针对远程无线开关的电磁式冲击能量收集器研究

赵兴强， 戴志新， 丁 宇， 严 飞， 钱海林

(1. 南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京 210044;2. 南京信息工程大学 自动化学院 江苏省气象能源利用与控制工程技术研究中心，南京 210044)

随着无线通信和物联网技术在智能家居中的广泛应用，使得传统的家电、照明和能源等方面的检测与控制都发生了革命性的变化，给人们的生活带来了很大的便利。无线遥控开关面板作为智能家居系统的一个重要组成[1-3]，除了可以通过无线通信技术实现对家电、照明等方面的控制，同时还可以通过WiFi等技术连接互联网，实现远程控制。相对于传统的开关面板，无线遥控开关面板有显著的优势，它无需在开关端布线，极大地简化了电缆布线，降低装修成本。按照用户需求，无线开关面板可灵活地放置于应用场所的各个位置，实现一对一、多对一、一对多各种组合的目标控制，操作十分方便，改善了生活体验。

目前的无线开关面板基本上为电池供电，在频繁的开关操作时电池很快就会耗尽，需定期更换，增加了成本，同时废电池会造成环境的污染。近年来出现的能量收集技术开始在无线开关面板上应用，可将光能、按键冲击动作转化为电能，给开关面板发射端供电，实现控制信号的发射。孔德超等[4]提出了一种基于弱光充电的无线开关面板控制器，用弱光型太阳能电池收集室内光能，并对电容充电，实现了对灯具的无线控制。Cho等[5]设计了一种使用悬臂式压电能量收集器(发电机)的无线远程开关，通过升频技术实现了高频振荡，在受到5～8 N按压力的情况下，产生140 μJ的能量，利用ZigBee无线通信技术发送了三个数据包。太阳能电池和压电式动能收集器结构简单，便于实现小体积的开关面板，但是成本高，没有市场竞争力。实际的应用中，大多采用电磁式冲击能量收集器，其输出性能优良，成本低。德国EnOcean[6]，武汉领普[7]、北京微能[8]等公司都先后开发了电磁式能量收集器，应用于无线门铃的控制。该收集器通过弹簧蓄力，将相对缓慢的按键动作转化一个脉冲动作，使得线圈中磁力线反向突变，输出一个电脉冲，产生的电能高达到3 mJ，保证了后续电路在短时间内发送若干数据包。尽管在这种无线开关的冲击能量收集技术已经实现了商业化，但是关于电磁式冲击能量收集器的工作原理和性能分析方面的尚未见系统性的研究性文献。本文提出了E型和U型两种铁芯的电磁式冲击能量收集器，在按压前后，磁力线都能形成闭环，磁通变化量大，发电性能优异。论文介绍了收集器的工作原理，开展了收集器的结构设计于仿真，加工了样机，结合实验研究，详细分析电磁式冲击能量收集器的性能，并实现了无线控制开关的自供能应用。

1 工作原理

电磁式冲击能量收集器都有两个稳定的状态，这个两个状态中磁极和对应的铁芯吸合。稳态转换时，按压力必须大于这个吸合力，之后收集器加速进入另一个稳态，线圈内铁芯的磁力线突然反相，线圈会产生一个脉冲电信号。本文提出的E型和U型两种铁芯的收集器，采用了多个磁铁，增强了线圈的磁通，输出性能高。下面分别对两种收集器的工作过程进行分析，其中闭合曲线表示磁力线，箭头表示磁通密度矢量方向。

1.1 E型铁芯收集器

如图1所示，E型电磁式冲击能量收集器包括铁芯、线圈和磁铁组件。线圈绕在铁芯中臂上，磁铁组件为两块磁铁固定在背铁上的结构，其中两块磁铁的异性磁极分别与铁芯臂末端对应。线圈和铁芯为定子，磁铁组件为发电机的动子，磁铁组件随着按键上下运动。该收集器有两个稳定状态，如图1中的状态1和状态2所示。首先在状态1时，磁铁组件与铁芯的上、中臂对应，磁力线在铁芯上、中臂，磁铁和背铁形成一个闭环，磁感应强度和磁通量为最大值。磁铁组件按下去之后，到达状态2，磁铁组件与铁芯的下、中臂对应，同样磁力线也形成闭环，但中臂中的磁力线反相。忽略漏磁，假设中臂中磁感应强度B均匀恒定，则线圈中的磁通变化量2NBS，其中N为线圈匝数，S是中臂的截面积。当释放按键后，通过恢复弹簧可以实现一个相反的运动过程，从状态2返回状态1，产生一个反相的脉冲。

图1 E型铁芯收集器结构及其稳定状态

1.2 U型铁芯收集器

U型结构与E型相似，但只有两个铁芯和三块磁铁。如图2所示，线圈绕在铁芯上臂位置上。

图2 U型铁芯收集器结构及其稳定状态

在状态1时，铁芯臂分别与下面两个磁铁对应，磁力线方向为U型铁芯、中下磁铁和背铁中形成闭环，磁感应强度和磁通量为最大值。按下去后，到达状态2，铁芯与上面两个磁铁对应，在铁芯中磁力线反相。这个转换过程，线圈中的磁通变化量近似2NBS，因组成闭合磁力线回路只用到两块磁铁，剩下一块产生的磁场会对吸引部分闭合回路的磁力线，所以实际磁通变化量小于2NBS。同样从状态2到状态1会产生一个相反的脉冲。

2 仿真设计

采用ANSYS Maxwell软件对电磁式冲击能量收集器的性能进行了瞬态仿真研究，建立模型如图3(a)所示。首先对E型铁芯进行参数优化设计，将其结果应用于U型铁芯，要优化的参数为铁芯臂的尺寸(长度l和厚度h)和磁铁的尺寸(高度Hm)。为了保证小体积的特性，限定E型铁芯高度H=10 mm，铁芯臂长度l范围5～20 mm，厚度h范围1.0～2.0 mm，模型整体纵向尺寸为10 mm，材料为steel_1008。线圈绕于铁芯中臂，线径0.1 mm，线圈匝数N=lhc/0.1，hc表示线圈厚度，内阻为线圈对应的电阻，同时功率的计算也是取负载等于内阻时计算得到。磁铁为NdFe35材料，厚度设定为2 mm，高度2～4 mm，磁铁与铁芯间气隙1 mm。磁铁运动速度设定为4 m/s，这样从一个稳态运动到另一稳态用时约10 ms，符合实际按压的过程。

图3其他图为l=15 mm，h=1.5，Hm=3 mm时的结果。图3(b)为两个过程转换时线圈产生的电压波形，最大15.8 V，有效值为11.8 V。图3(c)、图3(d)分别为两个稳定状态时的磁力线分布，可以看到中臂上磁力线方向相反，且磁力线基本上都是穿入铁芯，线圈外的漏磁少。

图3 E型铁芯收集器的仿真模型和结果

首先分析铁芯长度l和厚度h对输出电压和功率的影响，结果见图4。可以发现输出电压和功率随着铁芯臂长度增加基本上线性增加。输出电压随着铁芯臂厚度增加而减少，输出功率则是臂厚度为1.5 mm时最大。主要是因为铁芯臂厚h增加，线圈匝数就会减少，输出电压就会减小，但其内阻也对应减小，铁芯中的磁通变化量增加，最终造成输出功率随着壁厚先增加后减小。相对于臂长，铁芯臂厚在设计范围内对输出功率的影响较小。整体来看输出电压有效值都在3 V以上，最大16.88 V，输出功率最大580 mW，10 ms产生的电能5.8 mJ。考虑达到小体积、低成本，铁芯尺寸优化结果为l=15 mm，h=2.0 mm。

图4 不同尺寸收集器的输出电压和输出功率

进一步优化磁铁高度，Hm为2 mm，3 mm，4 mm时，输出电压有效值逐渐增加，分别为7.1 V，9.5 V，10.8 V。得到优化的尺寸Hm=4 mm，对应的输出功率为550 mW，产生的电能5.5 mJ。

基于E型铁芯的优化结果，对U型铁芯的冲击收集器进行了仿真，如图5所示，三个磁铁极化方向交替反相，两个稳定状态下在U型铁芯的两个臂中的磁力线都反相。输出电压有效值为9.6 V，输出功率304 mW，低于E型铁芯45%。E型铁芯只有两个极化反相的磁铁，磁力线通过背铁和E型铁芯，形成一个完整的闭环回路。而U型铁芯稳定状态时有两个磁铁与铁芯相对，磁力线形成闭环，第三个磁铁的将会从已经形成的闭环中吸取部分磁力线，使得通过铁芯的磁力线减少，最终导致输出性能降低。

图5 U型铁芯收集器的两个稳态时的磁力线分布

3 实验分析

3.1 样机加工

仿真结果表明E型铁芯的收集器性能优于U型铁芯，因此仅加工了E型铁芯的收集器样机。按照优化的尺寸加个了电磁式冲击能量收集器，如图6所示。其中铁芯和背铁为高磁导率的纯铁DT4，磁铁为N35号钕铁硼磁铁，线圈为0.1 mm的漆包线，手工绕制了1 000匝，铁芯外壳和磁铁组件的摆臂为3D打印，在摆臂按压端安装了悬臂梁弹簧。

图6 电磁式冲击能量收集器样机

3.2 测 试

首先观察了样机的输出电压波形，在按压时，样机可以输出宽度3～4 ms的约12 V的脉冲，如图7所示。为了进一步分析按压一次产生的电能，对样机输出电压整流之后给储能电容充电，电容存储的电能即为按压一次转化的电能。将10～470 μF的电解电容接入整流电路之后，结果见图8所示。可以看出随着电容增加，储能电压近似呈指数减小，而存储电能则是在47 μF的电容上得到的最多，为0.66 mJ。理论上，对于一个50 mW的无线发射信号模块，不考虑其他损耗时，可以发射13 ms的信号。

图7 电磁式冲击能量收集器的输出脉冲波形

图8 不同电容的存储的电能

图9(a)为开关面板的无线发射和接收模块，由超低功耗的STM8L单片机控制，其中发射模块为12 dbm(约16 mW)的国产凌承芯H34B无线模块，接收模块为H3V4F，通信频率为433 MHz，以OOK模式工作发送1.1 kHz的方波信号。在接收端接收到该信号后，实现了LED灯亮/灭的控制。按压一下收集器样机，约发送16～20 ms的方波，如图9(b)所示，最大通信距离为70 m，在普通的家庭环境中，可以穿透2～3层墙体，完全满足居家环境的应用需求。

图9 自供能的无线开关电路与测试

上述的这种特定频率的方波信号控制，仅能实现1对1、1对多、多对1的控制，当需要不同的配对组合时，固定频率的方波信号会使得不同配对之间发生串扰。通过方波信号的占空比、频率等参数的调节可以实现不同的收发模块组合配对，避免控制信号的串扰。为了进一步的区分，可以发送至少16 bit的二进制编码，实现65 536个的不同收发模块组合。同时在收发模块增加了配对学习功能，便于新的发射或接收节点的加入和编码信号的变更，提高实用的灵活性。

4 结 论

本文系统地研究了电磁式冲击能量收集器的设计过程，提出了E型和U型铁芯两种收集器结构，分析了其工作原理。采用ANSYS Maxwell软件对电磁式冲击能量收集器的性能进行了瞬态仿真研究，分析了不同稳态之间铁芯中磁力线的变化情况、输出电压、输出功率等性能，发现E型铁芯结构的收集器性能优于U型铁芯，最终得到了优化的铁芯尺寸。加工组装了E型铁芯结构收集器样机，完成了测试。结果表明按压一次输出电压可以达到12 V，在储能电容为47 μF时，能量转化最大，存储的电能为0.66 mJ。按压一次收集器，信号发射端发射了18 ms的方波，接收端接收到之后实现了LED的开关控制。