【《振动能量收集技术分析文献综述》2800字】

振动能量收集技术分析文献综述随着电子技术的快速发展，万物互联社会触角——传感器的功耗得到了较好的控制，采集环境能量如振动能、太阳能、风能为传感器供电使其无源自驱动工作成为不少科研人员的重点研究领域[35,36]，地铁车辆由于轮轨作用力产生的冲击而具有丰富的振动能量，本文主要对振动能量收集技术进行研究。振动能量收集是一个机电耦合的过程，基本原理是外界振动环境激励使得能量收集装置发生变形或位移，引起结构电学量的变化，从而向外输出电荷。根据不同的振动能量俘获机理，常见的振动能量收集方式主要有三类，分别为压电式、静电式和电磁式[37]。1.1静电式静电式振动能量收集器基于静电感应原理，其主要的结构是可变电容。当静电式振动能量收集器受到外界环境振动激励时，电容两极板间的距离或者相对面积会发生变化，引起电容的改变，从而使得电荷发生转移，实现机械能到电能的转换。平板电容器的电容量C为： (1-1)式中，为极板间的介电常数，为极板相互重叠的面积，为极板间的垂直距离。当外界因素改变电容量C时，电容存储的电能也会发生改变： (1-2)式中，为电容两端的电压，为最大电容，为最小电容。若不考虑绝缘以及自放电等损耗，静电式振动能量收集器输出功率为： (1-3)式中，为环境振动频率。尹春风[38]等人设计了一种以聚二甲硅氧烷为弹性材料的微型静电式振动能量采集器，在100Hz，1g的冲击环境下，功率达到39.4μW。静电式振动能量收集器具有较宽的工作频带、体积小、技术成熟等优点，可以很好的集成到对部件尺寸有严格限制的微机电系统中，但是该方式的能量收集器需要外接独立电源，无法完全实现自驱动，且输出阻抗较高，这些缺陷限制了它的使用范围。1.2电磁式电磁式振动能量收集器主要原理是法拉第电磁感应定律，主要由闭合导电线圈和永磁体构成。在外界振动环境激励下，闭合导电线圈与永磁体形成相对运动，引起闭合导电线圈所通过磁通量的变化，从而产生感应电动势： (1-4)式中，为闭合导电线圈的匝数，为通过线圈的磁通量，为时间。闭合导电线圈的开路电压： (1-5)式中，为磁感应强度，为单匝线圈的长度，为切割磁感线的相对位移。Lee[39]等人提出了一种结构如图1-1所示的摆式电磁能量采集器，通过两根并联的连杆实现线圈和磁铁的反向运动，试验结果表明这种结构可以有效地缩短感应时间并提高了能量采集器的输出功率。电磁式振动能量收集器无需外接独立电源，较大的输出电流，但是存在漏磁和能量转换效率低等问题[40]，闭合导电线圈和永磁体需要占据的空间比较大电磁式能量收集器的体积往往比较大，很难与MEMS装置集成。图1-1摆式电磁能量采集器Fig.1-1Pendulumelectromagneticenergyharvester1.3压电式压电式振动能量收集器主要是利用压电材料（压电陶瓷和压电薄膜）的压电效应，外界环境的振动激励使得压电材料产生形变，材料内部发生极化并且在外表面产生极化电荷的现象，撤去外力后，压电材料会重新恢复不带电的状态。一般用压电材料的变形方向与极化方向来划分压电材料的不同耦合工作模式，d31和d33是压电材料常用的两种耦合工作模式，如图1-2。d31工作模式是指变形方向与极化方向垂直，变形沿着1方向，而极化沿着3方向；d33工作模式是指变形方向与极化方向平行，均沿着3方向。(a)d31模式(b)d33模式图1-2压电材料不同工作模式Fig.1-2Differentworkingmodesofpiezoelectricmaterials表示压电材料的力学参数和电学参数关系的压电方程为机电耦合方程，如下所示[41]： (1-6) (1-7)式中，σ1为沿1轴方向上的应力；ε1为沿1轴方向上的应变；Ep为压电材料的弹性模量；E3为压电材料的内建电场强度；D3为在外界激励和内建电场强度共同作用下产生的电位移矢量，用电荷密度表征；ε31σ为介电常数；d压电式振动能量收集器的具有结构简单、感应电压高和高能量密度等优点，容易实现装置的小型化设计，是一种较为理想的收集方式。d31工作模式是压电悬臂梁常用的工作模式，可由较小的形变产生较大的内部应力，从而降低结构的谐振频率，使压电结构与环境振动主导频率更好地匹配。d33工作模式的压电材料可产生相比于d31工作模式更高的电压，且具有较高的能量密度，但是所采用的结构一般都比较复杂，例如Jeon等人设计了d33工作模式的插指型结构压电悬臂梁[42]。假设对d31工作模式的压电元件施加一个频率为、大小为F的简谐力，压电元件的上下表面（1轴方向）会产生极化，可用电容的数学模型求解压电元件的功率[43]，压电元件1轴方向上的电流为： (1-8)压电元件1轴方向上的电压为： (1-9)那么d31工作模式的压电元件的功率可表示为： (1-10)式中，d31表示压电材料的压电系数，Cp表示压电元件的等效电容，εp表示压电元件的介电常数，l、b和h综合以上三种振动能量收集方式，压电式振动能量采集方式具有结构简单、感应电压高、无需外接电源和可以根据实际应用场合的需要设计成任意的形状尺寸等的优点，因此选用压电式作为辅助供电装置的能量收集方式，为了获得更好发电性能，要对地铁车辆运行的振动数据进行采集并分析得到环境激励振动主导频率和能量集中的频段，使振动能量收集结构谐振频率与其应用的环境振动主导频率相匹配。参考文献[1]高德地图.城市轨道交通2020年度统计和分析报告[J].城市轨道交通,2021（04）:16-34.[2]百度地图.2020年度中国城市交通年度报告[J].城市公共交通,2021（06）:5.[3]马亮,郭进,张晓霞.地铁车辆预防性检修计划优化模型与算法[J].铁道学报,2016,38（07）:8-14.[4]郑树彬,彭乐乐,李立明等.机器视觉与惯性信息融合的轨道线形检测[J].振动、测试与诊断,2018,38（2）:394-400.[5]刘可安,戴计生,徐海龙.城轨车辆关键部件状态修技术与系统解决方案[J].机车电传动,2020（04）:1-7.[6]徐彦伟,蔡薇薇,颉潭成等.变工况下基于信息融合的地铁牵引电机轴承故障智能诊断[J].计算机集成制造系统,2021:1-20.[7]许南南,许浩翔,张章.一种地铁列车齿轮传动系统弛缓状态诊断方法[J].机车电传动,2019（06）:115-117.[8]李廷金,易铁航,任晶.CRH_5型动车组牵引电机冷却风机三级修状态研究[J].铁道机车与动车,2019（04）:35-37.[9]邱新锋,张颖.地铁列车牵引电机检修中的异常振动分析[J].现代城市轨道交通,2019（01）:25-27.[10]何冲,王昕.牵引电机转子动平衡技术[J].电机与控制应用,2015,42（07）:26-28.[11]曾贵伟,汤宝平,邓蕾等.机械振动无线传感器网络节点高精度数据采集方法[J].振动与冲击,2016,35（16）:59-63.[12]薛光辉,张昊,王东等.基于ZigBee技术无线传感器研制[J].煤炭工程,2018,50（08）:168-172.[13]郭建康.客运专线铁路桥梁振动实时监测技术研究[J].铁道建筑,2018,58（06）:40-42.[14]BuendiaVictoriaGomez-Guillamon,PodilchakSymonK.,GoussetisGeorgeetal.ASmartCableOfferingSelectiveandDistributedAntennaRadiationUsingRFSwitchesandNon-ConventionalHybridCouplers[J].IEEETRANSACTIONSONANTENNASANDPROPAGATION,2018,66（11）:6346-6351.[15]蒋新花,丁华平,沈庆宏.基于现场实验的无线与有线加速度系统桥梁振动监测比较研究[J].现代电子技术,2014,37（07）:101-104.[16]董辛旻,薛伟,李雄飞,无线传感器网络在振动数据采集中的应用[M].郑州,2012:458-460.[17]曲素荣,李霞.HX_D2C型机车牵引电机定子绕组接地故障原因分析[J].机车电传动,2019（06）:149-151.[18]张世聪.大功率电力机车异步牵引电机的典型故障研究[J].北京交通大学学报,2018,42（02）:122-128.[1