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振動能量收集技術(shù)屬于利用環(huán)境廢棄振動能量產(chǎn)生電能的研究領(lǐng)域，該研究可以應(yīng)用于許多無需人工干涉即可長期運行的實際問題中，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、健康監(jiān)測、心臟起搏器、自供電傳感器等。傳統(tǒng)上，電池是此類設(shè)備的主要電源。

然而，每年對數(shù)十億個廢棄電池的處置會引發(fā)嚴重的環(huán)境問題，并且有限的使用壽命對設(shè)備的長期、自主運行亦構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，收集環(huán)境中的振動能源是實現(xiàn)便攜式和無線電子設(shè)備可持續(xù)綠色供電的有效途徑，該技術(shù)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

壓電及磁致伸縮等智能材料已經(jīng)被證明能夠依靠材料固有的特性實現(xiàn)對輪胎、風、人體運動等形式的環(huán)境振動能量進行收集。壓電材料振動能量收集是一種直接簡單、較為流行的方法，其是通過正向壓電效應(yīng)將材料的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為電能，由于無笨重的附件以及易于與微機電系統(tǒng)（Microelectro- mechanical System, MEMS）沉積融合的優(yōu)勢，目前對它的研究較為廣泛。

壓電振動收集方法具有電容特性，可以產(chǎn)生較高輸出電壓和較低電流。另外，壓電材料中也存在去極化、電荷泄漏、最佳輸出功率需要很高匹配負載阻抗等缺點。

為了克服這些局限性，近幾年嘗試基于磁致伸縮材料（Magnetostrictive Materials, MsM）的Villari效應(yīng)實現(xiàn)收集振動能量?；贛sM的能量收集方法是利用了其結(jié)構(gòu)振蕩所引起的磁場變化，進而在拾取線圈中產(chǎn)生電動勢。

近些年出現(xiàn)的磁致伸縮球墨鑄鐵合金（稱為Galfenol）和玻璃纖維金屬化合物（例如Metglas）等MsM具有高強度、優(yōu)異的延展性、良好的魯棒性、較高的飽和磁致伸縮系數(shù)和機電耦合系數(shù)，尤其是優(yōu)異的可加工性。這為需要通過與彎曲結(jié)構(gòu)靈活配合來完成振動能量收集提供了一種更合適的核心元件材料。并且，這些材料沒有去極化問題，可顯著提高系統(tǒng)運行的可靠性。

然而，在低振動激勵下時，磁致伸縮裝置表現(xiàn)出幾百毫伏的低電壓和幾十微瓦的低功率。因此，有必要設(shè)計一種高效的能量采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)最大功率的跟蹤與能量存儲，以滿足負載端的要求。

沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院課題組利用鐵鎵合金研制了一種懸臂式振動能量收集系統(tǒng)，可實現(xiàn)源于基極振動及瞬態(tài)自由振動的收集。

圖1 懸臂式鐵鎵合金振動收集裝置原理結(jié)構(gòu)

圖2 信號處理與能量存儲電路原理

研究人員將鐵鎵合金復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)近似簡化為單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，建立了懸臂式鐵鎵合金振動能量收集裝置的輸出電壓模型，并依據(jù)其等效電路模型和伏安特性，對能量收集裝置在外接負載電阻時的輸出功率進行理論分析。

圖3 信號處理與能量存儲電路實物

圖4 實驗裝置平臺

由于懸臂式鐵鎵合金振動能量收集裝置產(chǎn)生的電壓是交流電，并且電壓較小，不能直接用于為電子元器件供電。針對此問題，他們設(shè)計了四倍壓整流電路，用于對收集裝置輸出的交流電進行升壓與整流；采用MAX1795和MAX1811芯片設(shè)計了電壓調(diào)節(jié)電路和儲能管理電路，進一步提高了直流輸出電壓，最大值可達到5.1V，同時可為超級電容器和鋰電池充電，實現(xiàn)對能量的存儲。

圖5 樣機為多個并聯(lián)的LED燈供電

圖6 樣機為多個數(shù)碼管供電

最后，研究人員開發(fā)了懸臂式鐵鎵合金振動能量收集樣機，并搭建了實驗平臺。綜合測試了樣機的發(fā)電能力與能量存儲電路的性能，結(jié)果表明，樣機系統(tǒng)輸出的直流電能夠持續(xù)點亮了多個并聯(lián)LED燈或數(shù)碼管，進一步驗證了樣機的發(fā)電能力及信號處理與能量存儲電路的工作性能。

以上研究成果發(fā)表在2020年第14期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“懸臂式鐵鎵合金振動能量收集的存儲方法”，作者為劉慧芳、曹崇東、趙強、馬凱、谷艷玲。