振动能量收集技术的五种主要形式及其机理

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　　振动能量收集技术可分为电磁式、静电式、压电式、磁致伸缩式和复合式等类型，其中超磁致伸缩材料应用在能量收集方面是最新的研究热点。

　　1、电磁式能量收集技术
　　电磁式能量收集技术是利用法拉第电磁感应定律，将自然界中大量存在的机械振动能转换为电能的能量收集技术。由法拉第电磁感应定律知，导体线圈回路面积S 内的磁通量Ф 发生变化时，回路中就会产生感应电动势E，并引起感应电流，从而对外输出电能，实现机械能转化为电能，如公式：

　　根据该基本工作原理，电磁式能量收集技术是把外界随机的机械振动转化为线圈回路或永磁体的运动，实现两者之间的相对运动，从而使线圈回路内磁通量发生变化，产生感应电动势。根据振动部件的不同，可以分为动铁(磁铁振动)、动圈(线圈振动)和铁圈同振(磁铁线圈共同振动)3 种类型。

　　电磁式能量收集技术的模型已经比较成熟，而且已被广泛应用在许多能量收集器中，如美国麻省理工学院的 R.Amirtharajah、英国南安普顿大学、日本精工公司，以及国内上海交通大学、重庆大学等院校开发的各种类型的电磁式能量收集装置或微型发电机等。其中悬臂梁式的结构研究较多，悬臂梁结构的电磁式振动能量收集装置可以制作成小尺度(晶片级)形式，便于和 MEMS 相兼容，如图1所示。但是针对不同应用场合，重庆大学、瑞士联邦技术学院还研究了弹簧式等结构，如图2所示。

　　图1 悬臂梁式

　　图2 平面弹簧式

　　目前，大尺寸、性能好的体磁铁、多转数和大范围的线圈在大系统中都已得到了实现，但是由于平面磁铁的性能较差，线圈匝数受到空间限制，还有振动幅度的限制相应地会导致 MEMS 电磁器件速度的降低，且输出功率偏小、集成度不高、装配精度较低，因此，电磁式能量收集技术在 MEMS 应用中仍然是一大挑战。

　　2、静电式能量收集技术
　　静电式能量收集技术是通过静电效应将机械振动能转换为电能。静电式能量收集器一般需要被引导，即它在开始产生电能之前，需要一个外部电源在可变电容之间产生原始电压差，当可变电容的电容值由于振动而发生改变时，机械振动能被转化为电能。

　　静电式能量收集最大的优点在于可以很好地与 MEMS 集成。与电磁式相比，能够利用环境中的低频率振动产生更大的输出功率，并且不需要采用智能材料，在小尺度应用场合具有优势。目前主要是美国 Berkeley 大学和英国伦敦皇家学院进行相关研究，S.Roundy 等人提出了两种不同结构形式的静电式能量收集装置，如图3、图4所示。

　　图3 变间距式结构

　　图4 变面积式结构

　　由于需要接入外部电源作为启动电压，并且静电式能量收集装置产生的是高电压、低电流和高输出阻抗，从一定程度上限制了静电式能量收集技术的应用范围。随着科技进步，目前已发展出一些替代外部电源的技术，主要有利用驻极体中的储存电荷和利用不同金属间的功函数差两种。其中，驻极体引导的微型能量收集装置是静电式能量收集技术研究中的一个热点，目前这方面已经开展了大量研究工作。相对而言，利用不同金属的功函数差来引导的静电式能量收集技术还比较新颖，研究较少。

　　3、压电式能量收集技术
　　压电式能量收集技术的机理是基于压电材料的正压电效应把振动能转化为电能。当受到某固定方向外力作用时，压电材料会产生形变，内部产生电极化现象，同时在两个表面上产生等量异号的束缚电荷，电荷的面密度与所受外力的大小成正比，当外力撤去后，又恢复到不带电的状态，当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，由此将机械振动能转换为电能。

　　压电材料是压电式振动能量收集的核心功能材料，是制备压电式能量收集装置的关键。目前，已经有很多不同的压电材料被广泛用作压电式能量收集装置的转换材料，常用的压电材料主要有铁电单晶(如 PMN，PZN，PMN-PT，PZN-PT，PMN-PZT)、压电陶瓷(如锆钛酸铅，即 PZT)、压电纤维(如 PFC，MFC)、压电聚合物(如 PVDF，P(VDF-Tr FE))和压电复合材料(如0-3 型和1-3 型的 PZT-PVDF)。其中，最常用的压电材料是锆钛酸铅 (PZT)，虽然 PZT 应用最为广泛，但由于 PZT 易碎的特性，即不能承受大应变，使 PZT压电片在压电能量收集器的应用受限。此外，在高频周期载荷作用下，压电陶瓷极易产生疲劳裂纹，发生脆性断裂，因此，在实际应用中，通常将其粘贴在振动提取机械结构上，如图5所示的典型悬臂梁结构。这样，周围振动的机械能首先通过振动提取结构传递到压电材料上，使其变形，利用正压电效应产生电能。另一种常用的压电材料为聚偏氟乙稀 (PVDF)，PVDF 是一种压电聚合体，与 PZT 相比，具有良好的柔韧性，因此，PVDF 更适合应用于高频周期载荷作用下的场合。由于 PVDF 的良好柔韧性，使其使用寿命更长，这样收集能量必然更多。

　　图5 典型压电式能量收集装置悬臂梁结构

　　利用压电材料能够把任何形式的振动能转换成电能，而且与电磁式和静电式的能量收集方式相比，此方式的力电转换性能好，无需额外电源，易微型化，很容易与 MEMS 技术集成化，且获得的能量密度高，因此在能量工程、智能器件、信息技术等方面都得到了广泛的应用。国外学者已对压电式能量收集技术进行了广泛研究，包括对压电材料、能量收集装置结构和储能电路等的分析。国内的吉林大学、清华大学、上海交通大学、大连理工大学等高校和研究院所也设计了各种结构形式的压电能量收集装置，如悬臂梁式结构、螺旋梁式结构、多层结构、圆形与钹式结构、粗纤维复合结构等，并对它的特性分析和理论建模进行了研究。

　　压电式能量收集技术虽然在集成化、环境适应性方面优于其他的能量收集技术，但由于压电材料硬而脆，其承受力的范围有限，存在固有的极化现象，机电耦合系数较低，疲劳寿命短等因素的影响，使压电材料在使用过程中需要经常更换，在一定程度上限制了其应用，因此，压电式能量收集技术在 MEMS 上应用仍需做大量的研究工作。

　　4、磁致伸缩式能量收集技术
　　磁致伸缩式能量收集技术是基于磁致伸缩材料的逆效应把振动能转化为电能。磁致伸缩的逆效应，也称为压磁效应，即磁致伸缩材料受到力的作用发生变形，引起材料的磁化状态发生变化的现象。当磁致伸缩材料受到外力的作用时，磁化状态发生改变，基于电磁感应原理，变化的磁场会产生电场，而导体线圈回路面积S 内的磁通量Ф 发生变化时，回路中就会产生感应电动势E，并引起感应电流，从而对外输出电能。

　　磁致伸缩材料是磁致伸缩式振动能量收集的核心功能材料，是制备磁致伸缩能量收集装置的关键。传统磁致伸缩材料由于其应变量小 (10⁻⁶~ 10⁻⁵)，居里温度低，很难在实际中应用，目前磁致伸缩式能量收集装置中的转换材料都是超磁致伸缩材料，该材料具有巨大的室温磁致伸缩效应，产生的能量密度高和快速的机械响应等优点。其中，磁致伸缩式振动能量收集装置中的典型材料为 Terfenol-D，这种合金材料具有很高的居里温度，磁致伸缩性能优异。

　　相对压电材料，超磁致伸缩材料不存在去极化引起的失效问题，同时不存在疲劳、老化问题，因而工作更可靠;超磁致伸缩材料的机电耦合系数可达0.75(压电陶瓷 PZT 只有0.3 ~ 0.4)，能量转换效率更高;它们的磁致伸缩应变量大，在室温下大于0.15%，因而比压电材料更灵敏，可在较小振幅下可产生更高的电压。

　　由于磁致伸缩式能量收集方式相对于压电式略为复杂，目前的研究报道较少，主要集中在几所国外院校，国内还未见有相关报道。意大利的 Davino. D 设计的以磁致伸缩材料为功能材料的能量收集装置原型，如图6所示，并对能量转换过程中出现的涡流、滞回等现象进行了分析，开辟了磁致伸缩材料应用的新方向。美国的 J. Hu、Wang Lei 等人采用基于非结晶态磁致伸缩材料 Metglas2605SC 的悬臂梁结构进行能量转换;日本的 Ueno. Toshiyuki 等人利用铁镓合金悬臂梁进行上下、左右振动进行能量收集;美国的 Staley 和 Flatau 采用 Terfenol-D 和 Galfenol 材料设计了低频振动能量收集装置。以上基于各种磁致伸缩材料的能量收集技术研究还只是处于尝试探索阶段，每种材料的磁致伸缩式能量收集装置的理论模型和参数优化都没有形成完整的体系，对这种类型的能量收集方式的开发还只是处于起始阶段，如何充分利用磁致伸缩材料的磁机耦合特性进行能量转换还需做大量的研究工作。

　　图6 磁致伸缩式能量收集装置结构示意图

　　5、复合式能量收集技术
　　复合式能量收集技术的机理是磁致伸缩/压电叠层复合材料的磁电效应将振动能转化为电能。磁致伸缩/压电叠层复合材料是将片状的磁致伸缩材料和压电材料通过粘接剂叠层粘接在一起获得层状磁电材料，其磁电效应是由磁致伸缩层和压电层的“乘积效应”产生的，即机械振动作用在永磁体上，产生变化的磁场，变化的磁场使磁致伸缩层产生应力或应变，此压力或应变通过粘接层传递到压电层，压电层由正压电效应而产生电场，从而实现能量转换，也就是说能量收集过程经历了机- 磁- 机- 电的转换过程。

　　由于单独使用压电材料进行能量收集的能量输出过小，不足以给微型机电系统供电，因此，国内外许多研究者开发了结合磁致伸缩材料和压电材料的磁电复合式能量收集技术。美国麻省理工学院的 Huang、明尼苏达大学的 Bayrashev 等人设计了 Terfenol-D/PZT/Terfenol-D 的三明治结构复合能量收集器，如图7所示;法国的 Thomas Lafont 等人采用 PZT-MSM 的方式设计的薄膜悬臂梁能量收集装置;美国的 Kuntal　Roy 等人采用 MSM 和 PZT 组成两相能量收集器;澳大利亚的 Scott D. Moss 等人利用 ME 复合换能器和永磁体、球轴承组成的系统可用于两个方向的振动能收集。国内重庆大学的文玉梅、李平等人的课题组设计了多种形式的 Terfenol-D/PZT/Terfenol-D(简称 MPM)复合能量收集器，是国内对复合式能量收集器设计开发的先驱者。采用层合磁电器件的复合式能量收集装置有多种结构形式，不仅可以从振动中收集能量，而且还可以从变化的磁场中提取能量，具有很好的应用前景。但是由于复合式能量收集装置由两种智能材料组成，因此，它的特性分析和参数优化将更为复杂，尚需开展大量的基础性研究工作。

　　图7 基于层合磁电器件的振动式能量收集装置示意图

　　来源：摘编自《装备制造技术》2013年第12期《振动能量收集技术的研究现状与发展趋势》
　　原文作者：刘成龙，孟爱华，陈文艺，李厚福，宋红晓