1、全日制学术型 硕士学位论文 论文题目 ： 电磁式 低频 振动能量收集装置的设计与研究 作者姓名 林晨宽 指导教师 张端 副教授 学科专业 模式识别与智能系统 所在学院 信息工程学院 提交日期 2013 年 3 月 25 日 浙江工业大学硕士学位论文 电磁式 低频 振动能量收集装置的 设计与 研究 作者姓 名 ： 林晨宽 指导教师 ： 张端 副教授 浙江工业大学信息工程学院 2013 年 3 月 Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technology for the Degree of Master Design and resea
2、rch of low-frequency electromagnetic vibration generator for energy harvest Candidate: Chen-kuan Lin Advisor: A.Prof. Duan Zhang College of Information Engineering Zhejiang University of Technology Mar 2013 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表
3、或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在 _年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框
4、内打 ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 浙江工业大学硕士学位论文 电磁式 低频 振动能量收集装置的设计与研究 摘 要 振动能量收集装置能从环境中收集振动的能量并转化为电能 ,应用于 无线传感网络供电、 日常生活 、 科学研究 等领域 。 这不仅解决了很多无线传感网络因无法更换电池导致寿命过短的问题 ，而且减少了化学电池带来的环境污染。因此，它的研究具有重要的意义。 本文 针对低频振动条件， 设计并提出了两种新型的振动能量收集装置， 该装置形成闭合磁路，大幅度提高了能量获取能力；同时利用多齿结构，提高装置中线圈磁场变化的频率，使其适应于低频振动环境 。本文的 主
5、要工作内容及成果如下： 1 对目前现有振动能量收集装置进行了归纳总结， 查找 了 现有大多数装置 发电 效率偏低的 原因 。 依据新的工作原理， 在振动能量收集装置中引进闭合磁路 和多齿结构 ，设计了两种高效的、可工作在低频 振动 的环境下的振动能量收集装置 ，并分析了其基本结构以及 工作原理 。 2 详细分析了 装置的所涉及的基本理论基础。其中，简要介绍了电磁感应原理 ；详细分析了绕线线圈和 磁性材料的特性，并 以此确定了 本装置的磁性材料；分析了外力作用在装置时装置的受力情况以及装置工作时的能量损耗问题；同时介绍了装置所采用的Maxwell 有限元分析软件中的基本磁场理论以及采取的数学计算
6、方法。 3通过有限元分析软件对装置进行的仿真和优化。 在 Maxwell 静态仿真中， 通过对比不同衔铁高度 、 不同空气 隙 宽度 、不同 软 磁材料在磁导率时的 静态 仿真结果 ，得出 了装置性能较好时 它们 的数值，优化了装置；在 Maxwell 动态仿真 中， 模拟了装置的空载感应电动势，并在此基础上计算了装置最大有效功率。在 Maxwell 动态仿真中，对比了不同的线圈匝数时装置的空载感应电动势及有效功率，分析了负载电阻以及线圈匝数对负载有效功率的影响；通过将仿真和理论分析相结合的方法验证了装置结构设计的合理性。 4设计了装置的整流滤波电路，并分析 它 的工作的原理 。对比了 Mul
7、tisim 仿真软件对 比 不同的电感和 滤波 电容值时的输出电压结果 ，并介绍了滤波 电容 和电感的选择依据。 关 键词 ： 振动 能量收集 ， 电磁式，低频，数值分析，无线传感网络 浙江工业大学硕士学位论文 Design and research of vibration generator for energy harvest ABSTRACT Vibration energy harvesters can harvest environmental vibration energy and convert it to electricity, which can be widely u
8、sed in wireless sensor networks, daily life, scientific researches and some other fields. This can not only extend the service lives of wireless sensor networks supplied with chemical batteries that were almost unchangeable sometimes, but also greatly reduce the environmental pollution caused by che
9、mical batteries. Thus, the research of vibration energy harvesting devices has important significance. In the paper, two new vibration energy harvesting devices which are adept at working under the condition of low-frequency vibration are designed. These devices are constructed including several clo
10、sed magnetic circuits, which significantly improve the ability of energy harvesting. Meanwhile, the rack structures in the device lead to the change frequency of the coil magnetic field increasing, so that the device can adapt to work with low frequency vibration. The main work and results of this p
11、aper are listed as follows: 1. According to the literatures about vibration energy harvesting devices, the author finds out the reasons for the low efficiency of existing devices. In this paper, two new vibration energy harvesting devices including closed magnetic circuits and multi-tooth structures
12、 are proposed. The devices are effective enough to work with low frequency vibration due to the closed magnetic circuits and multi-tooth structures constructed in the devices which significantly improve the ability of energy harvesting. The paper describes their structures and working principle late
13、r. 2. The basic theories involved in the vibration energy harvesting devices are described in detail. First of all, electromagnetic induction principle is introduced simply. Then, the paper introduces and analyzes the material characteristics of magnetic material and coils used in the devices. After
14、 then, the paper describes the devices force analysis and energy loss during work. As the device use Maxwell finite element analysis software to do the numerical analysis, the paper elaborates the basic magnetic field theory and mathematical calculations involve in the numerical analysis of device.
15、浙江工业大学硕士学位论文 3. The paper does numerical analysis of the second device proposed in the paper by finite element analysis software. Maxwell static simulation of the device in different values of armature height, air gap and ferromagnetic materials differential permeability are done. By comparing the r
16、esults of them, the best values of them are selected, with which, the device is optimized In the Maxwell motion simulation, the paper compares devices unloaded induced electromotive force in different turns of coil, calculates the effective power. Then, with the results, the paper analyzes the influ
17、ence of load resistance and the turns of coil show on load effective power. After then, the paper verifies the rationality of devices structure designed in the paper by a combination of simulation and theoretical analysis. 4. Rectifier and filter circuit is presented and analyzed in the paper. The o
18、utput voltage results in different inductance and filter capacitance values are simulated using Multisim simulation software. And then, the paper introduces the basis of inductance and filter capacitance choice. Key Words: vibration energy harvest, electromagnetic, low frequency, numerical analysis，
19、 wireless sensor networks 浙江工业大学硕士学位论文 目 录 摘 要 . 1 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景及研究意义 1 1.2 国内外研究现状及发 展趋势 1 1.2.1 国内外的研究现状 2 1.2.2 国内外所研究装置的问题及其发展趋势 . 7 1.3 低频振动能量收集 装置的应用领域 8 1.4 本文研究内容及章节安排 10 第 2 章 振动能量收集装置的基本结构和工作原理 . 12 2.1 引言 . 12 2.2 一种低频振动能量收集装置的基本结构和工作原理 12 2.2.1 装置的结构 12 2.2.2 装置的工作原 理 13 2.2.
20、3 装置的优缺点 15 2.3 另一种低频振动能量收集装置的基本结构和工作原理 15 2.3.1 装置的 结构 15 2.3.2 装置的工作原理 16 2.4 装置的优点 17 2.5 本章小结 . 18 第 3 章 振动能量收集装置的基本理论基础 . 19 3.1 引言 . 19 3.2 电磁感应原理 19 3.3 线圈的特性 20 3.4 磁性材料的选择 23 3.4.1 永磁体的选择 23 3.4.2 软磁材料的选择 24 3.5 振子的受力分析 25 3.6 装置的能量损耗 26 3.7 磁路与漏磁通 26 3.7.1 磁路的分析方法 27 3.8 有限元分析 28 3.8.1 Max
21、well 软件的介绍 . 28 3.8.2 Maxwell 静态磁场仿真的理论基础 . 28 3.8.3 Maxwell 瞬态磁场仿真的理论基础 . 29 浙江工业大学硕士学位论文 3.9 本章小结 . 30 第 4 章 低频振动能量收集装置的仿真和优化 . 31 4.1 引言 . 31 4.2 四片磁轭 的振动能量收集装置的静态仿真和优化 31 4.2.1 Maxwell 的静态仿真和边缘效应的削弱 . 31 4.2.2 网格独立性检验 34 4.2.3 Maxwell 的边缘效应及其削弱 . 36 4.2.4 永磁体尺寸及线圈铁芯尺寸的确定 41 4.2.5 装置的最终模型 41 4.3
22、四片磁轭的振动能量收集装置的动态仿真和结果计算 43 4.3.1 装置的动态仿真与优化 43 4.3.2 振子运行在有齿边缘时的受力分析 49 4.4 本章小结 . 50 第 5 章 外围电路的设计 . 52 5.1 引言 . 52 5.2 全桥式整流滤波电路 52 5.3 本章小结 . 56 第 6 章 结论与展望 . 57 6.1 结论 . 57 6.2 展望 . 58 参 考 文 献 . 59 致 谢 . 63 攻读学位期间参加的科研项目和成果 . 64 浙江工业大学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的背景及研究意义 近年来， 无线通信、片上系统和低功耗嵌入式
23、技术的飞速发展孕育出了无线传感网络。无线传感网络以其 低成本、分布式 、 低功耗、和 自组织 等 特点 得到了迅速广泛应 用。 但是无线传感网络 进一步发展 遇到了 瓶颈 ，主要 是其节点的供电问题 1。 目前的 无线传感网络节点的能源主要由其自身携带的能量有限的电池提供 ， 由于 无线传感网络 节点使用的 范围广 、数量 多 ，甚至 分布环境复杂， 造成了其电池更换成本比较高甚至于无法更换 23， 一旦电池能量耗尽，该节点就很难再次被使用。这样易造成 资源浪费，一个 节点故障，影响整个网络拓扑结构的变化 。因此， 有效的延长无线传感器网络 节点 的使用寿命 变得尤其重要。解决无线传感网络节点
24、的供电问题可以 考虑 优化网络结构上以减少能耗 。 除此之外，也可以从能源的提供和补充角度来解决上述问题 4。 增加电池的容量会一定程度上延长无线传感网络节点的使用寿命，但这毕竟不是长远之计。因此，学者们开始考虑 利用周围的各种环境能源，如 人们身边微小的振动、光、热和电磁波等 都可以被收集起来并转换为电能， 这就是能量 收 集技术。在室外，太阳能可以提供 15000W/cm3 的能 量 密度，约比其他能源高出两个数量级，然而，在室内，太阳能并不是一种有力的能源，因为室内的光能密度降低 1020W/cm3。此时，振动能量收集（ 300W/cm3）和气流发电（ 360W/cm3） 成为更有力的代
25、替方案 5-7。在自然界中，振动无处不在，如海浪波动，人行走时产生上下振动，汽车颠簸，树枝随风摇摆等，其振动能量通常被忽略，或者被减震器等设备吸收 8。如果把振动产 生的能量采集起来 并为无限传感网络供电 ，不仅能解决上述问题，而且大量减少电池对环境造成的污染。 除此之外， 振动能量 收集 技术 也可以整合进其他装置或系统，应用于实际 生活 或者科学研究。而通常 的振动能量收集 装置结构 、原理 简单，成本低， 普及可 行性比较高。因此，振动能量 收 集技术 的研究具有重要的意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 未来 几 年将是 能量 收集 技术实现爆发式增长的关键时期，它的应用范围也将不
26、断扩大。据英国 IDTechEx 公司预测，能量 收 集技术的应用范围将遍及消费性电子、军事、航浙江工业大学硕士学位论文 - 2 - 天、保健、石油与天然气、建筑、大 众运输等市场。它在飞机制造、个人健康监视系统以及防盗检测系统等领域的应用，将形成一个规模可达数十亿美元的市场。 而 振动能量 收 集技术 作为最重要的能量 收 集技术之一 ， 也 已经逐渐成为广大学者的研究热点。 特别是近几年 ，越来越多的振动能量收集装置被设计和研究出来 ，广泛 应用于 实际 生活 、科学研究和无线传感网络等领域 。 1.2.1 国内外的 研究现状 振动能量 收集 装置即振动发电装置。目前国内外研发试制的振动发
27、电装置依据其工作原理主要分为三种形式：电磁式、压电式和静电式。以下对三种形式振动发电装置的研究现状作简要介绍： 第一， 现有的电磁式振动发电装置均运用了导线切割磁磁力线产生电动势的原理。 近期对基于 电磁式 振动发电的研究主要集中在如下 3 个方面 ：人体振动能量捕获、微型电磁式振动发电装置和宽频带振动发电。 1) 人体振动能量捕获。著名的 Science 期刊上发表的文献 9报道了一种安装于登山背包中并采集背包上下振动能量的 振动能量收集 装置 ， 如图1-1 所示。当背包重 2038 千克时功率可达 7W 以上； Science 上另一文献 10报道，利用 图 1-1 一种基于人体运动的振
28、动能量收集装置 9 膝 关节 往复摆动发电的装置，功率可达 5W。文献 11用永磁体间的斥力替代弹簧，设计了一种无弹簧的振动发电装置，捆绑在人体臂、腿、头和腰各处，当上述部位运动时可捕获振动能量，装置的参数设计运用了 2 阶段优化。文献 12报道的发电装置与中的装置大致相同，装置由人随身携带，对人行走和跑动时进行测试表明可得到 13 毫瓦的功率，大致能为某些低功耗微传感器供电。 2) 微振动发电装置。 文献 13道了多极磁体可改善在电磁浙江工业大学硕士学位论文 - 3 - 式振动发电装置在低频下工作性能。文献 14认为制作电路板的材料 FR4 为较硅更好的振动弹性材料，为此试制了电磁式振动发电
29、装置加以对比验证。文献 15设计中一种 MEMS电磁式振动发电装置，包含稀土永磁体、平面铜弹簧和两层铜线圈，当振动频率为121.25Hz、加速度为 21.5 9.8m/ s 时产生电压振幅为 60mV；同一作者的进一步成果见于文献 16，当振动频率为 94.5Hz、加速度为 4.94m/s2 时产生电压振幅为 42.6mV。英国南安普顿大学 Beeby 等人组成的研究小组，一直致力于微型电磁式振动发电装置的 开发，文献17、 18、 19和 20反映了研究小组在该领域的持续努力，于 2007 发表的论文 21引起了轰动，被世界主要大媒体广泛报道。该论文报道的振动发电 装置 (见图 1-2)包含
30、一条作为弹性元件、经蚀刻加工的悬 臂梁，梁末端固定 2 组 4 块稀土永磁体，当梁振动时 2 组永磁体中间的线圈不动，线圈中将产生电动势。装置的总体积 0.15cm3，线圈绕线 2300 转，在振动频率为 52Hz、加速度为 0.59m/s2 时，电压达 428mV， 功率 46W，能量转换率 30，为当时最好的结果 . 3) 宽频带振动发电。 文献 22设计了压电执行器调整固有频率使得电磁振动发电装置达到谐振。文献 23设计包含一组不同尺寸悬臂梁的电磁 式微型振动发电装置，当外界振动频率在 4200-5000Hz 内变化时，其发电性能均较好，能产生 10mV 电压、功率 0.4W。文献 24
31、以分段线性悬臂梁代替线性悬臂梁设计了宽频带电磁振动发电装置。 图 1-2 四极电磁发电装置示意图 21 第二，压电式 振动发电装置 的 工作 原理是利用压电材料在受外界机械作用发生形变、形成内应力的情况下会产生电场。近期对基于压 电振动发电的研究主要集中在如下 3 个方面：新型压电材料的开发、系统工作频率调整扩展和高效能量转换与存储电路设计。 1) 新型压电材料的开发 。 压电材料对压电式振动 发电装置的 能量捕获能力起着至关重要的作浙江工业大学硕士学位论文 - 4 - 用，其性能参数直接影响产生电量的大小。目前应用最广泛的压电材料是压电陶瓷锆钛酸铅，为提高压电系统强度和能量转换效率，用于能量
32、采集的压电材料一直在研究开发中。近期的研究结果有如下：文献 25以离子聚合金属复合材料为压电材料，研究了其在液体环境中振动发电的 机理 ， 并进行了实验；文献 26研究了如何应用绕性较好的复合粗光纤制作振动发电装置，并讨论了装置的有限元模拟和优化。 2) 系统工作频率调整扩展 。多数振动发电装置仅能在外界振动频率接近与其自身谐振频率时才能有效工作，这以成为振动发电装置未能广泛应用的瓶颈。美国麻省理工学院的研究团队等提出了一个压电系统，可以采集人体在步行中产生的能量 27，其平均输出功率 1.8mW。 文 献 28设计压电振动发电装置，假设在外界振动为某种高斯白噪声，对装置充电电路中有电感和无电
33、感两种情况，依据随机过程的理论分析了其发电能力并进行了数值分析 。 文献 28设计了一种在一段频段 内 均 能较 有效通过振动采集能量的发电装置， 并用于为楼宇空调暖通系统中的无线传感节点供电。 3) 高效能量转换与存储电路设计 。研究表明充电电路的能量损失量往往大于系统能量采集量，充电电路的优化设计是大幅度提高系统效 率的重要途径。 文献 29研究了用电容储能的情况下压电振动发电过程中的充放电过程，分别对一般尺寸和微尺寸的情形进行了理论推导和实验验证。文献 30报道 了如何 实现单个芯片上集成压电振动发电装置和能量转换、存储电路，并以铝氮化合物作为压电材料。文献 31研究了利用压电振动发电实
34、现自充电的无线传感器节点建立健康监测网络，特别是以同步切换采 集技术实现高效能量采集。 文献 32主要研究能量转换和存储电路的设计，在 同步切换采集技术 的基础上提出了同步电荷抽取技术，并行感应同步切换采集技术和序列感应同步切换采集技术，大幅度提高了能量采集率。 第三，静电式振动能量采集方法通过改变电容来产生电能。在振动能量输出电能之前，需要对电容进行极化，此时电容上带有定量电荷，当振动块运动时会改变极板之间的距离或极板对应的面积从而使电容改变，最终使电荷移动形成电流。美国加州大学伯克利分校研制出的静电式振动能量采 集结果，该结构以低频振动为能量来源，采用基于硅的 MEMS工艺加工制造而成的可
35、变电容器，其基于距离调谐的静电式振动能量采集结构在工作频率为 120Hz，加速度为 2.25m/s2 时，输出红绿为 1162.25W/cm3。 2005 年，日本东京大学一研究小组提出了一种微型静电式振动能量采集结构 33，见 图 1-3，该结构采用高性能的聚合驻极体材料 CYTOP 提供电荷，实验证明，当振动频率为 20Hz、负载为 4M 时，该结构最大输出功 率为 0.278mW、输出电压峰值为 120V。文献 34从静电振动发电的原理出发，从理论上计算其发电能力。文献 35的分析比较了不同容量下静电振动发电机，认为静电振动发电的最高电压偏低。 浙江工业大学硕士学位论文 - 5 - 图
36、1-3 一种微型静电式振动能量采集结构示意图 33 近年来 ， 国 外 在振动发电装置的研制上取得一系列 重要 成 果 。 2009 年， 美国佐治亚理工学院 实 施了借助手指敲击以及仓鼠运动发电的实验，并获得了 100150mV 的交流电压 。该实验由佐治亚理工学院教授王中林的研究小组实施。王中林的小组一直在进行通过具有压电效应的氧化锌纳米线、从微小振动中获取电能的研究 。 此次将 14 根用于通过振动产生交流电压的氧化锌纳米线串联起来，像背包一样套在人的手指以及在转笼中转圈的仓鼠后背上，然后进行发电实验。每根纳米线的直径为 100800nm，长度为 100500m。最终，通过手指发电时，手
37、指在桌子上叩击一次可获得 20mV 的交流电压，通过 仓鼠的运动则获得了约 15Hz、最大为 100m150mV 的交流电压。 2009 年， 比利时研究机构 IMEC、荷兰研究机构 HolstCentre 与 TNO 在 “ 2009 IEEE International Electron Devices Meeting” 上宣布，联合开发出了将振动能量转换为电力的MEMS 元件，该元件采用 MEMS 技术在 150mm 的 SOI 晶元上制成。元件尺寸为3m m 3m m 1 .7m m，当振动频率为 1011Hz 时，能最大输出 489W 的电力 。 该发电元件由蚀刻 SOI 晶元制成
38、的悬臂型振荡器，以及将振荡器的振动转换为电力的压电 电容 器组成。压电电容器采用用金属箔夹着压电材料氮化铝薄膜的构造。 金泽大学副教授上野敏幸开发出了可获得高达 2W 发电量的振动发电机 。发电机 的外形尺寸仅长 2 5 0 m m 2 0 m m 2 0 m m， 如图 1-4 所示 。发电原理利用施加应力后使磁化发生变化的逆磁致伸缩效应。目标是配备在汽车及家电产品上。该发电机于德国当地时间 2011年 6 月 22 日在环境发电国际会议上发布。在此次国际会议上，金泽大学演示了用手轻击振动发电机来点亮 50 个 LED 的过程 。 浙江工业大学硕士学位论文 - 6 - 图 1-4 一种 逆磁
39、致伸缩 式振动发电机 2010 年，一个来自美国密歇根州的研究小组开发出利用昆虫飞行时翅膀振动发电的技术。研究人员将数枚压电发电机安装在一只经过特殊处理的绿花金龟的翅膀上，利用绿花金龟翅膀的振动发电。实验数据显示，绿花金龟飞行中的输出功率约为 45mW；并且研究人员预计，如果将发电机直接与绿花金龟的飞行肌相连，发电功率还可以再提高一个数量级。这样一来，昆虫翅膀振动产 生的电能足以让安装在昆虫身上的神经控制系统运转，从而实现对昆虫飞行动作的人工控制。 土耳其安哥拉中东大学的 Ibrahim Sari、 Tuna Balkan 等人和中国某一微细加工重点实验室共同研发了一 种 MEMS 振动发电装
40、置，该装置利用光刻技术集成线圈，通过与永磁体之间产生相对运动来发电，产生电能达微瓦级别，可以为某些低功耗设备供电 37-40。 2005 年，宾州州立大学的研究者 Geffrey 等 人 研制出了 一种的采用驱动器作为能量 收集元件的压电能量 收 集装置 39。该装置使用了 DC-DC 变换器，其最大可获 70.42mW 的功率。 三美电机在 “ CEATEC JAPAN 2012” 上参考展出了利用空调管道等的振动来发电的“ 微振动发电元件 ” 。 此次 开发的微振动发电元件采用电磁感应方式。其特点是与现有振动发电元件相比，能够利用宽频带的振动进行发电。为了利用宽 频带的振动，采用了竹中建筑
41、开发的技术。据三美电机介绍，该元件除空调管道外，还可利用汽车、桥梁及建筑等的振动。 该 微振动发电元件的外形尺寸为直径 9 1 m m 1 1 5 .5 m m 3 7m m。能利用 100mG 的振动发电 1.61.8mW。除发电元件外，三美电机还准备了集成有传感器、无线部分、 DC-DC转换器及电源电路等的传感器模块，无需追加部件便可构建传感器网络。 国内 一些学者也致力于振动你能量 收 集技术的研究，并取得积极成果。文献 41提出浙江工业大学硕士学位论文 - 7 - 了采 用蓄能稳压技术把 波浪 产生的不稳定 能 量 输入转换为稳定的能量输出 的方法 ，并进行了 数值分析和模拟 。文献
42、42推导出有关波浪能输出能量大小的一些重要结论。文献 43提出了一种永磁 式 直线波力 能量收集装置 ， 该文献通过 采用电磁场有限元 数值 分析 的方法仿真出了 了电机磁场 分布以及该装置在 空载 时的 感应电动势， 并通过理论计算的方法 求解了该能量收集装置的攻角特性曲面以及其 定子绕组的电感参数。 2011 年，上海交通大 学的马华安等人设计了基于环境能量采集的压电振动能量采集45，在悬臂梁上施加磁铁时固有频率为 86Hz，产生峰值电压最大值 18.6V；在悬臂梁上下方施加上面排斥下面吸引的磁铁时的固有频率为 77Hz，相应峰峰值电压最大 15.4V，为无线传感器和微机电系统的长期供能提
43、供了一种有效解决方案。 2000 年，香港中文大学的研究人员设计了一种磁体弹簧结构，它有稀土永磁体安装激光微加工的螺旋铜弹簧上形成。对蜿蜒弹簧和螺旋弹簧进行了仿 真，结果表明螺旋弹簧具有双倍的位移 45。弹簧有 100m 厚德通篇经激光微加工形成。弹簧直径从 4mm 到 10mm不等，宽度 /间距从 40/40m 到 100/100m 不等。弹簧 -质量块结构的谐振频率为 64Hz。绕线线圈固定在器件外壳上。器件的整体尺寸约为 1cm3。振幅 100m，在谐振频率处产生2V 电压，输出功率为 10mW。作者在其后的一篇论文中介绍了制备与印制电路板上的类似器件。通过对螺旋弹簧的改良，在 200m
44、 的振幅 、 100Hz 的频率以及第三模态下，输出峰值电压科大 4.4V，最大功率 830W。 1.2.2 国内外所研究装置的 问题 及其 发展 趋势 就振动发电而言，普遍认为，鉴于尺寸效应上的特点，利用静电发电原理仅适合在微尺寸下作振动发电装置；从发电功率来看，较其他两种方式也有较大 差距 46。文献 47比较了电磁式和压电式振动 能量收集 装置，结果显示当振动频率较高、加速度较 大时压电式较好，而振动频率较低、加速度较小时电磁式表现较好 。 同时， 相比其它两种方式的振动能量收集装置， 电 磁式的振动能量收集装置的适用频率范围比较广 、 结构简单 、 成本比较低。 就本文多关注的生活 而
45、言，其振动往往是比较低频的，约为 14Hz， 这时 电 磁式振动能量收集装置成为了最佳选择 。 虽然目前国内外已经有了相当多的 电磁式 振动能量收集装置，但是 从现有文献看，现有的 电 磁式振动发电技术仍有如下问题和挑战： 1. 现有文献讨论的振动 能量收集 装置中均未实现闭合磁路，即磁力线需在空气等磁阻很大的介质穿越较长距离，对提高磁感应强 度提高发电电动势极为不利。 2. 现有文献讨论的振动 能量收集 装置均采用导线切割磁力线的发电原理，该工作方式浙江工业大学硕士学位论文 - 8 - 下线圈中总磁通变化速度 较慢 造成发电电压偏低。如果为提高电动势而选用匝数更多的线圈，会使磁路的气隙宽度提
46、高，从而降低磁感应强度。 3. 从电磁发电的原理来说，低振动频率对获得较高电动势是不利的。现有文献中考虑的最低频率主要见于研究捕获人体振动能量的文献中 48，其数值在 2Hz 以上 ，非常不利于研制可应用于生活实际的装 置 。 4. 上述振动发电相关文献大多工作在其固有频率附近，或者可以工作在某个高频区段，对工作于生活中的振动一般发生在的低频区段以及振动频率随机变化的情况研究不足。 鉴于上面 提到的目前振动能量收集装置存在的问题 ，装置发电效率较低是其主要问题 。而 注意到 目前的振动能量 收 集装置大多数都 未能形成闭合磁路，永磁体利用率较低，这样的装置 往往通过 高频振动才能产生 一定的
47、能量 ，大大限制了振动能量采集装置的应用领域。 如何 研制出具有闭合磁路的、 同时加快在同频率下磁通的变化率， 使其 能 工作 在 实际生活中的 低频振动的条件下 、且 产生较大的振 动能量给 某些 较高功耗的产品或者系统使用的振动能量 收集 装置是未来振动 能量收集 装置发展的 主要 方向。 1.3 低频 振动能量 收 集装置的 应用领域 低频 振动 能量收 集 装置 的研究 具有重要的 意义的。其研究成果可广泛 应 用于 实际生活以及科学研究 ，以下是其可能的应用领域。 1. 振动能量 收 集装置可设计成的干电池形状的通用性振动发电电池。 2010 年， 日本的兄弟工业公司推出了一种新型
48、振动发电 电 池 ，它可以取代 AAA 电池（ 7 号电池）。这种电池内置有一个小型的 振 动发电机，电池组由一个发电机和蓄电电池组成，能够支持功耗为 100mW 以内的电 子产品使用。 如可应用于在电视机遥控器上 ， 只要在使用前只要轻轻振动几下即可，永久环保。 2. 振动能量 收 集装置 可以制成移动电源的形式 。 振动能量收集装置 能 耦合 USB 充电电路 ， 装在背包里， 在人体登山或者运动的情况下，振动 能量收集装置 能产生电能通过USB 给手机 、 相机等电子产品充电。在外出旅行或者登山的情况下充电 时常比较困难 ，拥有 移动电源式的振动能量收集装置 ，那么能源提供问题将得到解决
49、。如图 1-5 为国外开发的一个小型的振动发电移动供电源，该设备最大可供 1000mAh 电池充电。 3. 振动能量 收 集装置可以 作为 无线传感网 络节点的供电源 49。无线传感器网络中存在大量在长期工作无人职守的环境中负担着数据采集、计算与通讯工作的传感器节点。由浙江工业大学硕士学位论文 - 9 - 于传感器网络中节点个数多、分布区域广、所处环境复杂，通过更换电池的方式来补充能源通常不可行，电池寿命成为节点寿命的瓶颈。这种永久性的振动 能量收集装置 的成功应用于无线传感网络系统，将升华无线网络系统，并为无线传感网络的二次开发打下坚实的基础。振动能量 收 集装置可以安装在自然环境中，在风吹动振动能量 收 集装置 的过程中，振动能量 收集装置将会收集振动能量并转换为 电能给无
