悬臂式磁致伸缩振动收集系统的数学建模与部分参数优化

【摘要】：在近些年来,微电子器件广泛应用于工业、军事、航空航天以及生物医学、环境检测等诸多领域。目前这些设备主要的供电方式还是化学电池。然而每年生产的数十亿电池会对环境产生有害的影响,甚至对元器件本身也是一种损害。随着科技的进步与电子市场的快速发展,微型电子元器件所需要的能量消耗已经降低至m W与μW级,这就促进了能量收集技术与自供电型元器件的发展。而能量收集技术是从周围环境中收集各种形式的能量(太阳能、热能、机械能等)以产生电能,并且代替传统电池或延长传统电池寿命用来给电子设备供电。振动能量收集技术是将周围环境中常见的机械振动转化为电能,可以实现自供电感知、控制和驱动,具有方便、节能、环保和可持续的优点。然而,它存在输出功率低、效率低、环境适应性差、可靠性低等缺点,并且由于自然界环境中的振动频率低以及振动能量弱,因此振动能量收集的实际应用条件显得尤为苛刻。所以有必要对收集系统的结构、参数等进行优化,调节工作频率,并适应环境振动的特点,进而提高机械能的收集能力。本文基于铁镓合金复合式悬臂梁的磁致伸缩振动能量收集系统,从机械域、磁域和电域三个方面分别进行数学建模。从数值计算和实验两个方面进行了分析和验证,对收集器的附加配重、线圈长度和匝数以及外接负载电阻等进行了优化分析。实验表明,优化后的磁致伸缩收集器可以在1 g加速度的条件下向负载输出12.07 mW的功率,功率密度(单位体积和单位加速度)达到40.2 mW/cm~3/g,功率密度相比于未优化的振动能量收集装置提升了14.2倍。优化后的收集器成功的为温度传感器的LED显示屏以及低功率的温度计(可以显示时间、室内温度以及湿度)进行供电。