河北工业大学黄文美、薛天祥 等：旋转升频结构磁致伸缩振动能量收集器输出电压模型与机-磁设计

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随着物联网设备的广泛应用，如何为传感器提供长期稳定的电力供应成为了一个亟待解决的难题。河北工业大学的研究团队提出了一种旋转升频结构磁致伸缩振动能量收集器，可以将人体行走的低频振动转换为旋转的高频激励振动，具有输出功率大、输出电压高、无需阻抗匹配的优点。基于机-磁-电耦合关系建立了分布式动态模型来描述该能量收集器的输出电压。试验结果验证了所提出能量收集器的可行性和理论分析的正确性。

研究背景

物联网技术的快速发展使得传感器节点数量急剧增加，这些节点需要长期在线运行并保持高可靠性。然而，传统电池供电方式存在寿命短、维护成本高等问题，难以满足物联网设备的长期供电需求。由于人体行走中蕴含着高品质的振动能量，利用磁致伸缩振动能量收集器收集人体行走的振动能量为传感器供电具有广阔的应用前景。人体行走振动是低频振动，振动能量收集器很难有效地收集和利用。如何从人体行走振动中收集到可观的能量，是制约磁致伸缩振动能量收集器发展的一个问题。

论文所解决的问题及意义

目前升频方式主要包括自振升频和旋转升频两种。自振升频结构作用在磁致伸缩材料上的激励振动频率没有增加，导致装置的输出功率相对较低。而对于旋转升频结构，当外界振动频率变化时，装置输出的电压频率也会变化，导致最佳负载电阻发生变化，从而使输出功率降低。

鉴于以上两种升频方法的局限性，研究人员提出了一种新型的旋转升频方式，既可以提高作用在磁致伸缩材料上的激励振动频率，又能够使磁致伸缩材料产生自由振动。该装置显著提高了输出功率，简化了阻抗匹配过程，在物联网传感器供电领域具有广阔的应用前景。提出的分布式动态输出电压模型为类似能量收集器的设计和优化提供了理论依据。

论文方法及创新点

1、旋转升频结构设计

图1 旋转升频磁致伸缩振动能量收集器结构示意图

研究人员设计的旋转升频结构磁致伸缩振动能量收集器由旋转升频结构、磁致伸缩结构、线圈和偏置磁铁组成。旋转升频磁致伸缩振动能量收集器结构如图1所示。旋转升频结构通过扭转杆和飞轮的相互作用，将低频线性振动转化为高频旋转振动，同时引发磁致伸缩金属片的自由振动，实现频率的升高。

2、分布式动态输出电压模型

图2 空载条件下不同励磁频率时模型计算与实验测试的峰峰值电压对比

图3 激励频率为52Hz时空载条件下

模型计算和实验测试的输出电压信号比较

研究人员基于欧拉-伯努利梁理论，给出了被激励后的磁致伸缩金属片的振动方程。根据经典的机电耦合模型和Jiles-Atherton物理模型，推导出了应力与磁化强度之间的关系。结合法拉第电磁感应定律，建立了分布式动态输出电压模型。该模型可以预测不同激励频率下的输出电压。图2和3对比了模型计算和实验测试结果，峰值-峰值电压的平均相对偏差为4.9%，输出电压信号的平均相对偏差为8.2%。该模型能有效预测旋转升频结构磁致伸缩振动能量收集器的输出特性，为该类装置的设计和优化提供了理论支持。

3、输出特性

图4 不同激励频率下峰峰值电压与负载电阻的关系

图5 不同励磁频率下被测RMS电压与负载电阻的关系

图6 不同励磁频率下被测RMS功率与负载电阻的关系

研究人员实验测试了不同负载下的峰峰值电压、RMS电压和RMS功率。图4为不同激励频率下峰峰值电压和负载电阻之间的关系，最大峰峰值电压为58.60 V。图5显示了测试的RMS电压与不同激励频率下的负载电阻之间的关系，最大RMS电压为9.54 V。图6显示了在不同激励频率下测试的RMS功率和负载电阻之间的关系。在负载电阻为800 Ω的情况下，无论激励频率是多少，该激励频率下的RMS功率都是最大的。证明该装置在不同激励频率下均能实现最大功率输出。

结论

研究人员提出的旋转升频结构磁致伸缩振动能量收集器，可以提高作用在磁致伸缩材料上的激励振动频率，并使磁致伸缩材料产生自由振动。实验结果表明，该装置在输出功率和阻抗匹配方面表现出色，其最大峰值电压为58.60 V，最大均方根功率为56.20 mW，能够满足为物联网传感器供电的需求。研究人员提出的分布式动态输出电压模型具有良好的精度，为类似能量收集器的设计和优化提供了理论依据。

团队介绍

河北工业大学新型磁性材料与智能器件研究室隶属于省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室。研究室自2000年以来一直从事新型磁材料与智能器件的研究，是国内最早研究新型磁材料与器件的单位之一。获2019年度河北省自然科学二等奖。

黄文美

河北工业大学电气工程学院教授，博士生导师，中国电力教育协会电气工程学科教学委员会委员，研究方向为磁致伸缩超声换能器、磁致伸缩能量收集器。

王博文

河北工业大学电气工程学院教授，中国物理学会相图专业委员会委员，中国科学院国际材料物理中心成员，国家863课题评审专家，国家留学基金评审专家。

翁玲

河北工业大学电气工程学院教授，博士生导师，中国自动化学会智能自动化专委会委员，研究方向为磁性材料与智能器件、触觉传感技术和视触融合。

李明明

河北工业大学电气工程学院副教授，博士生导师，主要研究方向为磁致伸缩材料制备、磁致伸缩液位传感器和触觉传感器。

本工作成果发表在2024年第24期《电工技术学报》，论文标题为“旋转升频结构磁致伸缩振动能量收集器输出电压模型与机-磁设计“。

引用本文

黄文美, 薛天祥, 冯晓博, 翁玲, 李明明. 旋转升频结构磁致伸缩振动能量收集器输出电压模型与机-磁设计[J]. 电工技术学报, 2024, 39(24): 7639-7650. Huang Wenmei, Xue Tianxiang, Feng Xiaobo, Weng Ling, Li Mingming. Output Voltage Model and Mechanical-Magnetic Design of Magnetostrictive Vibration Energy Harvester with a Rotating Up-Frequency Structure. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(24): 7639-7650.

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