一种基于防震锤的新型压电复合能量收集方法_张佳佳.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 1 基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 2 0 7 5 0 6 1)作者简介:张佳佳(1 9 8 5-),男,河南省人,博士,硕士生导师,讲师,主要从事能量收集、自供电传感和MEM S传感器研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 5 6-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 1 2一种基于防震锤的新型压电复合能量收集方法张佳佳1,2,袁强静1,严 冬1,李雪锋1,张金雨1,刘 涛2,豆涵杰2,牟笑静2(1.重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆4 0 0 0 6 5;2.重庆大学 光电工程学院,重庆4 0 0 0 4 4)摘 要:为了解决智能电网环境下输电线有害振动与工况检测传感器的供电及续航问题,该文设计了一种压电式振动与磁场复合能量收集的防震锤。防震锤的主压电梁收集输电线振动能量,副压电梁通过安装磁铁收集输电线电流产生的变化磁场能量,摆脱了传统收集磁场能量时线圈的使用。对收集器进行有限元仿真分析与实验测试。结果表明,收集器工作频带更宽,比传统的单梁输出高5 4%,主压电悬臂梁最大输出功率可达到8 7 4W,副压电梁最大功率可达到6 8 3W。关键词:智能电网;悬臂梁;压电效应;振动能量收集;电磁能量收集;宽频带中图分类号:T N 3 8 4 文献标志码:A AN o v e lP i e z o e l e c t r i cH y b r i dE n e r g yH a r v e s t i n gM e t h o dB a s e do nS h o c k p r o o fH a mm e rZ H A N GJ i a j i a1,2,Y U A NQ i a n g j i n g1,Y A ND o n g1,L IX u e f e n g1,Z H A N GJ i n y u1,L I UT a o2,D O UH a n j i e2,MUX i a o j i n g2(1.K e yL a b o r a t o r yo f I n d u s t r i a l I n t e r n e to fT h i n g sa n dN e t w o r k e dC o n t r o l o fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,C h o n g q i n gU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o mm u n i c a t i o n s,C h o n g q i n g4 0 0 0 6 5,C h i n a;2.C o l l e g eo fO p t o e l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g,C h o n g q i n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4,C h i n a)A b s t r a c t:Ap i e z o e l e c t r i cv i b r a t i o na n dm a g n e t i c f i e l dh y b r i de n e r g yh a r v e s t i n gs h o c k p r o o f h a mm e rw a sd e s i g n e dt os o l v e t h ep r o b l e mo f h a r m f u l v i b r a t i o na n dp o w e r s u p p l ya n de n d u r a n c eo f s e n s o r s i n t h e s m a r t g r i de n v i r o n m e n t.T h em a i np i e z o e l e c t r i cb e a mo f t h es h o c k p r o o fh a mm e rh a r v e s t st h ev i b r a t i o ne n e r g yo f t h et r a n s m i s s i o nl i n e,a n dt h e s e c o n d a r yp i e z o e l e c t r i cb e a mh a r v e s t s t h e c h a n g i n gm a g n e t i c f i e l de n e r g yg e n e r a t e db y t h e c u r r e n t v i a t h em a g n e ti n s t a l l a t i o n,a v o i d i n gt h en e e df o r t h ec o i l i ns t a n d a r dm a g n e t i cf i e l de n e r g yh a r v e s t i n g.T h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a-t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t t e s to nt h eh a r v e s t e r a r ec a r r i e do u t.T h e r e s u l t ss h o wt h a t t h eh a r v e s t e ro p e r a t e s i naw i d e r f r e q u e n c yb a n d,w h i c hi s5 4%h i g h e rt h a nt h a to ft h eo u t p u to f t h et r a d i t i o n a ls i n g l eb e a m.T h em a x i m u mo u t p u tp o w e ro f t h em a i np i e z o e l e c t r i c c a n t i l e v e rb e a mc a nr e a c h8 7 4W,a n dt h em a x i m u mp o w e ro f t h e s e c o n d a r yp i e z o e l e c t r i cb e a mc a nr e a c h6 8 3W.K e yw o r d s:s m a r tg r i d;c a n t i l e v e rb e a m;p i e z o e l e c t r i ce f f e c t;v i b r a t i o ne n e r g yh a r v e s t i n g;e l e c t r o m a g n e t i ce n e r-g yh a r v e s t i n g;w i d e b a n d 0 引言智能电网线路在高效运行过程中易受风力拉扯等影响而产生有害振动,严重时可能会造成巨大损失,因此,输电线路故障监测至关重要1。随着在线监测技术的进步,其监测设备供电遇到了巨大的发展瓶颈,传统电池供电方式存在污染严重、更换繁琐的缺点。清洁可持续的自供电技术与智能在线监测设备的深度融合成为如今研究热点。输电线周围充斥着丰富的能量,在自供电技术的支撑下可以驱动无线监测系统2-5。我们四周存在如电场能、磁场能、太阳能和振动能等多种能量6。其中太阳能受环境约束很大,局限性较强;电场能量大小受制于输电线的电流电压7-8;而磁场能量分布充分,所以目前国内外学者对磁场能量收集进行了深入研究。H e W e i等9利 用T e r f e n o l-D/PMNT/T e r f e n o l-D磁电换能器从双源电力线中成功收集到交流磁场能量,比此前利用线性哈尔巴赫阵列从电力线中收集能量的装置1 0提高了1 0 5W。G u oS h e n等1 1提出了一种用于自供电传感器的电磁采集柔性液态金属线圈(LMC)收集器,在1 0A的电流导线中获得了2 6 0mW的输出功率。此外,振动能量具有不易被电场干扰,来源广泛,机电耦合系数大及能量密度高等优点1 2。D a v i dG i b u s等1 3采用瑞利-里兹的解析方法提出了一种强耦合压电悬臂梁的振动能量收集器,该设备在2 1%频带上的功率超过1 0 0W。T a nQ i n x u e等1 4通过振动到旋转的转换提出了一种区别于传统悬臂式的创新悬臂驱动转子振动能量收集器,在不使用任何复杂的传动机构条件下,其可将振动转化为高速单向旋转的旋转器。在众多能量收集技术中,有研究采用结合磁场与振动能复合收集的方式进行发电,其综合了两种能量收集具备的优势,有效地实现了较宽的频带、增大了输出功率。R.M.T o y a b u r等1 5利用4个P E发电单元和4个EM发电单元提出了一种多模态压电-电磁复合能量收集器,其可在一定的频率范围内实现多种紧密谐振模式。F e v z iC a k m a kB o l a t等1 6-1 7采用一种由压电材料和电磁感应装置组成的新型混合能量采集系统,利用空气动力效应产生流动振动,并将其转化为电能。以上装置结构有效实现了振动与磁场能量的收集,但其结构设置复杂,且驱动方式不能有效减弱或消除智能电网环境下输电线的有害振动问题。考虑到防振锤能产生与导线振动相位相反的运动,可将输电线振动转化为防震锤振动,从而减弱甚至消除输电线振动。基于上述描述,一款既能用于抑制输电线有害振动,又具有高输出性能的振动与磁场能量收集装置需要进一步优化设计。本文设计了一种压电式振动-磁场复合能量收集的防震锤。采用数值模拟与实验相结合的方法,研究了其结构合理性与实际性能的优越性,为后续研究应用打下基础。1 能量采集器设计本文通过压电材料来收集环境中输电线的振动与磁场能量,并将其转化成电能。在抑制输电线振动的同时,采用悬臂梁结构来设计发电单元。结构如图1所示。图1 防震锤型复合能量采集器结构示意此防震锤采集器结构由夹具、水平悬臂梁、垂直悬臂梁、磁铁和压电层组成。夹具由铜制作而成,用于将收集器固定在输电线上;悬臂梁由铍青铜构成,作为压电层的衬底和连接各个部分的桥梁。中间连接夹具的悬臂梁为主悬臂梁,接收输电线传递过来的水平振动;连接磁铁的为副悬臂梁,主要通过采集输电线磁场能量引起的垂直振动使压电层产生电压。这种设计的创新点在于摆脱了传统悬臂梁收集磁场能量时线圈的使用。将3 D打印技术制作的正方体树脂作为惯性质量,可以连接器件、传递惯性。磁铁采用钕铁硼强磁材料,可以耦合磁场能量并起到质量块的作用带动悬臂梁振动。其中,压电层均采用P Z T-5 H压电陶瓷。最终设计的收集器结构参考生活中输电线与防震锤结构,并结合压电换能器尺寸进行设置。2 数值仿真分析2.1 结构的仿真设计利用C OM S O L5.6有限元软件进行仿真。选择的结构材料尺寸具体参数如表1所示。表1 结构参数部件材料长/mm宽/mm高/mm压电晶体P Z T-5 H3 81 20.3悬臂梁铍青铜8 01 81.5惯性质量树脂2 02 02 0磁铁钕铁硼2 02 01 0 其中各部分的杨氏模量、泊松比等材料属性参数如表2所示。表2 材料属性参数材料P Z T-5 H铍青铜弹性模量/(1 09Nm-2)6 0.91 1 0.0密度/(k gm-3)77 5 082