电磁式低频振动移动电源设计.doc

吉林省大学生创新创业训练计划项目申请书推 荐 学 校 北华大学 项 目 名 称 电磁式低频振动移动电源设计 项 目 类 型 创新训练项目创业训练项目创业实践项目 所属一级学科名称电气工程 所属二级学科名称 电力电子与电力传动 项 目 负 责 人 张绍鹏 申 报 日 期 2014-04-16 吉林省教育厅制二一四年三月项目名称电磁式低频振动移动电源设计项目类型（）创新创业项目 （）创业训练项目 （）创业实践项目项目实施时间起始时间：2014 年 6 月 完成时间： 2016 年 6 月申请人或申请团队姓名年级学校所在院系/专业联系电话E-mail主持人张绍鹏12级北华大学电气学院/电子信息工程156621307331663625827 姜鑫13级北华大学电气学院/通信工程186299484702225057442 成 员马超13级北华大学电气学院/测控技术与仪器18629947685957992093 张爱金13级北华大学电气学院/通信工程186432236351355895374 屈阳13级北华大学电气学院/电气工程及其自动化18684320926952885914 指导教师姓名张玉欣研究方向智能检测与信息优化处理年龄35行政职务/专业技术职务讲师主要成果科研项目：1. 人工免疫粒子群优化神经网络在变压器故障诊断中的应用研究，吉林省教育厅，20132016（在研），主持.2. 基于色谱分析法的变压器在线监测及故障诊断研究，吉林省教育厅，20102012（完成），排名第4.3. 旋转化工设备故障检测与诊断系统，北华大学，2008.12（完成），排名第6.4. 基于指纹的考勤管理系统，北华大学，2008.4（完成），排名第4.5. 信息类专业应用型本科课程体系的研究与实践，北华大学，2009.9（完成），排名第4.论文：1. Application of stochastic resonance in digital image filtering，Advanced Materials Research，EI，2013.01，第一作者.2. Application of BP neural network based on immune particle swarm optimization for fault diagnosis of power transformer. Applied Mechanics and Materials，EI，2013.09，第一作者.3. A Real-time Two-dimensional Correlation Speed Measurement Based on Image，CMCE 2010，EI，2010.8，第一作者.4. 基于CMOS图像传感器的实时二维相关测速法，液晶与显示，中文核心，2010.12，第一作者.5. 轴温报警器检测平台的设计与实现，制造业自动化，中文核心，2010.8，第一作者.6. Research of VGA display for 2048 resolution power linear CCD based on SOPC，ICFIEA2010，201012，第一作者.7. 像移补偿技术的发展与展望，中国光学与应用光学，2010.4.，第一作者.8. CDIO模式下高频电子技术课程教学体系研究，科技信息，2012.3，第一作者.9. 基于单片机的城市污水处理系统研究，中国电机工程学会第十届青年学术会议论文集，2008.4，第一作者.10. 概率神经网络在隧道变形位移监测中的应用，冶金自动化，中文核心，2012.8，第二作者.1、 项目实施的目的、意义 进入21世纪后，伴随着工业化的高速发展，全球性的环境恶化和能源危机正威胁着人类的长期稳定发展。因此，新能源的开发利用及各类能源的综合利用已成为各国战略发展规划中的重要组成部分，新型的清洁替代能源已成为各国研究的重点。在我们生活的空间里存在着各种潜在的、可利用的能源，如太阳能、风能、热能、机械振动能、潮汐能等。如何收集并存储这些能源，是近年来科学家们努力研究的焦点问题之一。目前，太阳能和风能的研究已经取得了一定进展，而直接利用物体的机械振动来发电并存储已成为新能源研究中的一大热点，机械振动能具有相对高的能量密度、其普遍存在，且没有污染，尤其是存在于人体行走、汽车运动、机械振动环境中。如果能将这些机械能收集并加以利用，将为目前日益严重的能源危机做出巨大贡献，因此具有良好的应用前景。振动式发电是利用静电、压电、电磁等效应，通过一些装置将外部的机械振动能转换成电能，在经济、安全、环保性方面具有明显优势。根据不同的产电形式，可将微型振动式发电分为电磁式、静电式和压电式三种，其中电磁式振动能量采集器较其它两种方式具有体积小、发电量大的优势，并且无需驱动电源，可适用于各种恶劣环境中。自然界中振动无处不在,但其振动产生的能量往往消耗于减震器等设备,或者直接被忽略。针对当前如何收集振动能并将其转换为电能的问题，本项目拟设计出一种新的振动能量采集和存储装置，将人体跑步或走路中的振动能转换为电能收集并存储起来。振动产生的电能通常是毫安、毫伏级的，若能完成振动电能的存储，为手机、微型传感器等各种微电子器件提供不间断供电、随时充电等问题，这将为人们的生活带来极大的便利，具有良好的社会效益和经济效益。二、项目研究内容和拟解决的关键问题项目研究内容： (1)电磁式低频振动能量采集装置原理研究与机械结构设计。电磁式振动采集器的工作原理是利用法拉第电磁感应定律。在外部振动的激励下，磁铁与线圈产生相对运动，引起线圈中的磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势来对外电路进行供电。在结构方面独特的发电装置控制了磁路方向，可任意改变磁轭形状达到随意放置线圈，在最优的发电情况下可优化的缩小体积。 (2)电能存储装置原理研究与电路设计 。电能存储电路部分是将采集到的电能整流、稳压、存储到储能器中。将输出的交流电通过整流检波、电感电容储能、升压、稳压等电路后，系统的输出端达到 50.5V、355mA 的稳定电能，可为手机、MP3、微电子器件充电。 (3)电能传输装置原理研究与电路设计 。的电子产品充电。电能输出对电磁式低频振动移动电源有着重要的作用，电能的输出拟采用通用USB接口数据总线传输和无线传输两种电能传输方式。通用USB接口数据总线传输电能可满足目前大多数电子数码产品的供电要求、无线传输对内带有无线电能模块(4)系统仿真实验利用Matlab 仿真软件中的PDE 工具箱对线圈和磁铁的磁场随振动变化情况进行仿真分析。利用Protel 和 Multisim(EWB)电子仿真软件对微电存储电路进行仿真实验。(5)系统硬件实验系统硬件电路由电磁式振动采集电路、存储电路、传输电路三部分组成，各电路经实验板实验通过后，制作专用PCB电路版，通过实验室仪器进行检测，分析各种参数、系数对输出电压的影响。并最终对功能、效果、精度等指标进行测试和分析。拟解决的关键问题：(1)电磁式振动能量采集装置的实现 电磁式振动电能采集装置结构设计应做到能最优收集振动能量，高效的将振动能转换为电能，且输出的电压应能够满足后续电路芯片工作需要，同时应考虑到结构大小，电磁干扰等因素。(2)超级电容器电能存储装置的实现实现对振动装置产生出的交流电最大化的存储,同时可串联或并联多块电容达到升压和增大储能的效果，同时增加电流稳定性、提高电路的储能率。(3)非接触式电能传输装置的实现应用谐振变换技术、软开关切换技术等，借助现代控制理论和方法，实现电能从静止电源设备向移动设备的非接触传递。(4)电能管理电路的设计 对机械振动转换得到的电能进行整流检波、升压存储、升压等功能，且要求保证输出电能的品质。三、项目研究与实施的基础条件 1.学生基础项目组学生包括信息、测控、通信、电气四个专业，涵盖了本项目所需的各领域，对项目的开展与实施奠定了良好的理论基础。项目组学生在自动化技术吉林省大学生课外创新实践基地（即电气信息工程学院创新实践基地）经过近两年的学习，对电子电路、微控制器、无线传输等技术积累了一定的理论基础和实践经验。本项目组成员对本项目的研发有着浓厚的兴趣和积极性，完全具备完成本项目的能力。2.环境基础项目组成员均为自动化技术吉林省大学生课外创新实践基地（即电气信息工程学院创新实践基地）成员，该基地硬件设施齐全，提供了良好的场地和设备，具有很好的研究条件。同时，电气学院的电力系统及自动化实验室、信息采集与处理实验室、通信实验室、测控技术实验室均为开放式实验室，为本项目相关内容的实验提供了良好的硬件支撑。3.教师基础本项目的指导教师具有博士学位，目前承担省级科研项目的主持工作。指导两届校级大学生创新项目。2006年至今指导毕业设计学生100人左右。参与过大学生电子设计大赛的指导工作。具有项目实施、论文撰写的指导能力。 四、项目实施方案本项目主要由三个环节组成：振动能量采集、电能管理和电能输出。如图1所示。图1 系统组成框图一、电磁低频振动发电式移动电源振动能量采集部分设计：系统的工作原理是在外界振动的激励下，电磁式低频振动发电式移动电源做轴向运动,外壳及磁轭等与振子发生相对运动,引起感应线圈上磁通大小和方向不断变化,依据电磁感应的原理,线圈上将产生感应电动势，响应可看作一个正弦波。1、振动能量采集部分机械结构：实际生活的振动频率是比较低的，因此要想在实际生活中对低频的振动能量有较多的利用,那么必须要求所设计的振动能量收集装置效率够高,能在低频的振动条件下产生较大的电能。针对低频振动的条件,本项目提出了一种高效率低频振动能量收集装置,其结构图如图2所示。图2 振动能量采集部分结构图该振动能量收集装置包括:导磁材料制作的前、后、左、右磁轭（防止振子在振动过程中发生倾斜）和线圈支架、铝质材料的底座、漆包线圈和振子。振子部分又由永磁体,上、下衔铁,以及上、下弹性缓冲垫粘合组成。前、后、左、右磁轭上各有一段凹凸等宽的方齿,前后与左右磁轭上的方齿错位一个齿宽。永磁体按图中竖直方向充磁,不妨假设上方为N极下方为S极。永磁体上下各有一个衔铁,其厚度等于磁轭齿宽。永磁体厚度为齿宽的偶数倍,这样可保证一当衔铁正对一侧磁轭上的齿顶时,另一衔铁正对该磁轭齿底处。振子衔铁外径稍大于永磁体外径,而磁轭方齿内径又略大于衔铁外径,即径向存气隙, 气隙的大小对装置性能产生一定影响。底座起定位作用,与线圈支架一起卡死前、后、左、右衔铁，除此之外,整体装置还包括铝质盖子和外壳。外壳内壁有4条周向各宽60的对称轴。该结构一方面作为振子上下运动的轨道,限制振子运动范围，防止其卡入前、后、左、右磁轭的齿间；另一方面也用于前、后、左、右磁轭,底座和线圈支架的径向定位,防止其发生转动。线圈支架的中间部分称为中心铁芯,能缠绕漆包线形成线圈。2、振动能量收集装置的工作原理:1)永磁体下面的下衔铁与左右磁轭的齿顶相对时,该下衔铁与前后磁轭的齿底相对,永磁体上面的上衔铁与前后磁轭齿顶相对且与左右磁轭的齿底相对。由于软磁材料传递磁力线的特性,磁力线由永磁体的N极发出,先后经过永磁体上面的上衔铁、气隙、前后磁轭、顶轭、左右磁轭、气隙和永磁体下面的下衔铁回到永磁体的S极,形成闭合回路。2)振子向上振动,当永磁体下面的下衔铁与左右磁轭的齿顶的相对面积大于与齿底的相对面积时,磁力线从永磁体的N极发出,经过上衔铁后,大部分磁力线经过气隙向前后磁轭走,再经过顶轭、左右磁轭、气隙、下衔铁,回到永磁体的S极,但也有磁力线经上衔铁、气隙、四片磁轭、气隙、下衔铁,回到永磁体的S极。与情形1)相比,通过线圈支架的磁通减少了。3)振子继续向上继续振动,当永磁体下面的下衔铁和左右磁轭的齿顶相对的面积跟与齿底相对的面积相等时,磁力线从永磁体的N极发出,传向上衔铁,再经过气隙分别传向四片磁轭,由于左右对称性,磁力线向上走的部分相互抵消,即磁轭上面中轴上的磁感应强度为0。四片磁轭各自向下走的磁力线,分别经过磁轭和气隙传到下衔铁,再回到永磁体的S极。4)振子继续向上振动,当永磁体下面的下衔铁和左右磁轭的齿顶的相对面积比齿底相对面积小时。磁力线从永磁体的N极发出,大部分磁通经上衔铁、气隙、四片磁轭、气隙、下衔铁,回到永磁体的S极。另有一部分磁通经过上衔铁、气隙、左右磁轭、顶轭、前后磁轭、气隙、下衔铁,回到永磁体的S极。与情形2)相比通过线圈支架的磁通方向相反。5)振子继续向上振动,当永磁体下面的下衔铁和左右磁轭的齿底对齐时,磁力线由永磁体的N极发出,先后经过永磁体上面的上衔铁、气隙、左右磁轭、顶轭、前后磁轭、气隙和永磁体下面的下衔铁回到永磁体的S极,形成闭合回路。此时的磁力线走势跟情形1)正好相反。3、振动能量采集部分磁性材料的选择：本装置形成了闭合磁路,依靠软磁材料制成的磁轭和线圈支架来传递磁力线,软磁材料的磁传导能力决定了装置的性能。提高磁轭和线圈支架的导磁能力能使较多磁力线按着装置设计的磁路传递进而提高装置效率;而在一定范围内提高永磁体性能,则能有效提高线圈的磁链,在同一振动频率下能有效提高感应电动势。因此磁性材料的选择至关重要。在相同体积下,稀土永磁体的磁场强度最大,因此常常成为振动能量装置的首选,同时由于它的矫顽力比较高,不会因为装置的振动而退磁。因此,本装置选用稀土永磁体作为其材料,确定以NdFe35作为永磁材料。软磁材料的矫顽力与永磁材料的矫顽力类似,矫顽力越大,材料的磁化难度越大,本装置中的磁辄和线圈支架起着传导磁力线的作用, 且传递方向不断改变, 宜选用低矫顽力的材料。4、振动能量采集部分磁感线圈的设计：电感线圈分为初级绕组和次级绕组。初级线圈输出的电能由后续电路中电感进行存储；次级线圈输出的电能为电路芯片提供能量，初级线圈匝数是次级匝数的十倍。线圈匝数的设计，需要考虑后续电路中芯片所需电压的大小。线圈电感量的大小，主要取决于线圈匝数、几何形状，以及线圈结构尺寸，如绕组长度、直径、厚度等。其次，若线圈内部有屏蔽，以及磁芯等，则线圈电感量将发生改变。线圈匝数越多，产电能力就越强，但同时线圈本身引入的电阻也越多。在实际设计中，需要结合外界振动频率和后续电路的各个参数要求来设计。5、振动能量采集装置的优点:1）注重构成闭合磁路使得装置可高效地利用磁能，能量转换率得到大幅提高；2）针对低频振动的条件限制，设计了多齿结构，导致振子在一次振动中磁场可产生多次交变，大大提高了感应电动势和发电功率；3）磁轭多齿结构形成的磁场限制了振子运动范围，无需安装专门的弹簧或永磁体进行限位,保护振子免受撞击,简化了结构和组装。二、 电能管理设计从微型振动发电机产生的电能能够有效的存储并且使其输出功率效率最大化,需要对微型发电机输出通过电路进行功率调节,不管是磁电式微型振动发电机、静电式微型振动发电机还是压电式微型振动发电机,它们从环境中将振动能转换为电能都是微小电能，并且还是一个随环境随机变化的电能。有时甚至会出现发电机输出为零的情况。因此,发电机的输出电能不能直接给外部供电,要使转换得到的电能能够自行保持，就需要对功能电路进行研究,这个功能电路不仅能够保持输出电压,还要能够存储电能,因此设计了一个不需外加辅助电源的电能提取电路。此电路从振动环境中收集能量,是一种低功耗的电源接口电路,此接口电路能使振动发电装置发挥更大效率。电路包括:电能整流模块、升压储能模块、升压模块、稳压模块和电量监控模块，其框图如图3。图3 电能管理结构框图1、整流、滤波电路：全波整流电路可以把全波输出，正负半波都有电压输出,输出脉动幅度会大大降低,提高了整流效率。全波整流是由中心抽头的变压器、两个二极管组成的, 这样输入的每半周导通一个二极管,使得在输入的正负半周都有输出。而且两个二极管导通后流过负载的同一方向的电流。其中桥式整流电路是典型的全波整流电路,桥式整流电路是用四个二极管接成电桥形式,使在正负半周负载均有同方向的全波脉动电流流过。整流电路输出电压是脉动的,含有较大的脉动成分。因此必须经过滤波,滤掉脉动成分,使输出电压趋于平滑,接近理想的直流电压。由上图可以看出电压整流和滤波之后,输出波形变得平滑。电能管理部分整流、滤波电路图如图4。图 4 整流、滤波电路2、升压、储能：振动能量采集装置产生的电能相对较小，难以直接为大部分电路提供驱动能量。因此，必须积累产生的电量。收集电磁式振动产生电能的方法主要有两种：一是通过电容/电感收集并储存产生的能量；二是利用可重复充电的电池收集储存电量。电感储能多用于大型电力设备，不适合为微型发电机储能。电容器有一般电容器和超级电容器两种。一般电容器能量密度小，储能时间短，因此不适合做储能元件。而超级电容器具有法拉级的超大电容量，能量密度高，漏电流非常小，放电功率比锂电池高出近十倍，寿命长，是非常理想的大功率储能元件。升压部分为超级电容，为更好的存储电压和电能做了充分的保障。3、稳压:微型发电机的输出电压或者负载电流变化导致整流滤波输出的直流电压也会发生变化,对于微电机系统是不容许的,所以要釆用稳压电路来稳定负载上的电压。由于多数数码电子产品都需稳定的直流电压,所以储能电容器不能给负载电路直接供电,要将电容中釆集到的电量转换为稳定的直流电,才能将稳压模块输出的电量送入目标系统,并唤醒目标系统工作；另一方面,要求电源管理电路自身消耗的功耗要极低,这样才能提高发电机的电能利用效率。基于以上考虑,采用DC/DC电压转换器来连接储能器和负载电路,将直流电压调整为无线传感器节点所需要的稳定值,当储能电容器的电压在动态变化时,电路依然可以向各负载提供稳定的电能。三、电能输出部分设计电能输出对电磁式低频振动发电式移动电源有着重要的作用，对于电能的输出拟采用通用USB接口数据总线传输和无线传输这两种电能传输方式。电能传输框图如图5所示。图5 电能传输示意图1、通用USB接口数据总线传输电能的选择：随着各种数码设备的大量普及，数码相机、MP3、手机等设备接踵而至，我们周围的USB设备越来越多。这些设备使用USB接口数据总线传输电能已成为一种普遍现象。2、无线电能传输：无线充电技术，源于无线电力输送技术，其工作原理利用的是电磁炉原理，当电流通过线圈之后，便会产生出磁场；而产生的磁场又会形成电压，有了电压之后便会产生电流，有了电流便可以充电，所以本项目大胆的提出电磁式低频振动发电产生的电能进行无线传输，即将电磁式低频振动移动电源内的电能经无线传输模块发送电能，充电设备（接收端）透过无线感应的方式取得