研究背景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展使得傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量急劇增加，這些節(jié)點(diǎn)需要長期在線運(yùn)行并保持高可靠性。然而，傳統(tǒng)電池供電方式存在壽命短、維護(hù)成本高等問題，難以滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的長期供電需求。由于人體行走中蘊(yùn)含著高品質(zhì)的振動能量，利用磁致伸縮振動能量收集器收集人體行走的振動能量為傳感器供電具有廣闊的應(yīng)用前景。人體行走振動是低頻振動，振動能量收集器很難有效地收集和利用。如何從人體行走振動中收集到可觀的能量，是制約磁致伸縮振動能量收集器發(fā)展的一個問題。

論文所解決的問題及意義

目前升頻方式主要包括自振升頻和旋轉(zhuǎn)升頻兩種。自振升頻結(jié)構(gòu)作用在磁致伸縮材料上的激勵振動頻率沒有增加，導(dǎo)致裝置的輸出功率相對較低。而對于旋轉(zhuǎn)升頻結(jié)構(gòu)，當(dāng)外界振動頻率變化時，裝置輸出的電壓頻率也會變化，導(dǎo)致最佳負(fù)載電阻發(fā)生變化，從而使輸出功率降低。

鑒于以上兩種升頻方法的局限性，研究人員提出了一種新型的旋轉(zhuǎn)升頻方式，既可以提高作用在磁致伸縮材料上的激勵振動頻率，又能夠使磁致伸縮材料產(chǎn)生自由振動。該裝置顯著提高了輸出功率，簡化了阻抗匹配過程，在物聯(lián)網(wǎng)傳感器供電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。提出的分布式動態(tài)輸出電壓模型為類似能量收集器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1、旋轉(zhuǎn)升頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 旋轉(zhuǎn)升頻磁致伸縮振動能量收集器結(jié)構(gòu)示意圖

研究人員設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)升頻結(jié)構(gòu)磁致伸縮振動能量收集器由旋轉(zhuǎn)升頻結(jié)構(gòu)、磁致伸縮結(jié)構(gòu)、線圈和偏置磁鐵組成。旋轉(zhuǎn)升頻磁致伸縮振動能量收集器結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋轉(zhuǎn)升頻結(jié)構(gòu)通過扭轉(zhuǎn)桿和飛輪的相互作用，將低頻線性振動轉(zhuǎn)化為高頻旋轉(zhuǎn)振動，同時引發(fā)磁致伸縮金屬片的自由振動，實(shí)現(xiàn)頻率的升高。

2、分布式動態(tài)輸出電壓模型

圖2 空載條件下不同勵磁頻率時模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試的峰峰值電壓對比

圖3 激勵頻率為52Hz時空載條件下

模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試的輸出電壓信號比較

研究人員基于歐拉-伯努利梁理論，給出了被激勵后的磁致伸縮金屬片的振動方程。根據(jù)經(jīng)典的機(jī)電耦合模型和Jiles-Atherton物理模型，推導(dǎo)出了應(yīng)力與磁化強(qiáng)度之間的關(guān)系。結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)定律，建立了分布式動態(tài)輸出電壓模型。該模型可以預(yù)測不同激勵頻率下的輸出電壓。圖2和3對比了模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，峰值-峰值電壓的平均相對偏差為4.9%，輸出電壓信號的平均相對偏差為8.2%。該模型能有效預(yù)測旋轉(zhuǎn)升頻結(jié)構(gòu)磁致伸縮振動能量收集器的輸出特性，為該類裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論支持。

3、輸出特性

圖4 不同激勵頻率下峰峰值電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系

圖5 不同勵磁頻率下被測RMS電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系

圖6 不同勵磁頻率下被測RMS功率與負(fù)載電阻的關(guān)系

研究人員實(shí)驗(yàn)測試了不同負(fù)載下的峰峰值電壓、RMS電壓和RMS功率。圖4為不同激勵頻率下峰峰值電壓和負(fù)載電阻之間的關(guān)系，最大峰峰值電壓為58.60 V。圖5顯示了測試的RMS電壓與不同激勵頻率下的負(fù)載電阻之間的關(guān)系，最大RMS電壓為9.54 V。圖6顯示了在不同激勵頻率下測試的RMS功率和負(fù)載電阻之間的關(guān)系。在負(fù)載電阻為800 Ω的情況下，無論激勵頻率是多少，該激勵頻率下的RMS功率都是最大的。證明該裝置在不同激勵頻率下均能實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。

結(jié)論

研究人員提出的旋轉(zhuǎn)升頻結(jié)構(gòu)磁致伸縮振動能量收集器，可以提高作用在磁致伸縮材料上的激勵振動頻率，并使磁致伸縮材料產(chǎn)生自由振動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置在輸出功率和阻抗匹配方面表現(xiàn)出色，其最大峰值電壓為58.60 V，最大均方根功率為56.20 mW，能夠滿足為物聯(lián)網(wǎng)傳感器供電的需求。研究人員提出的分布式動態(tài)輸出電壓模型具有良好的精度，為類似能量收集器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

河北工業(yè)大學(xué)新型磁性材料與智能器件研究室隸屬于省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。研究室自2000年以來一直從事新型磁材料與智能器件的研究，是國內(nèi)最早研究新型磁材料與器件的單位之一。獲2019年度河北省自然科學(xué)二等獎。

黃文美

河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，中國電力教育協(xié)會電氣工程學(xué)科教學(xué)委員會委員，研究方向?yàn)榇胖律炜s超聲換能器、磁致伸縮能量收集器。

王博文

河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，中國物理學(xué)會相圖專業(yè)委員會委員，中國科學(xué)院國際材料物理中心成員，國家863課題評審專家，國家留學(xué)基金評審專家。

翁玲

河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，中國自動化學(xué)會智能自動化專委會委員，研究方向?yàn)榇判圆牧吓c智能器件、觸覺傳感技術(shù)和視觸融合。

李明明

河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇胖律炜s材料制備、磁致伸縮液位傳感器和觸覺傳感器。