振动式微型发电机的研究进展
振动与冲击
第２９卷第９期
ＪＯＵＲＮＡＩ．ＯＦ
ＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫ
振动式微型发电机的研究进展
邱清泉１’２，肖立业１ｒ，辛守乔１’２，黄天斌ｈ２
（１．中国科学院应用超导重点实验室，北京１００１９０；２．中国科学院电工研究所，北京１００１９０）
摘要：振动能量采集系统可广泛应用于为无线传感器节点和低功耗电子设备供电。振动式微型发电机是振动
能量采集系统中的关键部件，可分为电磁式、压电式、静电式、磁致伸缩式和复合式等类型。综述了振动式微型发电机结构、形式、以及理论仿真模型的最新进展，分析了振动式微型发电机面临的困难和发展趋势。
关键词：振动；能量采集；微型发电机中图分类号：ＴＮ３０３；ＴＭ３８２
文献标识码：Ａ
振动能量在自然界中广泛存在，振动式微型发电机可以通过拾振装置将外部的振动能量转换成电能，为无线传感器节点或低功耗微型电子设备供电。振动式微型发电机根据能量转换原理的不同，可分为电磁式、压电式、静电式、磁致伸缩式和复合式等类型。从２０世纪末开始，机械、电气、材料等领域的很多研究人员展开了对振动式微型发电机的探索研究。
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英国南安普顿大学和Ｐｅｒｐｅｔｕｕｍ公司＂１研究出了多款悬臂梁结构的电磁式发电机，一种常用的结构如图ｌ所示。悬臂梁结构的振动式微发电机也可以制作成小尺度（晶片级）形式喁Ｊ，便于和ＭＥＭＳ相兼容。目前针对不同应用场合，上海交通大学。９Ｊ、重庆大学Ｈ０｜、瑞士联邦技术学院…。还研究了弹簧式、直线式等结构，如图２和图３所示。另外，日本的ＳａｓａｋｉＬｌ孔提出了一种变磁阻的新型发电机结构，如图４所示。
ＲｏｕｎｄｙＪ、ＭｉｔｃｈｅｒｓｏｎＬ２Ｊ、Ｂｅｅｄｙ㈡Ｊ，ＳｔｅｐｈｅｎＬ４
ｏ等人对压
电式、电磁式、静电式等微型发电机的基础理论、结构和形式的发展进行了综述。他们普遍认为，振动式微型发电机具有良好的研究和应用前景。最近几年，随着新型电磁功能材料性能和微纳制造工艺的不断提高，电子器件功耗的不断降低，振动能量采集系统，特别是振动式微型发电机的发展突飞猛进。首先，振动式微型发电机的基础理论和仿真模型得到了完善和改进，并且，新原理、新结构的振动式微型发电机不断涌现。因此，迫切需要对振动式微型发电机最近几年的发展情况进行分析和总结，以促进其更快发展。本文的重点是对振动式微型发电机结构、形式和理论仿真模型的最新进展进行论述。
图１
Ｆｉｇ．１
悬臂梁式微型发电机Ⅲ
Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｍｉｅｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ
１振动式微型发电机的结构与形式
１．１电磁式发电机
１９９５年英国设菲尔德大学的ＷｉｌｌｉａｍｓＬ５１课题组发表了第一篇关于电磁式微型振动发电机的论文，此后世界上许多研究机构都在致力于该方面的研究。根据振动部件的不同，可以把电磁式振动发电机分为动铁、动圈和铁圈共振三种类型∞Ｊ。在此，本文将介绍几种典型结构，并对电磁式振动发电机的发展提出一些看法。
目前悬臂梁结构的电磁式振动发电机研究较多，
基金项目：博士后基金（２００９０４５０５６９）
收稿１３期：２００９一０６一１９修改稿收到日期：２００９～０９—０２第～作者邱清泉男，博士．１９７９年生图２弹簧式微型发电机示意图一。
Ｆｉｇ．２Ｓｐｒｉｎｇｍｉｃｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ
有关上述几种结构的性能比较，笔者认为可以初步根据漏磁的大小进行分析。悬臂梁式结构和变磁阻结构漏磁较小，对磁场能量的利用更为充分，应该具有相对较大的功率密度。当然，各种结构都有其优缺点，
还需要根据不同应用场合选择合适的结构。
了采用ｄ。艇电模式的懋臂粱结掏压电发电机一．∞ｌ图６所示．研究发现ｄ、；模式的压电发电机相时Ｔｄ，。模式发电Ｈ【而占－４以产生更高的电压．并且具有较高的能量密睦，但是必须采用卫指电搬结构，制作１ｉ艺复杂。目莳压电式发电机的结构相对固定．时压电式发
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电机进行参数优化魁进步］一作的重点．然而．压电
式发电机由于采用了压电材料．存在若结构和电场的耦合，其理沦仿真模型相对电磁式发电机而言更为复惫尚篙：ＩＩ＝旌尢骷的研究Ｔ作
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由十微型电鲢式发电机难以做成齿槽结构，因此．现有电磁式发电机的主要缺点是潴瞄大，功率、功牢街度效率都比较低。需要针对具体应ｊｆＩ场合．没计合适的结构，通ｊ＝ｆ振动一电礁场的耦舍分析．对发电机进行优化设订，以提高功牢，功率密度和效率等指标：１．２压电式发电机
压电发电机包括多种结构”．在振动能量采集巾般多采用悬臂粱式结构。而止，横式的压电发电机由于其结构简译．枉ｌ目内外帽芰研究鞍多，美国南安普顿大学“１，澳大利亚国立大学”，茭国加州大学伯炬力分校、、弗占Ｊ￡亚理］．大学”担布大学”、“肚嘣内占林人学”、ｌ。海交通凡学”．｝肯华大学”等高段的研究＾员肘于ｄ。模式怂肾繁结构压电发电机进行ｒ大最研究一＾。模式悬臂紧结构Ⅲ电笈电机的典型结构如图５所示特别地．韩闻、ａｒｉｄｎ公司研制出
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３静电式发电机
对于静电式发电机．由于需要外加电压源或电荷
源，限制了萁应用，剧而研究较步，但是静电式发电机可以很好地与ＭＥＭＳ集成，井且不需要采用智能材料．枉小足度琏用场台姑有优势。月前主要足酿＿＾＝利城围立大学。和英国伦敦皇家学院∽进行；Ｉ｛Ｉ戈研究、
Ｒｏｕｎｄｙ挺出了三种不同形式的静电发电机如幽７所示．并且．Ｒ州ｍｌｖ对三种水同结竹的静电发电机的优缺点进行ｒ比较，具体一町＿参考文献１２２：
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第９期邱清泉等：振动式微型发电机的研究进展
１．４磁致伸缩式发电机
由于压电材料存在脆性和去极化等问题，美国北卡罗莱纳州立大学的Ｗａｎｇ等人Ⅲ１提出磁致伸缩式发电机模型，如图８所示。目前有关磁致伸缩式发电机的研究很少，基础理论、仿真模型、结构设计等方面都有待进一步研究。笔者认为磁致伸缩材料和压电材料的本构方程相类似，因此磁致伸缩式发电机可以采用和压电式发电机相类比的方式进行研究。
图８磁致伸缩式发电机示意图‘拍】
Ｆｉｇ．８Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ
ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
１．５复合式发电机
由上下两层Ｔｅｒｆｅｎｏ—Ｄ层、ＰｚＴ中间层构成的层合磁电器件在最近得到了广泛关注，目前大多作为磁敏器图９基于层合磁电器件的件进行研究。美国振动式发电机示意图‘笛】
麻省理工学院的Ｆｉｇ．９ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍＨｕａｎｇ协Ｊ、明尼苏
ｏｆｍａｓｓ．ｓｐｒｉｎｇｍｏｄｅｌ
达大学的Ｂａｙｒａｓｈｅｖ协１等人应用层合磁电器件从低频振动环境中采集能量，实际上是利用高磁致伸缩材料在变化的磁场中发生形变来驱动压电陶瓷，使之产生正压电效应来实现能量转换，如图９所示。器件的上下两层为Ｔｅｒｆｅｎｏ－Ｄ层，中间为ＰＺＴ层，影响输出功率的主要因素是ＰｚＴ—Ｔｅｒｆｅｎｏ和磁铁块之间的距离。采用层合磁电器件的复合式发电机有多种结构形式，不仅可以从振动中提取能量，而且还可以从变化的磁场中采集能量，具有较好的研究前景。美国弗吉尼亚理工大学的Ｄｏｎｇ嵋刊对层合磁电器件的基础理论和模型、层合结构磁敏传感器等方面进行了大量研究工作，近期也开始对其发电特性进行研究。由于层合磁电器件由两种智能材料组成，因此复合式发电机的特性分析和参数优化将更为复杂，尚需开展大量的基础研究工作。
２振动式微型发电机的理论仿真模型
如上所述，振动式微型发电机有多种类型。由于
每种类型的发电机采用的电磁功能材料都有所不同，因而其基础理论和仿真模型也各不相同。振动式发电机需要对振动特性和发电特性同时分析，因而其理论仿真模型比传统发电机更为复杂。
曼嚣蒜鬻盖茬鲫戮：臀型
目前，振动式发电机大多采
模型示意图如图１０所示。
Ｆｉｇ．１０三ｉ二ｉ。ｄｉ嘲。ｍ
Ｗｉｌｌｉａｍｓ提出的简化模ｏｆｍａｓｓ－ｓｐｒｉｎｇｍｏｄｅｌ
型是根据电磁式发电机提出
的。电磁式发电机大都是速度阻尼发电机，即电阻尼力与速度成正比。目前大多数研究者也采用这个模型对压电、静电等其它各种类型的发电机进行分析，可能
会引起很大的误差。针对压电发电机的理论模型，相关研究较多。Ｅｒｔｕｒｋ旧１对悬臂梁结构压电发电机的基础理论进行了大量研究，将理论模型分为两种：单自由度模型、基于欧拉一柏努利梁理论的分布式参数模型。分布式参数模型又分为采用解析方法直接求解的模型和基于瑞利一里兹离散化近似求解的模型。Ａｊｉｔｓａｒｉａ【１７］将压电发电机的理论模型分为三种：基于欧拉一柏努利梁理论和Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁方程的解析模型、等效电路模型以及能量守恒模型。从本质上讲，质量
块一弹簧模型和等效电路模型都属于单自由度模型，而分布式参数模型在原理上要比单自由度模型更为精确。各种模型的优缺点和详细比较可参考文献［１７，２８］。
目前对于静电、磁致伸缩和复合式振动发电机的仿真模型研究刚刚起步。研究者大都采用简化模型进行近似分析，还有大量的研究工作有待开展。
另外，目前采用数值求解方法对振动式微型发电机的分析相对较少。蒋建平旧引对压电复合梁进行了热一机一电多场耦合有限元分析，而最近Ｚｈｕｌ３０１也已开始了对振动式压电发电机的振动一电磁一电路多场耦合分析。随着多物理场耦合仿真软件的发展，采用多物理场耦合仿真软件对振动式微型发电机的振动一电磁一电路耦合场进行分析是很有意义的，这不仅可以避免复杂的公式推导，而且问题的简化也比较少。目前笔者已经基于ＡＮＳＹＳ软件对压电和电磁发电机进
行了前期的多物理场耦合分析，并得到了一些初步结
论。当然，由于大部分振动式发电机都必须采用三维
模型求解，进行多物理场耦合仿真计算量很大，不便于
对发电机进行优化设计。如何将解析模型、数值模型和简化模型有机结合起来，以实现发电机振动特性和
发电特性的快速仿真是以后研究的关键。
振动与冲击
２０１０年第２９卷
３各种发电方式的对比
如上所述，振动式微型发电机的类型和结构很多，为了针对具体应用场合选择合适的振动式发电机，就需要对各种振动式发电机的性能以及优缺点进行比较。
振动式微型发电机采用的电磁功能材料、结构尺寸都会影响到发电机的性能。有关不同类型发电机的性能在很多综述文献中都有所总结，本文在此不再给出发电机具体的性能数据，仅仅对于文献中一些规律性的论点进行总结和评述。Ｒｏｕｎｄｙ¨川对于压电、电磁和静电发电机的优缺点做了大量的比较工作。Ｒｏｕｎｄｙ通过研究，得出如下主要结论：相对于静电式发电机，压电式发电机功率密度更高；压电式发电机电压较高，电流较低，不需要电压源就可以收集能量，但是难以集成到微系统中。静电式发电机容易集成到微系统中，但是需要一个独立的电压源或电荷源才能工作；静电式发电机需要以几百微米的幅度振动，为了提供和其它类型发电机可比较的功率等级，需要保持最小电容气隙为０．５斗ｍ或更小，实现很困难。电磁式发电机不需要电压就可以工作，但是输出电压相对较低。
除了Ｒｏｕｎｄｙ外，Ｓｔｅｒｋｅｎ¨…、Ｐｏｕｌｉｎ¨副和Ｍｉｔ—ｃｈｅｓｏｎⅢ］等人也对压电、电磁和静电式发电机的性能进行了对比。Ｓｔｅｒｋｅｎ旧２１基于数学模型对不同类型的发电机进行了分析，认为不同发电机在特定条件下才能运行最好，并总结出以下结论：电磁发电机非常适合于大系统，能量采集装置的体积也相对较大；静电发电机则相反。由于电容极板之间的气隙很小，最适合应用于非常小的系统。压电发电机可以适用于收集所有尺度的能量，但是，压电发电机的最大功率产生能力低于电磁或静电发电机。
Ｐｏｕｌｉｎ【３纠比较了压电式和电磁式发电机的性能，认为这两种类型的最大功率密度是相对接近的。但是，电磁发电机的共振频率为几个Ｈｚ的数量级，而压电发电机的共振频率为几百个ｋＨｚ数量级。另外，与两种发电机相匹配的负载电阻也存在着很大的差异。电磁发电机的匹配负载为ｋｎ数量级，压电系统的匹配负载为Ｍ１１数量级。另外，ＭｉｔｃｈｅｓｏｎⅢ３通过研究认为，压电发电机的内部电容减小了可以获得的实际功率，因此只有在低的激励频率下，其性能才胜过电磁发电机。电磁发电机更适合于应用在频率较高的场合。
ＷａｎｇＬ２４ｏ针对压电发电机所具有的压电块比较脆、
容易去极化等缺点，提出了磁致伸缩式微型发电机，并与电磁式、静电式、压电式发电机进行了对比。本文在ＷａｎｇⅢｏ的基础上，结合上述文献的论点，对各种不同类型振动式微型发电机的优缺点进行了对比，具体如表１所示。
以上结论可以帮助设计者针对具体应用场合的尺寸限制、振幅、频率等因素，选择合适的功率采集方法。当然，上述结论都是针对特定结构得出的，并不具有普遍性，针对具体问题还需具体分析。
表１不同类型的振动式微型发电机优缺点对比
Ｔａｂ．１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ
ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎ
ｍｉｃｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ
４结论与展望
用于振动能量采集系统的振动式微型发电机自概念提出至今已经十余年。目前对电磁式和压电式微型发电机的研究相对较多，尽管如此，电磁式和压电式发电机的基础原理和仿真模型还在不断得到完善和改进，新的结构也在不断提出，将来更多的工作应着力于对发电机的仿真模型进行改进，进而针对具体应用场合对发电机的结构和参数进行优化设计，提高其各项性能指标，从而使其更快地得到实际应用。对于静电式、磁致伸缩式和复合式微型发电机，目前相关研究较少，首先需要进行大量的基础研究工作，以建立发电机的理论仿真模型。
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