趙智堃 ， 許雨寒 ， 朱大松 ， 許 鋒 ， 楊胡坤

（巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 238024）

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們戶外旅游的興趣與日俱增，電能也已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠??；诖?，課題組設(shè)計了一種便攜式振動能量回收裝置，以方便人們用電。

當(dāng)前，針對振動能量回收利用的研究，成果頗豐。美國得克薩斯州的大學(xué)生基于壓電技術(shù)成功設(shè)計了一款袖珍風(fēng)車；陳子光等[1]研究壓電陶瓷圓柱殼的扭轉(zhuǎn)振動問題并建立了輸出電壓、電流、能量、效率及功率密度的解析表達(dá)式；張揚(yáng)鍵等[2]介紹了一種結(jié)合壓電式能量采集與靜態(tài)能量采集的復(fù)合式振動能量采集器；李軍等[3]通過對圓形壓電振子的研究，發(fā)現(xiàn)圓形壓電振子的共振頻率、靜態(tài)電容、動態(tài)電容隨其預(yù)應(yīng)力的增加而增大，在達(dá)到一定數(shù)值后三者趨于穩(wěn)定，且圓形壓電振子的動態(tài)電感恒定不變；孔凡國等[4]利用車輛產(chǎn)生振動的能量，通過導(dǎo)向柱及磁棒上下運(yùn)動切割磁感線來產(chǎn)生感應(yīng)電流。

前人的研究大多單一集中在壓電或磁電領(lǐng)域，基于此，課題組將壓電-磁電結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，以期綜合提高磁電轉(zhuǎn)換與壓電轉(zhuǎn)換的效率，從而提高振動能量的利用率。

2 便攜式壓電儲能裝置功能要求

便攜式壓電儲能裝置的關(guān)鍵技術(shù)是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)和電磁發(fā)電，以達(dá)到充分利用能量的目的。故課題組設(shè)計的壓電儲能結(jié)構(gòu)要求如下：1）結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，質(zhì)量輕，體積小，便于攜帶；2）充分利用能量，將壓電材料和磁場切割相結(jié)合，提高振動能量轉(zhuǎn)化為電能的效率并儲存起來。

3 便攜式壓電儲能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

便攜式壓電儲能裝置由底座、壓電陶瓷材料線圈、蓄電池、插座、回收電路模塊、上端蓋彈簧和支撐座組成。當(dāng)人行走或機(jī)器運(yùn)行時產(chǎn)生振動，即在外部振動激勵源的作用下，彈簧上的永磁體作為振子產(chǎn)生振動。一方面，永磁體在固定線圈內(nèi)產(chǎn)生切割磁力線作用，產(chǎn)生交流電流[5]；另一方面，振動對壓電材料產(chǎn)生擠壓作用，壓電材料也將產(chǎn)生間歇性電流[6]。通過電能回收裝置，使兩者所產(chǎn)生的電流耦合，并儲存到能量收集裝置中（如蓄電池、電容），便于用電裝置的使用。課題組設(shè)計的便攜式壓電儲能裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 便攜式壓電儲能裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 磁電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

在外部振動激勵源的作用下（如人或機(jī)器工作時產(chǎn)生的振動），裝置中的彈簧振子將發(fā)生一定幅度的上下振動，帶動永磁體在固定線圈內(nèi)振動，從而產(chǎn)生切割磁力線作用，產(chǎn)生交變感應(yīng)電流。通過電能回收電路，把電能儲存在能量收集裝置中，其工作原理如圖2所示。能量收集裝置主要由磁電轉(zhuǎn)換裝置、整流穩(wěn)壓電路及蓄電器三部分組成，課題組將從分別從人體步行和車輛運(yùn)行兩種情況分析其對振動能量的回收情況，以確定該裝置振動能量回收的功率范圍。

圖2 磁電轉(zhuǎn)換原理

3.1.1 人體步行振動能量

線圈做切割磁力線運(yùn)動所產(chǎn)生的平均電壓公式為：

式中，N為線圈匝數(shù)；S為磁鐵橫截面積，m2；B為磁場強(qiáng)度，T；T為切割磁力線周期時間，s。

研究表明，人體運(yùn)動時，步頻一般為0.5 s/步（即每走一步的時間為0.5 s）。若磁鐵直徑為4 cm，則磁鐵橫截面積為：

設(shè)B=1 T，N=2 000，ΔT=0.25 s，則平均電壓為：

設(shè)線圈直徑為0.2 mm，電阻為10 Ω，外電路電阻100 Ω，則平均電流為：

則人體步行時產(chǎn)生的振動能量磁電轉(zhuǎn)換回收功率為：

3.1.2 車輛振動能量

車輛在行駛過程中，經(jīng)過減速帶產(chǎn)生的振動能量較大[4]。汽車正常行駛時，振動頻率在0.2 Hz ～8 Hz，為綜合考慮汽車正常運(yùn)行時所產(chǎn)生的振動能量并考慮振動幅度，故在計算分析時，設(shè)汽車在正常行駛過程中的振動周期ΔT=0.2 s（5 Hz）。由此代入式（1），可以得到汽車在正常行駛過程中磁電轉(zhuǎn)換所得電壓：

同理可得平均電流為：

則此時車輛振動產(chǎn)生的振動能量磁電轉(zhuǎn)換回收功率為：

3.2 壓電陶瓷發(fā)電機(jī)構(gòu)

當(dāng)壓電陶瓷材料被施加外界壓力，壓電陶瓷材料會發(fā)生一個形變，此時對應(yīng)的受力面改變了壓電材料表面的電中和狀態(tài)，分別在兩個面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷，即壓電效應(yīng)[7]。

壓電陶瓷發(fā)電機(jī)構(gòu)整體由上下兩片壓電陶瓷和中間的彈簧組成。在外部振動激勵下，彈簧發(fā)生形變且會在上下兩端產(chǎn)生反向的擠壓力，對固定在上下兩部分的壓電陶瓷材料產(chǎn)生擠壓。壓電材料受到外力作用時對外輸出電荷，將振動能轉(zhuǎn)化為電能。壓電材料發(fā)電原理如圖3所示，壓電發(fā)電公式為[8]：

圖3 壓電陶瓷發(fā)電原理

式中，ω為等效電源角頻率，Hz；U為作用方向上壓電陶瓷的電壓，V；C為作用方向上壓電陶瓷的電容，F(xiàn)；R為負(fù)載電阻，Ω。

人體步行時所產(chǎn)生的振動能量經(jīng)壓電材料轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生的電能微乎其微，故不進(jìn)行理論計算分析。

根據(jù)上文車輛振動能量計算條件，設(shè)壓電陶瓷等效電壓為24 V，等效電容50 μF，等效頻率為5 Hz，負(fù)載電阻為40 Ω，則：

此時車輛振動產(chǎn)生的振動能量壓電發(fā)電轉(zhuǎn)換回收功率為：

由以上計算可知，在振動能量回收中，磁電轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換功率要比壓電發(fā)電轉(zhuǎn)換大得多。綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計的振動能量回收裝置轉(zhuǎn)換回收功率范圍為：

因此，當(dāng)日常所產(chǎn)生的振動能量被合理地利用起來，可對人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)急用電產(chǎn)生重要作用。

4 便攜式壓電儲能裝置電路原理

永磁體作為振子，其在振動激勵作用下于固定的線圈內(nèi)按一定振幅振動，產(chǎn)生切割磁力線運(yùn)動，從而產(chǎn)生感應(yīng)交變電流[9]。感應(yīng)電流是交變電流，電流通過整流器可轉(zhuǎn)變成直流電，將電能儲存在電池中。壓電陶瓷發(fā)電裝置通過擠壓放電，再經(jīng)過整流電橋轉(zhuǎn)化成直流電流，最終將電能儲存在蓄電池中[10]。便攜式壓電裝置電路原理如圖4所示。

圖4 便攜式壓電裝置電路原理

5 結(jié)論

課題組將壓電-磁電結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，設(shè)計了一種便攜式能量回收裝置，旨在充分回收人類行走或機(jī)器振動產(chǎn)生的振動能量，本文結(jié)論如下：1）設(shè)計了一款便攜式振動能量回收裝置，該裝置體積小、便于攜帶，適用于回收人體行走或機(jī)械振動產(chǎn)生的能量；2）所設(shè)計的裝置在結(jié)構(gòu)上利用外界激勵振動作用于彈簧振子上，形成對壓電材料的擠壓及磁場切割產(chǎn)生電能并回收。