電磁式低頻振動移動電源設計

1、吉林省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目申請書推 薦 學 校 北華大學 項 目 名 稱 電磁式低頻振動移動電源設計 項 目 類 型 創(chuàng)新訓練項目創(chuàng)業(yè)訓練項目創(chuàng)業(yè)實踐項目 所屬一級學科名稱電氣工程 所屬二級學科名稱 電力電子與電力傳動 項 目 負 責 人 張紹鵬 申 報 日 期 2014-04-16 吉林省教育廳制二一四年三月項目名稱電磁式低頻振動移動電源設計項目類型（）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目 （）創(chuàng)業(yè)訓練項目 （）創(chuàng)業(yè)實踐項目項目實施時間起始時間：2014 年 6 月 完成時間： 2016 年 6 月申請人或申請團隊姓名年級學校所在院系/專業(yè)聯系電話E-mail主持人張紹鵬12級北華大學電氣學院/電子信息工程1

2、56621307331663625827 姜鑫13級北華大學電氣學院/通信工程186299484702225057442 成 員馬超13級北華大學電氣學院/測控技術與儀器18629947685957992093 張愛金13級北華大學電氣學院/通信工程186432236351355895374 屈陽13級北華大學電氣學院/電氣工程及其自動化18684320926952885914 指導教師姓名張玉欣研究方向智能檢測與信息優(yōu)化處理年齡35行政職務/專業(yè)技術職務講師主要成果科研項目：1. 人工免疫粒子群優(yōu)化神經網絡在變壓器故障診斷中的應用研究，吉林省教育廳，20132016（在研），主持.2. 基于

3、色譜分析法的變壓器在線監(jiān)測及故障診斷研究，吉林省教育廳，20102012（完成），排名第4.3. 旋轉化工設備故障檢測與診斷系統(tǒng)，北華大學，2008.12（完成），排名第6.4. 基于指紋的考勤管理系統(tǒng)，北華大學，2008.4（完成），排名第4.5. 信息類專業(yè)應用型本科課程體系的研究與實踐，北華大學，2009.9（完成），排名第4.論文：1. Application of stochastic resonance in digital image filtering，Advanced Materials Research，EI，2013.01，第一作者.2. Application of B

4、P neural network based on immune particle swarm optimization for fault diagnosis of power transformer. Applied Mechanics and Materials，EI，2013.09，第一作者.3. A Real-time Two-dimensional Correlation Speed Measurement Based on Image，CMCE 2010，EI，2010.8，第一作者.4. 基于CMOS圖像傳感器的實時二維相關測速法，液晶與顯示，中文核心，2010.12，第一作者

5、.5. 軸溫報警器檢測平臺的設計與實現，制造業(yè)自動化，中文核心，2010.8，第一作者.6. Research of VGA display for 2048 resolution power linear CCD based on SOPC，ICFIEA2010，201012，第一作者.7. 像移補償技術的發(fā)展與展望，中國光學與應用光學，2010.4.，第一作者.8. CDIO模式下高頻電子技術課程教學體系研究，科技信息，2012.3，第一作者.9. 基于單片機的城市污水處理系統(tǒng)研究，中國電機工程學會第十屆青年學術會議論文集，2008.4，第一作者.10. 概率神經網絡在隧道變形位移監(jiān)測中的

6、應用，冶金自動化，中文核心，2012.8，第二作者.1、 項目實施的目的、意義 進入21世紀后，伴隨著工業(yè)化的高速發(fā)展，全球性的環(huán)境惡化和能源危機正威脅著人類的長期穩(wěn)定發(fā)展。因此，新能源的開發(fā)利用及各類能源的綜合利用已成為各國戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃中的重要組成部分，新型的清潔替代能源已成為各國研究的重點。在我們生活的空間里存在著各種潛在的、可利用的能源，如太陽能、風能、熱能、機械振動能、潮汐能等。如何收集并存儲這些能源，是近年來科學家們努力研究的焦點問題之一。目前，太陽能和風能的研究已經取得了一定進展，而直接利用物體的機械振動來發(fā)電并存儲已成為新能源研究中的一大熱點，機械振動能具有相對高的能量密度、其普

7、遍存在，且沒有污染，尤其是存在于人體行走、汽車運動、機械振動環(huán)境中。如果能將這些機械能收集并加以利用，將為目前日益嚴重的能源危機做出巨大貢獻，因此具有良好的應用前景。振動式發(fā)電是利用靜電、壓電、電磁等效應，通過一些裝置將外部的機械振動能轉換成電能，在經濟、安全、環(huán)保性方面具有明顯優(yōu)勢。根據不同的產電形式，可將微型振動式發(fā)電分為電磁式、靜電式和壓電式三種，其中電磁式振動能量采集器較其它兩種方式具有體積小、發(fā)電量大的優(yōu)勢，并且無需驅動電源，可適用于各種惡劣環(huán)境中。自然界中振動無處不在,但其振動產生的能量往往消耗于減震器等設備,或者直接被忽略。針對當前如何收集振動能并將其轉換為電能的問題，本項目擬設

8、計出一種新的振動能量采集和存儲裝置，將人體跑步或走路中的振動能轉換為電能收集并存儲起來。振動產生的電能通常是毫安、毫伏級的，若能完成振動電能的存儲，為手機、微型傳感器等各種微電子器件提供不間斷供電、隨時充電等問題，這將為人們的生活帶來極大的便利，具有良好的社會效益和經濟效益。二、項目研究內容和擬解決的關鍵問題項目研究內容： (1)電磁式低頻振動能量采集裝置原理研究與機械結構設計。電磁式振動采集器的工作原理是利用法拉第電磁感應定律。在外部振動的激勵下，磁鐵與線圈產生相對運動，引起線圈中的磁通量發(fā)生變化，從而在線圈中產生感應電動勢來對外電路進行供電。在結構方面獨特的發(fā)電裝置控制了磁路方向，可任意改

9、變磁軛形狀達到隨意放置線圈，在最優(yōu)的發(fā)電情況下可優(yōu)化的縮小體積。 (2)電能存儲裝置原理研究與電路設計 。電能存儲電路部分是將采集到的電能整流、穩(wěn)壓、存儲到儲能器中。將輸出的交流電通過整流檢波、電感電容儲能、升壓、穩(wěn)壓等電路后，系統(tǒng)的輸出端達到 50.5V、355mA 的穩(wěn)定電能，可為手機、MP3、微電子器件充電。 (3)電能傳輸裝置原理研究與電路設計 。的電子產品充電。電能輸出對電磁式低頻振動移動電源有著重要的作用，電能的輸出擬采用通用USB接口數據總線傳輸和無線傳輸兩種電能傳輸方式。通用USB接口數據總線傳輸電能可滿足目前大多數電子數碼產品的供電要求、無線傳輸對內帶有無線電能模塊(4)系統(tǒng)

10、仿真實驗利用Matlab 仿真軟件中的PDE 工具箱對線圈和磁鐵的磁場隨振動變化情況進行仿真分析。利用Protel 和 Multisim(EWB)電子仿真軟件對微電存儲電路進行仿真實驗。(5)系統(tǒng)硬件實驗系統(tǒng)硬件電路由電磁式振動采集電路、存儲電路、傳輸電路三部分組成，各電路經實驗板實驗通過后，制作專用PCB電路版，通過實驗室儀器進行檢測，分析各種參數、系數對輸出電壓的影響。并最終對功能、效果、精度等指標進行測試和分析。擬解決的關鍵問題：(1)電磁式振動能量采集裝置的實現 電磁式振動電能采集裝置結構設計應做到能最優(yōu)收集振動能量，高效的將振動能轉換為電能，且輸出的電壓應能夠滿足后續(xù)電路芯片工作需要

11、，同時應考慮到結構大小，電磁干擾等因素。(2)超級電容器電能存儲裝置的實現實現對振動裝置產生出的交流電最大化的存儲,同時可串聯或并聯多塊電容達到升壓和增大儲能的效果，同時增加電流穩(wěn)定性、提高電路的儲能率。(3)非接觸式電能傳輸裝置的實現應用諧振變換技術、軟開關切換技術等，借助現代控制理論和方法，實現電能從靜止電源設備向移動設備的非接觸傳遞。(4)電能管理電路的設計 對機械振動轉換得到的電能進行整流檢波、升壓存儲、升壓等功能，且要求保證輸出電能的品質。三、項目研究與實施的基礎條件 1.學生基礎項目組學生包括信息、測控、通信、電氣四個專業(yè)，涵蓋了本項目所需的各領域，對項目的開展與實施奠定了良好的理

12、論基礎。項目組學生在自動化技術吉林省大學生課外創(chuàng)新實踐基地（即電氣信息工程學院創(chuàng)新實踐基地）經過近兩年的學習，對電子電路、微控制器、無線傳輸等技術積累了一定的理論基礎和實踐經驗。本項目組成員對本項目的研發(fā)有著濃厚的興趣和積極性，完全具備完成本項目的能力。2.環(huán)境基礎項目組成員均為自動化技術吉林省大學生課外創(chuàng)新實踐基地（即電氣信息工程學院創(chuàng)新實踐基地）成員，該基地硬件設施齊全，提供了良好的場地和設備，具有很好的研究條件。同時，電氣學院的電力系統(tǒng)及自動化實驗室、信息采集與處理實驗室、通信實驗室、測控技術實驗室均為開放式實驗室，為本項目相關內容的實驗提供了良好的硬件支撐。3.教師基礎本項目的指導教師

13、具有博士學位，目前承擔省級科研項目的主持工作。指導兩屆校級大學生創(chuàng)新項目。2006年至今指導畢業(yè)設計學生100人左右。參與過大學生電子設計大賽的指導工作。具有項目實施、論文撰寫的指導能力。 四、項目實施方案本項目主要由三個環(huán)節(jié)組成：振動能量采集、電能管理和電能輸出。如圖1所示。圖1 系統(tǒng)組成框圖一、電磁低頻振動發(fā)電式移動電源振動能量采集部分設計：系統(tǒng)的工作原理是在外界振動的激勵下，電磁式低頻振動發(fā)電式移動電源做軸向運動,外殼及磁軛等與振子發(fā)生相對運動,引起感應線圈上磁通大小和方向不斷變化,依據電磁感應的原理,線圈上將產生感應電動勢，響應可看作一個正弦波。1、振動能量采集部分機械結構：實際生活的

14、振動頻率是比較低的，因此要想在實際生活中對低頻的振動能量有較多的利用,那么必須要求所設計的振動能量收集裝置效率夠高,能在低頻的振動條件下產生較大的電能。針對低頻振動的條件,本項目提出了一種高效率低頻振動能量收集裝置,其結構圖如圖2所示。圖2 振動能量采集部分結構圖該振動能量收集裝置包括:導磁材料制作的前、后、左、右磁軛（防止振子在振動過程中發(fā)生傾斜）和線圈支架、鋁質材料的底座、漆包線圈和振子。振子部分又由永磁體,上、下銜鐵,以及上、下彈性緩沖墊粘合組成。前、后、左、右磁軛上各有一段凹凸等寬的方齒,前后與左右磁軛上的方齒錯位一個齒寬。永磁體按圖中豎直方向充磁,不妨假設上方為N極下方為S極。永磁體

15、上下各有一個銜鐵,其厚度等于磁軛齒寬。永磁體厚度為齒寬的偶數倍,這樣可保證一當銜鐵正對一側磁軛上的齒頂時, 另一銜鐵正對該磁軛齒底處。振子銜鐵外徑稍大于永磁體外徑, 而磁軛方齒內徑又略大于銜鐵外徑,即徑向存氣隙, 氣隙的大小對裝置性能產生一定影響。底座起定位作用,與線圈支架一起卡死前、后、左、右銜鐵，除此之外,整體裝置還包括鋁質蓋子和外殼。外殼內壁有4條周向各寬60°的對稱軸。該結構一方面作為振子上下運動的軌道,限制振子運動范圍，防止其卡入前、后、左、右磁軛的齒間；另一方面也用于前、后、左、右磁軛,底座和線圈支架的徑向定位,防止其發(fā)生轉動。線圈支架的中間部分稱為中

16、心鐵芯,能纏繞漆包線形成線圈。2、振動能量收集裝置的工作原理:1)永磁體下面的下銜鐵與左右磁軛的齒頂相對時,該下銜鐵與前后磁軛的齒底相對,永磁體上面的上銜鐵與前后磁軛齒頂相對且與左右磁軛的齒底相對。由于軟磁材料傳遞磁力線的特性,磁力線由永磁體的N極發(fā)出,先后經過永磁體上面的上銜鐵、氣隙、前后磁軛、頂軛、左右磁軛、氣隙和永磁體下面的下銜鐵回到永磁體的S極,形成閉合回路。2)振子向上振動,當永磁體下面的下銜鐵與左右磁軛的齒頂的相對面積大于與齒底的相對面積時,磁力線從永磁體的N極發(fā)出,經過上銜鐵后,大部分磁力線經過氣隙向前后磁軛走,再經過頂軛、左右磁軛、氣隙、下銜鐵,回到永磁體的S極,但也有磁力線經

17、上銜鐵、氣隙、四片磁軛、氣隙、下銜鐵,回到永磁體的S極。與情形1)相比,通過線圈支架的磁通減少了。3)振子繼續(xù)向上繼續(xù)振動,當永磁體下面的下銜鐵和左右磁軛的齒頂相對的面積跟與齒底相對的面積相等時,磁力線從永磁體的N極發(fā)出,傳向上銜鐵,再經過氣隙分別傳向四片磁軛,由于左右對稱性,磁力線向上走的部分相互抵消,即磁軛上面中軸上的磁感應強度為0。四片磁軛各自向下走的磁力線,分別經過磁軛和氣隙傳到下銜鐵,再回到永磁體的S極。4)振子繼續(xù)向上振動,當永磁體下面的下銜鐵和左右磁軛的齒頂的相對面積比齒底相對面積小時。磁力線從永磁體的N極發(fā)出,大部分磁通經上銜鐵、氣隙、四片磁軛、氣隙、下銜鐵,回到永磁體的S極。

18、另有一部分磁通經過上銜鐵、氣隙、左右磁軛、頂軛、前后磁軛、氣隙、下銜鐵,回到永磁體的S極。與情形2)相比通過線圈支架的磁通方向相反。5)振子繼續(xù)向上振動,當永磁體下面的下銜鐵和左右磁軛的齒底對齊時,磁力線由永磁體的N極發(fā)出,先后經過永磁體上面的上銜鐵、氣隙、左右磁軛、頂軛、前后磁軛、氣隙和永磁體下面的下銜鐵回到永磁體的S極,形成閉合回路。此時的磁力線走勢跟情形1)正好相反。3、振動能量采集部分磁性材料的選擇：本裝置形成了閉合磁路,依靠軟磁材料制成的磁軛和線圈支架來傳遞磁力線,軟磁材料的磁傳導能力決定了裝置的性能。提高磁軛和線圈支架的導磁能力能使較多磁力線按著裝置設計的磁路傳遞進而提高裝置效率;

19、而在一定范圍內提高永磁體性能,則能有效提高線圈的磁鏈,在同一振動頻率下能有效提高感應電動勢。因此磁性材料的選擇至關重要。在相同體積下,稀土永磁體的磁場強度最大,因此常常成為振動能量裝置的首選,同時由于它的矯頑力比較高,不會因為裝置的振動而退磁。因此,本裝置選用稀土永磁體作為其材料,確定以NdFe35作為永磁材料。軟磁材料的矯頑力與永磁材料的矯頑力類似,矯頑力越大,材料的磁化難度越大,本裝置中的磁輒和線圈支架起著傳導磁力線的作用, 且傳遞方向不斷改變, 宜選用低矯頑力的材料。4、振動能量采集部分磁感線圈的設計：電感線圈分為初級繞組和次級繞組。初級線圈輸出的電能由后續(xù)電路中電感進行存儲；次級線圈輸

20、出的電能為電路芯片提供能量，初級線圈匝數是次級匝數的十倍。線圈匝數的設計，需要考慮后續(xù)電路中芯片所需電壓的大小。線圈電感量的大小，主要取決于線圈匝數、幾何形狀，以及線圈結構尺寸，如繞組長度、直徑、厚度等。其次，若線圈內部有屏蔽，以及磁芯等，則線圈電感量將發(fā)生改變。線圈匝數越多，產電能力就越強，但同時線圈本身引入的電阻也越多。在實際設計中，需要結合外界振動頻率和后續(xù)電路的各個參數要求來設計。5、振動能量采集裝置的優(yōu)點:1）注重構成閉合磁路使得裝置可高效地利用磁能，能量轉換率得到大幅提高；2）針對低頻振動的條件限制，設計了多齒結構，導致振子在一次振動中磁場可產生多次交變，大大提高了感應電動勢和發(fā)電

21、功率；3）磁軛多齒結構形成的磁場限制了振子運動范圍，無需安裝專門的彈簧或永磁體進行限位,保護振子免受撞擊,簡化了結構和組裝。二、 電能管理設計從微型振動發(fā)電機產生的電能能夠有效的存儲并且使其輸出功率效率最大化,需要對微型發(fā)電機輸出通過電路進行功率調節(jié),不管是磁電式微型振動發(fā)電機、靜電式微型振動發(fā)電機還是壓電式微型振動發(fā)電機,它們從環(huán)境中將振動能轉換為電能都是微小電能，并且還是一個隨環(huán)境隨機變化的電能。有時甚至會出現發(fā)電機輸出為零的情況。因此,發(fā)電機的輸出電能不能直接給外部供電,要使轉換得到的電能能夠自行保持，就需要對功能電路進行研究,這個功能電路不僅能夠保持輸出電壓,還要能夠存儲電能,因此設計

22、了一個不需外加輔助電源的電能提取電路。此電路從振動環(huán)境中收集能量,是一種低功耗的電源接口電路,此接口電路能使振動發(fā)電裝置發(fā)揮更大效率。電路包括:電能整流模塊、升壓儲能模塊、升壓模塊、穩(wěn)壓模塊和電量監(jiān)控模塊，其框圖如圖3。圖3 電能管理結構框圖1、整流、濾波電路：全波整流電路可以把全波輸出，正負半波都有電壓輸出,輸出脈動幅度會大大降低,提高了整流效率。全波整流是由中心抽頭的變壓器、兩個二極管組成的, 這樣輸入的每半周導通一個二極管,使得在輸入的正負半周都有輸出。而且兩個二極管導通后流過負載的同一方向的電流。其中橋式整流電路是典型的全波整流電路,橋式整流電路是用四個二極管接成電橋形式,使在正負半周

23、負載均有同方向的全波脈動電流流過。整流電路輸出電壓是脈動的,含有較大的脈動成分。因此必須經過濾波,濾掉脈動成分,使輸出電壓趨于平滑,接近理想的直流電壓。由上圖可以看出電壓整流和濾波之后,輸出波形變得平滑。電能管理部分整流、濾波電路圖如圖4。圖 4 整流、濾波電路2、升壓、儲能：振動能量采集裝置產生的電能相對較小，難以直接為大部分電路提供驅動能量。因此，必須積累產生的電量。收集電磁式振動產生電能的方法主要有兩種：一是通過電容/電感收集并儲存產生的能量；二是利用可重復充電的電池收集儲存電量。電感儲能多用于大型電力設備，不適合為微型發(fā)電機儲能。電容器有一般電容器和超級電容器兩種。一般電容器能量密度小

24、，儲能時間短，因此不適合做儲能元件。而超級電容器具有法拉級的超大電容量，能量密度高，漏電流非常小，放電功率比鋰電池高出近十倍，壽命長，是非常理想的大功率儲能元件。升壓部分為超級電容，為更好的存儲電壓和電能做了充分的保障。3、穩(wěn)壓:微型發(fā)電機的輸出電壓或者負載電流變化導致整流濾波輸出的直流電壓也會發(fā)生變化,對于微電機系統(tǒng)是不容許的,所以要釆用穩(wěn)壓電路來穩(wěn)定負載上的電壓。由于多數數碼電子產品都需穩(wěn)定的直流電壓,所以儲能電容器不能給負載電路直接供電,要將電容中釆集到的電量轉換為穩(wěn)定的直流電,才能將穩(wěn)壓模塊輸出的電量送入目標系統(tǒng),并喚醒目標系統(tǒng)工作；另一方面,要求電源管理電路自身消耗的功耗要極低,這樣

25、才能提高發(fā)電機的電能利用效率。基于以上考慮,采用DC/DC電壓轉換器來連接儲能器和負載電路,將直流電壓調整為無線傳感器節(jié)點所需要的穩(wěn)定值,當儲能電容器的電壓在動態(tài)變化時,電路依然可以向各負載提供穩(wěn)定的電能。三、電能輸出部分設計電能輸出對電磁式低頻振動發(fā)電式移動電源有著重要的作用，對于電能的輸出擬采用通用USB接口數據總線傳輸和無線傳輸這兩種電能傳輸方式。電能傳輸框圖如圖5所示。圖5 電能傳輸示意圖1、通用USB接口數據總線傳輸電能的選擇：隨著各種數碼設備的大量普及，數碼相機、MP3、手機等設備接踵而至，我們周圍的USB設備越來越多。這些設備使用USB接口數據總線傳輸電能已成為一種普遍現象。2、無線電能傳輸：無線充電技術，源于無線電力輸送技術，其工作原理利用的是電磁爐原理，當電流通過線圈之后，便會產生出磁場；而產生的磁場又會形成電壓，有了電壓之后便會產生電流，有了電流便可以充電，所以本項目大膽的提出電磁式低頻振動發(fā)電產生的電能進行無線傳輸，即將電磁式低頻振動移動電源內的電能經無線傳輸模塊發(fā)送電能，充電設備（接收端）透過無線感應的方式取得電能