基于磁机电效应的摩擦式磁能收集器研究

孙添资, 翟小社, 耿英三, 张高潮, 王小华

(1.国网内蒙古东部电力有限公司, 内蒙古 呼和浩特 010011;2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室, 陕西 西安 710049)

0 引 言

随着经济社会发展,物联网技术在收集与分析信息,实现与环境监测、人类医疗保健、公共安全方面相关的互联式自动化系统方面起着关键作用,并且在电力系统智能化方面有着越来越广阔的应用前景。物联网技术可以实现有效地对电网进行势态感知,通过及时准确的信息获取最大程度地保障与规范电网的安全运行,对电力系统的发展具有重大的意义[1-3]。

现阶段物联网技术多采用无线传感网络,即利用大量无线传感器节点通过自组织的方式构建网络,通过网络中的传感器感知周围环境中实时信息,再进行信号的分析与处理后传递给观测者。但是由于其电源的影响,导致许多位置的传感器都受到了严格的限制。目前,电力系统传感器的主要能源供应方式为化学电池,但是化学电池的寿命有限,需要定期的维护与更换,会带来一定的环境污染问题,这会大大增加电力系统后期的维护成本,而且某些位置的电池极难更换,即使使用了较为高效的锂电池或燃料电池也还是不能满足设备的长期需求,因此对于一些大型的无线传感器网络来说使用电池是不现实的[2]。此时,就需要寻找一种独立,持久的电源来为这些设备供电[4-7]。

随着传感器自供能技术的发展,通过采集周围环境微能量为传感器供能成为研究热点,如太阳能、风能、温差能、振动能、电磁能等。其中太阳能和风能发电设备沉重、体积大且受天气影响严重,不利于为小型设备供能;温差发电依据的是塞贝克效应,其使用受转换效率低、可靠性不足等制约;机械振动能普遍存在自然环境中,但是振动可能具有间歇性,因而其功率密度可能会发生变化;在电力系统中磁能含量丰富且分布广泛,并且具有独立、持久、且不会对其他因素造成影响等特点。因此,收集电力系统中杂散磁场的磁能并将之转化为电能,来为电力系统无线传感监测网络供电,成为了解决制约电力系统监测网络能源问题的一种有效的方案[8-15]。

近年来,国内外众多机构都开展了对磁场能量收集技术的研究。目前,磁场能量收集主要有电磁式[16]、压电式[17-18]、磁电效应[19]。电磁式能量收集的原理主要基于法拉第电磁感应定律,通过线圈的磁通量发生改变在线圈之中产生感应电动势。传统的电磁式能量收集器体积庞大、功率密度较低。压电式悬臂梁利用系统在磁场作用下发生振动,压电材料会随环境做机械振动产生应变,使内部正负电荷分布改变而产生电势差,该结构具有制作简单、转换效率高、结构稳定,但是悬臂梁结构的共振频率带较窄。具有磁致伸缩效应的材料与具有压电效应的材料结合后具有磁电效应,磁致伸缩材料在磁场作用下通过磁致伸缩效应会产生应变,这种应变通过机械结构与压电材料耦合在一起,再利用压电材料的压电效应产生电场,实现磁-电转换。该结构由于具有磁电转换能力强、响应快、灵敏度高等优点备受科研人员青睐。

摩擦发电式能量收集是一种新型的能量收集方式[20-21],依靠摩擦起电以及静电感应原理,目前利用摩擦发电原理进行磁能收集的研究相对较少,本文从实验方面对摩擦式磁能收集器展开相关研究。搭建磁能收集实验测试平台,制作了摩擦式磁能收集器,研究磁场强度、材料厚度、环境温湿度等改变对摩擦式磁能收集器输出性能的影响,研究成果可为后续工程化应用提供参考。

1 磁能收集器设计及平台搭建

本文采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和铝箔(Al)作为摩擦材料,制备了一套能够将磁能转化为机械能再转换为电能的磁能收集器,通过改变PDMS介质层厚度以及磁场等方式实现摩擦式磁能收集器输出性能优化,并利用测试平台测试其输出特性和负载特性,探究了不同因素对输出性能的影响。摩擦式磁能收集器结构示意图如图1所示。其中两个摩擦层分别为表面经过砂纸打磨的铝箔(Al)和PDMS薄膜,两个电极分别是钛片下部表面有微纳结构的铝箔和PDMS薄膜背面磁控溅射的铜膜。将铝箔(Al)粘贴于钛片(Ti)的背面,目的是使摩擦的两个电极在工作过程中能够及时分离。在铜电极下面附有一层泡沫胶作为缓冲层。永磁体质量块附着在悬臂梁末端,主要起两个作用:一方面永磁体在交流磁场作用下产生磁转矩驱动悬臂梁整体机械振动;另一方面作为质量块调节磁能收集器的共振频率以及悬臂梁的振动幅值。

图1 摩擦式磁能收集器结构示意图

摩擦式磁能收集器的结构尺寸如表1所示。单个永磁体宽度为20 mm,长度为5 mm,高度为4 mm。末端质量越重,将显著降低悬臂梁的共振频率。在实验室可以根据实际需要调节永磁体数量,从而调节磁能收集器共振频率。

表1 摩擦式磁能收集器结构尺寸

该磁能收集器主要由两部分组成,分别为振动端和发电端。振动端由铝箔、钛片、永磁体和夹子组成。将铝箔贴在钛片的一面上,铝箔末端通过导线引出作为电极的一极。末端放上永磁体,另一端夹在一个可以调节高度的夹子上,作为发电机的振动端。发电端由亚克力板、PDMS 膜、铜箔和双面胶组成。首先在亚克力板上粘一层双面胶用于缓冲钛片拍击对 PDMS 膜的破坏,然后在双面胶上贴一层铜箔作为电极的另一极,接上导线,最后把 PDMS 膜贴在铜箔的上面作为发电的主材料,组成发电端。当外部施加交流磁场下,悬臂梁末端的永磁体在交流磁场作用下产生磁转矩驱动悬臂梁整体机械振动,从而使PDMS薄膜和铝箔表面接触。在PDMS膜的上表面会产生负摩擦电荷,铝箔表面会产生正摩擦电荷。当两个摩擦层分离瞬间,正负摩擦电荷仍然保留在PDMS和铝箔的表面上,从而在PDMS膜背面镀铜电极处感应出相反的电荷,此时两个摩擦层之间会有电势差,因此会产生由底部的铜电极到顶部的铝箔处的电子流。这样通过PDMS薄膜与铝箔的周期性接触分离运动,在外电路会产生周期性的交流信号,实现将磁能转化为机械能再转换为电能。

搭建磁能收集实验测试平台,通过磁场强度、材料厚度、环境温/湿度等改变对摩擦式磁能收集器进行电学试验探究。测试平台示意图如图2所示。

由图2可见,整个系统由两个部分组成,分别是磁场的输出与监测部分和电信号的输出与监测部分。前者由信号发生器、功率放大器、电流表、亥姆霍兹线圈以及高斯计组成,基本原理为信号发生器发出正弦交流信号经功率放大器放大之后流入亥姆霍兹线圈,使其产生均匀、稳定的50 Hz交流磁场。电流表串联在功率放大器与亥姆霍兹线圈之间,用于监测流入亥姆霍兹线圈的电流,防止电流过大,确保系统安全。高斯计的探头放在亥姆霍兹线圈之中,用于监测亥姆霍兹线圈的磁场强度。后者由发电机、示波器和计算机组成,示波器的探头与摩擦纳米发电机相连,用于监测收集器所发出的电流信号并显示出来,之后将数据传输到计算机中画出相应曲线。

图2 测试平台示意图

2 试验结果分析

2.1 磁场强度对输出性能的影响

探究磁能收集器输出性能与磁场强度之间的关系。将实验设备连接完毕后,打开电源。首先调节振动端的高度,使振动端不至于过高拍打不到发电端,也不至于过低使碰撞影响到自身振动。选择转速为1 200 rpm的PDMS薄膜进行试验,通过改变功率放大器的输出电流值来调节亥姆霍兹线圈中的磁场强度,从而探究在外界磁场强度分别为3 Oe、5 Oe、7 Oe、9 Oe时摩擦式磁能收集器电学输出的变化趋势。电学输出随磁场强度变化图如图3所示。

由图3可见,当磁场强度分别为3 Oe、5 Oe、7 Oe、9 Oe时,该磁能收集器输出电压峰峰值分别为295 V、500 V、560 V与625 V,短路电流输出从14 μA、21 μA、25 μA上升至32 μA。随着磁场强度增大,该磁能收集器的输出电压与输出电流随之增大。输出性能提高的原因与摩擦接触面积以及摩擦层之间的距离有关。当磁场强度升高时,摩擦式磁能收集器的PDMS薄膜与铝电极接触面积增大。

图3 电学输出随磁场强度变化图

摩擦纳米发电机本征输出性能(Uoc、Qsc):

(1)

(2)

式中:Uoc——开路电压;

Q——两电极之间通过静电感应转移电荷量;

S——电极面积;

ε0——真空介电常数;

ε1——PDMS相对介电常数;

d——摩擦材料厚度;

x——两摩擦层之间距离;

σ——表面电荷密度;

Qsc——短路条件下两电极之间通过静电感应转移电荷量。

根据式(1),随着磁场强度增加,悬臂梁中部二阶模态振动幅值愈加明显,PDMS薄膜与铝电极两摩擦层之间分离的距离逐渐增加。输出的开路电压幅值与两摩擦层之间分离的距离成正比关系,因而随着磁场强度增大,分离距离增加,输出的开路电压幅值也有所提升。根据式(2),随着摩擦层接触面积的不断提高,会产生更多的摩擦电荷,因而会产生更大的输出电流。

不同磁场强度下输出功率随着负载阻抗变化的曲线如图4所示。

图4 不同磁场强度下输出功率随负载阻抗变化的曲线

任何电源均有内阻,当外接不同的负载电阻时其输出电压与输出功率也有较大差别。因此,对于磁能收集器外电路连接的匹配阻抗大小显得尤为重要。图4中,随着负载阻抗的增加,输出功率也在不断提升。当外部负载阻抗为10 MΩ时,不同磁场强度下的输出功率均达到峰值。当外部负载继续增大时,输出功率呈现降低趋势。输出功率整体上呈现先增后降的趋势。当外接负载阻抗为10 MΩ时,随着磁场强度从3 Oe增大至9 Oe时,磁能收集器的输出功率由846 μW提升到4 400 μW。磁场强度的改变对基于摩擦式磁能收集器的输出性能影响明显。

在能源供给方面,磁能收集器直接输出的是交流电信号,而大部分用电设备需要直流供电。因此需要将磁能收集器产生电信号通过整流桥进行整流后储存在电容中,当电容电量积累到一定程度便可以为传感器工作提供电能。磁能收集器给电容充电速度是评价其输出性能的一项重要指标。不同磁场下摩擦式磁能收集器给10 μF电容充电特性如图5所示。

图5 不同磁场下摩擦式磁能收集器给10 μF电容充电特性

由图5可见,随着磁场强度的增加,电容充电速率加快。在外界磁场强度为9 Oe时,磁能收集器能够在40 s内将10 μF电容充电到9 V。

2.2 材料厚度对输出性能影响

为了探究摩擦材料PDMS的厚度对摩擦式磁能收集器电学输出性能的影响。利用所得的实验数据绘制不同厚度(800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm、1 500 rpm)的PDMS磁能收集器的开路电压与短路电流随膜厚的变化情况。

设定磁场强度为3 Oe,探究在不同膜厚度条件下摩擦式磁能收集器电学输出的变化趋势。截面测试图如图6所示。由图6可见,转速分别为800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm和1 500 rpm的PDMS薄膜厚度分别为62.94 μm、48.02 μm、45.34 μm和26.58 μm。

图6 截面测试图

利用静电计Keithly6514采集磁能收集器的输出电压与电流信号,输出性能随膜厚度变化如图7所示。

由图7可见,当转速分别为800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm和1 500 rpm时,该磁能收集器输出电压峰峰值分别为102 V、155 V、295 V、230 V,短路电流输出为8.5 μA、11.2 μA、14 μA、13.8 μA。输出开路电压的峰峰值与短路电流均呈现先增大后降低的趋势。当转速为1 200 rpm即膜厚度为45.34 μm时输出性能达到最大值,其开端电压与短路电流是800 rpm转速的2.8倍和1.6倍。

图7 输出性能随膜厚度变化

随着PDMS薄膜厚度进一步降低时,该磁能收集器输出性能开始降低。当PDMS薄膜厚度大于1 200 rpm所对应的膜厚时,随着薄膜厚度的降低,电介质层有效厚度也随之减少。根据式(2)得到,随着电介质有效厚度逐渐降低时,增大表面感应电荷可以大幅提升该磁能收集器输出性能。然而当PDMS薄膜厚度小于1 200 rpm所对应的膜厚时,其整体不能等效为理想的平行板电容器模型,从而产生了边缘效应,对磁能收集器输出性能产生影响。

输出功率随负载阻抗变化曲线如图8所示。随着负载阻抗增加,输出功率在波动,整体上呈现先增后降趋势。不同转速(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别为4 MΩ、6 MΩ、10 MΩ以及7 MΩ,其最大输出功率分别为182.2 μW、600 μW、846.4 μW以及487.2 μW。

图8 输出功率随负载阻抗变化曲线

2.3 环境湿度对输出性能影响

磁能收集实验可能在不同的气候、地区进行,因而探究环境相对湿度变化对能量收集器输出性能以及工作效率等影响具有积极意义。将组装好的器件放置于可程式恒温、恒湿试验箱内试验,探究在不同湿度条件下基于摩擦式磁能收集器电学输出性能的变化趋势。

磁场强度设定为4 Oe,相对湿度设定为20%、40%、60%,对磁能收集器的输出电压与电流信号进行测试,输出性能随相对湿度变化的测试结果如图9所示。

图9 输出性能随相对湿度变化的测试结果

由图9可见,摩擦式磁能收集器输出开路电压与短路电流随着相对湿度的增加均呈现降低的趋势。其中,当相对湿度为20%时,输出开路电压峰峰值与短路电流分别为240 V和18.5 μA。随着相对湿度增加,输出电压与短路电流逐渐降低,当相对湿度为60%时,输出开路电压峰峰值与短路电流分别为112 V和6 μA。其输出功能是相对湿度20%的输出电压和输出电流的0.46倍和0.32倍。这主要是由于当湿度增加到一定程度,在磁能收集器的两个摩擦层表面积累大量的水分子,在摩擦层空隙处形成连续的水膜,该水膜会将部分摩擦层表面的静电荷导离,从而导致输出性能降低。

3 结 语

本文对设计的摩擦式磁能收集器输出性能进行了实验测试。通过搭建磁能收集测试系统进行一系列的实验探究。实验主要从外界磁场强度、制备PDMS材料的厚度以及环境相对湿度变化等方面展开研究,主要有以下结论:

(1)随着磁场强度增大,磁能收集器的输出电压与输出电流随之增大。输出性能提高与磁能收集器两个摩擦面接触面积以及摩擦层之间的距离有关。当磁场强度由3 Oe提升至9 Oe,在外部最佳匹配阻抗10 MΩ下,磁能收集器最大瞬时输出功率846 μW提升到4 400 μW,输出功率提高了4.2倍。

(2)随着材料厚度的降低,磁能收集器输出开路电压与短路电流均呈现先增大后降低的趋势。当转速为1 200 rpm即PDMS膜厚度为45.34 μm时输出性能达到最大值,输出电压与短路电流是8 00 rpm转速(厚度62.94 μm)的2.8倍和1.6倍。

(3)随着相对湿度增加,摩擦式磁能收集器输出电压与短路电流均呈现降低的趋势。当相对湿度为20%时,输出电压峰峰值和短路电流分别为相对湿度为60%的输出电压和输出电流的2.17倍和3.12倍。