基于磁機電效應(yīng)的摩擦式磁能收集器研究

孫添資, 翟小社, 耿英三, 張高潮, 王小華

(1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011;2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室, 陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在收集與分析信息,實現(xiàn)與環(huán)境監(jiān)測、人類醫(yī)療保健、公共安全方面相關(guān)的互聯(lián)式自動化系統(tǒng)方面起著關(guān)鍵作用,并且在電力系統(tǒng)智能化方面有著越來越廣闊的應(yīng)用前景。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)有效地對電網(wǎng)進(jìn)行勢態(tài)感知,通過及時準(zhǔn)確的信息獲取最大程度地保障與規(guī)范電網(wǎng)的安全運行,對電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重大的意義[1-3]。

現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)多采用無線傳感網(wǎng)絡(luò),即利用大量無線傳感器節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò),通過網(wǎng)絡(luò)中的傳感器感知周圍環(huán)境中實時信息,再進(jìn)行信號的分析與處理后傳遞給觀測者。但是由于其電源的影響,導(dǎo)致許多位置的傳感器都受到了嚴(yán)格的限制。目前,電力系統(tǒng)傳感器的主要能源供應(yīng)方式為化學(xué)電池,但是化學(xué)電池的壽命有限,需要定期的維護與更換,會帶來一定的環(huán)境污染問題,這會大大增加電力系統(tǒng)后期的維護成本,而且某些位置的電池極難更換,即使使用了較為高效的鋰電池或燃料電池也還是不能滿足設(shè)備的長期需求,因此對于一些大型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說使用電池是不現(xiàn)實的[2]。此時,就需要尋找一種獨立,持久的電源來為這些設(shè)備供電[4-7]。

隨著傳感器自供能技術(shù)的發(fā)展,通過采集周圍環(huán)境微能量為傳感器供能成為研究熱點,如太陽能、風(fēng)能、溫差能、振動能、電磁能等。其中太陽能和風(fēng)能發(fā)電設(shè)備沉重、體積大且受天氣影響嚴(yán)重,不利于為小型設(shè)備供能;溫差發(fā)電依據(jù)的是塞貝克效應(yīng),其使用受轉(zhuǎn)換效率低、可靠性不足等制約;機械振動能普遍存在自然環(huán)境中,但是振動可能具有間歇性,因而其功率密度可能會發(fā)生變化;在電力系統(tǒng)中磁能含量豐富且分布廣泛,并且具有獨立、持久、且不會對其他因素造成影響等特點。因此,收集電力系統(tǒng)中雜散磁場的磁能并將之轉(zhuǎn)化為電能,來為電力系統(tǒng)無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)供電,成為了解決制約電力系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能源問題的一種有效的方案[8-15]。

近年來,國內(nèi)外眾多機構(gòu)都開展了對磁場能量收集技術(shù)的研究。目前,磁場能量收集主要有電磁式[16]、壓電式[17-18]、磁電效應(yīng)[19]。電磁式能量收集的原理主要基于法拉第電磁感應(yīng)定律,通過線圈的磁通量發(fā)生改變在線圈之中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。傳統(tǒng)的電磁式能量收集器體積龐大、功率密度較低。壓電式懸臂梁利用系統(tǒng)在磁場作用下發(fā)生振動,壓電材料會隨環(huán)境做機械振動產(chǎn)生應(yīng)變,使內(nèi)部正負(fù)電荷分布改變而產(chǎn)生電勢差,該結(jié)構(gòu)具有制作簡單、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,但是懸臂梁結(jié)構(gòu)的共振頻率帶較窄。具有磁致伸縮效應(yīng)的材料與具有壓電效應(yīng)的材料結(jié)合后具有磁電效應(yīng),磁致伸縮材料在磁場作用下通過磁致伸縮效應(yīng)會產(chǎn)生應(yīng)變,這種應(yīng)變通過機械結(jié)構(gòu)與壓電材料耦合在一起,再利用壓電材料的壓電效應(yīng)產(chǎn)生電場,實現(xiàn)磁-電轉(zhuǎn)換。該結(jié)構(gòu)由于具有磁電轉(zhuǎn)換能力強、響應(yīng)快、靈敏度高等優(yōu)點備受科研人員青睞。

摩擦發(fā)電式能量收集是一種新型的能量收集方式[20-21],依靠摩擦起電以及靜電感應(yīng)原理,目前利用摩擦發(fā)電原理進(jìn)行磁能收集的研究相對較少,本文從實驗方面對摩擦式磁能收集器展開相關(guān)研究。搭建磁能收集實驗測試平臺,制作了摩擦式磁能收集器,研究磁場強度、材料厚度、環(huán)境溫濕度等改變對摩擦式磁能收集器輸出性能的影響,研究成果可為后續(xù)工程化應(yīng)用提供參考。

1 磁能收集器設(shè)計及平臺搭建

本文采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和鋁箔(Al)作為摩擦材料,制備了一套能夠?qū)⒋拍苻D(zhuǎn)化為機械能再轉(zhuǎn)換為電能的磁能收集器,通過改變PDMS介質(zhì)層厚度以及磁場等方式實現(xiàn)摩擦式磁能收集器輸出性能優(yōu)化,并利用測試平臺測試其輸出特性和負(fù)載特性,探究了不同因素對輸出性能的影響。摩擦式磁能收集器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中兩個摩擦層分別為表面經(jīng)過砂紙打磨的鋁箔(Al)和PDMS薄膜,兩個電極分別是鈦片下部表面有微納結(jié)構(gòu)的鋁箔和PDMS薄膜背面磁控濺射的銅膜。將鋁箔(Al)粘貼于鈦片(Ti)的背面,目的是使摩擦的兩個電極在工作過程中能夠及時分離。在銅電極下面附有一層泡沫膠作為緩沖層。永磁體質(zhì)量塊附著在懸臂梁末端,主要起兩個作用:一方面永磁體在交流磁場作用下產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動懸臂梁整體機械振動;另一方面作為質(zhì)量塊調(diào)節(jié)磁能收集器的共振頻率以及懸臂梁的振動幅值。

圖1 摩擦式磁能收集器結(jié)構(gòu)示意圖

摩擦式磁能收集器的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。單個永磁體寬度為20 mm,長度為5 mm,高度為4 mm。末端質(zhì)量越重,將顯著降低懸臂梁的共振頻率。在實驗室可以根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)永磁體數(shù)量,從而調(diào)節(jié)磁能收集器共振頻率。

表1 摩擦式磁能收集器結(jié)構(gòu)尺寸

該磁能收集器主要由兩部分組成,分別為振動端和發(fā)電端。振動端由鋁箔、鈦片、永磁體和夾子組成。將鋁箔貼在鈦片的一面上,鋁箔末端通過導(dǎo)線引出作為電極的一極。末端放上永磁體,另一端夾在一個可以調(diào)節(jié)高度的夾子上,作為發(fā)電機的振動端。發(fā)電端由亞克力板、PDMS 膜、銅箔和雙面膠組成。首先在亞克力板上粘一層雙面膠用于緩沖鈦片拍擊對 PDMS 膜的破壞,然后在雙面膠上貼一層銅箔作為電極的另一極,接上導(dǎo)線,最后把 PDMS 膜貼在銅箔的上面作為發(fā)電的主材料,組成發(fā)電端。當(dāng)外部施加交流磁場下,懸臂梁末端的永磁體在交流磁場作用下產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動懸臂梁整體機械振動,從而使PDMS薄膜和鋁箔表面接觸。在PDMS膜的上表面會產(chǎn)生負(fù)摩擦電荷,鋁箔表面會產(chǎn)生正摩擦電荷。當(dāng)兩個摩擦層分離瞬間,正負(fù)摩擦電荷仍然保留在PDMS和鋁箔的表面上,從而在PDMS膜背面鍍銅電極處感應(yīng)出相反的電荷,此時兩個摩擦層之間會有電勢差,因此會產(chǎn)生由底部的銅電極到頂部的鋁箔處的電子流。這樣通過PDMS薄膜與鋁箔的周期性接觸分離運動,在外電路會產(chǎn)生周期性的交流信號,實現(xiàn)將磁能轉(zhuǎn)化為機械能再轉(zhuǎn)換為電能。

搭建磁能收集實驗測試平臺,通過磁場強度、材料厚度、環(huán)境溫/濕度等改變對摩擦式磁能收集器進(jìn)行電學(xué)試驗探究。測試平臺示意圖如圖2所示。

由圖2可見,整個系統(tǒng)由兩個部分組成,分別是磁場的輸出與監(jiān)測部分和電信號的輸出與監(jiān)測部分。前者由信號發(fā)生器、功率放大器、電流表、亥姆霍茲線圈以及高斯計組成,基本原理為信號發(fā)生器發(fā)出正弦交流信號經(jīng)功率放大器放大之后流入亥姆霍茲線圈,使其產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的50 Hz交流磁場。電流表串聯(lián)在功率放大器與亥姆霍茲線圈之間,用于監(jiān)測流入亥姆霍茲線圈的電流,防止電流過大,確保系統(tǒng)安全。高斯計的探頭放在亥姆霍茲線圈之中,用于監(jiān)測亥姆霍茲線圈的磁場強度。后者由發(fā)電機、示波器和計算機組成,示波器的探頭與摩擦納米發(fā)電機相連,用于監(jiān)測收集器所發(fā)出的電流信號并顯示出來,之后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中畫出相應(yīng)曲線。

圖2 測試平臺示意圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 磁場強度對輸出性能的影響

探究磁能收集器輸出性能與磁場強度之間的關(guān)系。將實驗設(shè)備連接完畢后,打開電源。首先調(diào)節(jié)振動端的高度,使振動端不至于過高拍打不到發(fā)電端,也不至于過低使碰撞影響到自身振動。選擇轉(zhuǎn)速為1 200 rpm的PDMS薄膜進(jìn)行試驗,通過改變功率放大器的輸出電流值來調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈中的磁場強度,從而探究在外界磁場強度分別為3 Oe、5 Oe、7 Oe、9 Oe時摩擦式磁能收集器電學(xué)輸出的變化趨勢。電學(xué)輸出隨磁場強度變化圖如圖3所示。

由圖3可見,當(dāng)磁場強度分別為3 Oe、5 Oe、7 Oe、9 Oe時,該磁能收集器輸出電壓峰峰值分別為295 V、500 V、560 V與625 V,短路電流輸出從14 μA、21 μA、25 μA上升至32 μA。隨著磁場強度增大,該磁能收集器的輸出電壓與輸出電流隨之增大。輸出性能提高的原因與摩擦接觸面積以及摩擦層之間的距離有關(guān)。當(dāng)磁場強度升高時,摩擦式磁能收集器的PDMS薄膜與鋁電極接觸面積增大。

圖3 電學(xué)輸出隨磁場強度變化圖

摩擦納米發(fā)電機本征輸出性能(Uoc、Qsc):

(1)

(2)

式中:Uoc——開路電壓;

Q——兩電極之間通過靜電感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷量;

S——電極面積;

ε0——真空介電常數(shù);

ε1——PDMS相對介電常數(shù);

d——摩擦材料厚度;

x——兩摩擦層之間距離;

σ——表面電荷密度;

Qsc——短路條件下兩電極之間通過靜電感應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷量。

根據(jù)式(1),隨著磁場強度增加,懸臂梁中部二階模態(tài)振動幅值愈加明顯,PDMS薄膜與鋁電極兩摩擦層之間分離的距離逐漸增加。輸出的開路電壓幅值與兩摩擦層之間分離的距離成正比關(guān)系,因而隨著磁場強度增大,分離距離增加,輸出的開路電壓幅值也有所提升。根據(jù)式(2),隨著摩擦層接觸面積的不斷提高,會產(chǎn)生更多的摩擦電荷,因而會產(chǎn)生更大的輸出電流。

不同磁場強度下輸出功率隨著負(fù)載阻抗變化的曲線如圖4所示。

圖4 不同磁場強度下輸出功率隨負(fù)載阻抗變化的曲線

任何電源均有內(nèi)阻,當(dāng)外接不同的負(fù)載電阻時其輸出電壓與輸出功率也有較大差別。因此,對于磁能收集器外電路連接的匹配阻抗大小顯得尤為重要。圖4中,隨著負(fù)載阻抗的增加,輸出功率也在不斷提升。當(dāng)外部負(fù)載阻抗為10 MΩ時,不同磁場強度下的輸出功率均達(dá)到峰值。當(dāng)外部負(fù)載繼續(xù)增大時,輸出功率呈現(xiàn)降低趨勢。輸出功率整體上呈現(xiàn)先增后降的趨勢。當(dāng)外接負(fù)載阻抗為10 MΩ時,隨著磁場強度從3 Oe增大至9 Oe時,磁能收集器的輸出功率由846 μW提升到4 400 μW。磁場強度的改變對基于摩擦式磁能收集器的輸出性能影響明顯。

在能源供給方面,磁能收集器直接輸出的是交流電信號,而大部分用電設(shè)備需要直流供電。因此需要將磁能收集器產(chǎn)生電信號通過整流橋進(jìn)行整流后儲存在電容中,當(dāng)電容電量積累到一定程度便可以為傳感器工作提供電能。磁能收集器給電容充電速度是評價其輸出性能的一項重要指標(biāo)。不同磁場下摩擦式磁能收集器給10 μF電容充電特性如圖5所示。

圖5 不同磁場下摩擦式磁能收集器給10 μF電容充電特性

由圖5可見,隨著磁場強度的增加,電容充電速率加快。在外界磁場強度為9 Oe時,磁能收集器能夠在40 s內(nèi)將10 μF電容充電到9 V。

2.2 材料厚度對輸出性能影響

為了探究摩擦材料PDMS的厚度對摩擦式磁能收集器電學(xué)輸出性能的影響。利用所得的實驗數(shù)據(jù)繪制不同厚度(800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm、1 500 rpm)的PDMS磁能收集器的開路電壓與短路電流隨膜厚的變化情況。

設(shè)定磁場強度為3 Oe,探究在不同膜厚度條件下摩擦式磁能收集器電學(xué)輸出的變化趨勢。截面測試圖如圖6所示。由圖6可見,轉(zhuǎn)速分別為800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm和1 500 rpm的PDMS薄膜厚度分別為62.94 μm、48.02 μm、45.34 μm和26.58 μm。

圖6 截面測試圖

利用靜電計Keithly6514采集磁能收集器的輸出電壓與電流信號,輸出性能隨膜厚度變化如圖7所示。

由圖7可見,當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm和1 500 rpm時,該磁能收集器輸出電壓峰峰值分別為102 V、155 V、295 V、230 V,短路電流輸出為8.5 μA、11.2 μA、14 μA、13.8 μA。輸出開路電壓的峰峰值與短路電流均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 rpm即膜厚度為45.34 μm時輸出性能達(dá)到最大值,其開端電壓與短路電流是800 rpm轉(zhuǎn)速的2.8倍和1.6倍。

圖7 輸出性能隨膜厚度變化

隨著PDMS薄膜厚度進(jìn)一步降低時,該磁能收集器輸出性能開始降低。當(dāng)PDMS薄膜厚度大于1 200 rpm所對應(yīng)的膜厚時,隨著薄膜厚度的降低,電介質(zhì)層有效厚度也隨之減少。根據(jù)式(2)得到,隨著電介質(zhì)有效厚度逐漸降低時,增大表面感應(yīng)電荷可以大幅提升該磁能收集器輸出性能。然而當(dāng)PDMS薄膜厚度小于1 200 rpm所對應(yīng)的膜厚時,其整體不能等效為理想的平行板電容器模型,從而產(chǎn)生了邊緣效應(yīng),對磁能收集器輸出性能產(chǎn)生影響。

輸出功率隨負(fù)載阻抗變化曲線如圖8所示。隨著負(fù)載阻抗增加,輸出功率在波動,整體上呈現(xiàn)先增后降趨勢。不同轉(zhuǎn)速(800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm和1 500 rpm)的磁能收集器其最佳匹配阻抗分別為4 MΩ、6 MΩ、10 MΩ以及7 MΩ,其最大輸出功率分別為182.2 μW、600 μW、846.4 μW以及487.2 μW。

圖8 輸出功率隨負(fù)載阻抗變化曲線

2.3 環(huán)境濕度對輸出性能影響

磁能收集實驗可能在不同的氣候、地區(qū)進(jìn)行,因而探究環(huán)境相對濕度變化對能量收集器輸出性能以及工作效率等影響具有積極意義。將組裝好的器件放置于可程式恒溫、恒濕試驗箱內(nèi)試驗,探究在不同濕度條件下基于摩擦式磁能收集器電學(xué)輸出性能的變化趨勢。

磁場強度設(shè)定為4 Oe,相對濕度設(shè)定為20%、40%、60%,對磁能收集器的輸出電壓與電流信號進(jìn)行測試,輸出性能隨相對濕度變化的測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 輸出性能隨相對濕度變化的測試結(jié)果

由圖9可見,摩擦式磁能收集器輸出開路電壓與短路電流隨著相對濕度的增加均呈現(xiàn)降低的趨勢。其中,當(dāng)相對濕度為20%時,輸出開路電壓峰峰值與短路電流分別為240 V和18.5 μA。隨著相對濕度增加,輸出電壓與短路電流逐漸降低,當(dāng)相對濕度為60%時,輸出開路電壓峰峰值與短路電流分別為112 V和6 μA。其輸出功能是相對濕度20%的輸出電壓和輸出電流的0.46倍和0.32倍。這主要是由于當(dāng)濕度增加到一定程度,在磁能收集器的兩個摩擦層表面積累大量的水分子,在摩擦層空隙處形成連續(xù)的水膜,該水膜會將部分摩擦層表面的靜電荷導(dǎo)離,從而導(dǎo)致輸出性能降低。

3 結(jié) 語

本文對設(shè)計的摩擦式磁能收集器輸出性能進(jìn)行了實驗測試。通過搭建磁能收集測試系統(tǒng)進(jìn)行一系列的實驗探究。實驗主要從外界磁場強度、制備PDMS材料的厚度以及環(huán)境相對濕度變化等方面展開研究,主要有以下結(jié)論:

(1)隨著磁場強度增大,磁能收集器的輸出電壓與輸出電流隨之增大。輸出性能提高與磁能收集器兩個摩擦面接觸面積以及摩擦層之間的距離有關(guān)。當(dāng)磁場強度由3 Oe提升至9 Oe,在外部最佳匹配阻抗10 MΩ下,磁能收集器最大瞬時輸出功率846 μW提升到4 400 μW,輸出功率提高了4.2倍。

(2)隨著材料厚度的降低,磁能收集器輸出開路電壓與短路電流均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 rpm即PDMS膜厚度為45.34 μm時輸出性能達(dá)到最大值,輸出電壓與短路電流是8 00 rpm轉(zhuǎn)速(厚度62.94 μm)的2.8倍和1.6倍。

(3)隨著相對濕度增加,摩擦式磁能收集器輸出電壓與短路電流均呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)相對濕度為20%時,輸出電壓峰峰值和短路電流分別為相對濕度為60%的輸出電壓和輸出電流的2.17倍和3.12倍。