
[3]宽频压电振动俘能器的研究现状综述[J]. 徐振龙,单小彪,谢涛. 振动与冲击. 2018(08)
[4]Parametric Study of Low Frequency Broadband Rectilinear-to-Rotary Vibrational Energy Harvesting[J]. Chen Jingfan,Deng Wei,Wang Ya,Inman Dan. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2018(01)
[5]Comparison of Energy Harvesting Systems for Wireless Sensor Networks[J]. James M.Gilbert,Farooq Balouchi. International Journal of Automation & Computing. 2008(04)
[6]动生电动势的产生机理[J]. 颜琳,王小云,全秀娥. 吉首大学学报(自然科学版). 2007(01)
本文编号：3270409
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/3270409.html
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