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电源是保障传感设备长期可靠运行的关键，也是制约其大规模推广的重要因素。基于能量收集的自供能技术为泛在分布传感器持续供电提供了可行方案。环境中振动能量分布广泛，如大型工业设备、轨道、桥梁、电力系统中架空线、变压器等。通过振动能量收集并转换为电能，可作为传感器的可靠能量来源。 环境中振动能量具有形式分散、频率范围宽等特性。然而，常规的电磁式能量收集器只有单一共振频率，且仅在共振频率处收集功率高。一旦振动频率偏离共振频率，输出功率急剧下降，无法为传感器提供充足的电能。 针对上述问题，在国家电网总部科技项目的资助下，华中科技大学电气与电子工程学院与国网上海市电力公司电力科学研究院的研究人员提出了一种基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器，在双频点下均可实现高收集功率，大幅度拓宽了能量收集带宽。

研究背景

泛在分布式传感器是万物互联下全面信息化的典型代表。随着人工智能和物联网技术的普及，无线智能传感器将趋向于更加嵌入式和移动化。目前，无线传感器供电依赖于化学电池，存在寿命有限、更换困难、污染环境等问题。将环境中的能量，如热能、太阳能、风能、磁场能、振动能等，加以收集并转化成电能，为解决分布式传感器供电问题开辟了新的途径。

振动能量分布极为广泛，在工业设备、电力设备、交通工具以及人体运动中都存在着丰富的振动能量，而且不像太阳能、风能、热能容易受到天气变化的影响和地理位置限制，振动能量还是一种绿色能源。因此基于振动能量收集的自供能技术具有很强的可行性和工程适用性。

论文所解决的问题及意义

常见的振动能量收集方式有电磁式、压电式和静电式。电磁式振动能量收集装置具有输出功率高、可靠性高和成本低的优势。但常规电磁式振动能量收集只具有单一共振（谐振）频率，仅能在共振频率处具有峰值输出功率。一旦环境中振动频率偏离共振频率，输出功率大幅度降低，无法为传感器提供足够能量。因此，应用场合受限制。

然而，环境中的振动具有随机性和时变性，其振动频率受到环境以及设备运行状态的影响，呈现宽范围特性。为了更好地收集环境中存在的振动能量，要求振动能量收集装置能够收集宽频率范围下的振动能量。

本研究提出了一种基于非对称弹簧组合的宽频振动能量收集器，可以收集两个频率范围内的振动能量，具有输出功率高、结构简单、成本低等优点。同时该结构有别于经典阵列的结构，通过双弹簧与单磁铁的组合，形成多个振动模态，可进一步扩展能量收集的模式。

论文方法及创新点

图1为电磁式振动能量收集的弹簧-阻尼等效模型。振动能量收集器由弹簧、永磁体和线圈组成，本文采用如图2所示的弯曲梁结构平面弹簧。论文提出了通过改变弯曲梁的圆心角、弯曲梁的个数以及弹簧厚度实现平面弹簧特征频率调节的方法。如图3所示，平面弹簧的特征频率随弯曲梁的圆心角的增加而降低，随弯曲梁的个数的增加而增加，随弹簧厚度的增加而增加。

图1 电磁式振动能量收集等效模型

图2 弯曲梁结构平面弹簧示意图

图3 弹簧特征频率与弯曲梁的圆心角、弯曲梁的个数和弹簧的厚度的关系

本文所提出基于非对称平面弹簧的宽频电磁式振动能量收集，可采用不同方法构建非对称弹簧。如图4所示，采用一个两梁弹簧与一个三梁弹簧构成非对称组合。也可采用不同弹簧厚度的两个弹簧。

图4 有限元仿真模型

图5展示了不同厚度的组合弹簧振动位移随频率变化的规律。其中每个弹簧存在两个共振频率：①对于同一个弹簧，低频共振点的振幅比高频共振点的振幅大；②共振频率越低，曲线越陡；共振频率越高，曲线越平缓；③弹簧厚度越大，两个共振点频率差越大。

图5 位移频率关系

图6展示了非对称平面弹簧组合的宽频率范围振动能量收集装置样机。在振动加速度为3 m/s2的条件下，当弹簧厚度为0.6 mm时，输出电压在34 Hz和61 Hz处的峰值分别为529.1 mV和229.7 mV；当弹簧厚度为0.8 mm时，输出电压在45 Hz和78 Hz处的峰值分别为314.6 mV和178.3 mV；当弹簧厚度为1.0 mm时，输出电压在67 Hz和115 Hz处的峰值分别为632.6 mV和244.9 mV。该能量收集器的带宽覆盖最大可达47 Hz。

图6 样机部件图

图7 三个不同弹簧厚度的能量收集器在不同频率下的输出电压

结论

本文针对环境中宽频率范围的振动能量，提出了一种基于非对称平面弹簧的宽范围振动能量收集器，具有两个不同共振频点，并可改变弹簧参数，灵活配置共振点。实验结果表明收集频率范围较常规电磁式振动能量收集器提高一倍，是一种充分平衡频率范围、输出功率、设计复杂度、成本的宽频率范围振动能量收集的实现方案。

团队介绍

  • 华中科技大学电气学院彭晗教授课题组长期以来围绕微能量收集的自供能技术开展研究工作，以实现高效能量收集、传输与变换以及功率密度自供能模块集成为研究目标。彭晗教授为国家海外优秀人才计划入选者，湖北省“百人”计划青年项目入选者。已发表重要SCI/EI收录论文60余篇，获得6项中国发明专利及6项美国发明专利，出版英文专著1部。担任IEEE Transactions on Power Electronics 编委。曾任职于美国通用电气全球研发中心，担任高级工程师。曾担任美国伦斯勒理工学院兼职教授。主持了国家自然科学基金两项，国家重点研发计划课题，以及多项企业合作研发项目。该团队现有博士研究生6名，硕士研究生10名，已毕业博士1名、硕士9名。

  • 国网上海市电力公司电力科学研究院高凯博士领衔的国网上海市电力公司电力设备智能传感及应用技术实验室，主要从事先进传感、智能检测和状态感知技术研究及应用。高凯为国家电网优秀专家人才、国网上海市电力公司和国网华东分部受聘高级专家，正高级工程师，荣获省部级科技奖14项，获得中国发明专利22项，SCI/EI收录论文30余篇，参编国际、国家和行业标准26项。

本工作成果发表在2023年第10期《电工技术学报》，论文标题为“基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器”。本课题得到国家电网有限公司科技资助项目的支持。

引用本文

高凯, 彭晗, 王劭菁, 徐鹏, 陈永, 陈佳桦, 孙寒燚. 基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器[J]. 电工技术学报, 2023, 38(10): 2832-2840. Gao Kai, Peng Han, Wang Shaojing, Xu Peng, Chen Yong, Chen Jiahua, Sun Hanyi. Wide Frequency Range Vibration Energy Harvester Based on Asymmetric Springs. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(10): 2832-2840.

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