振动式微型发电机的研究进展

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1、振动与冲击第29卷第9期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK振动式微型发电机的研究进展邱清泉，肖立业，辛守乔，黄天斌(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：

2、TN303；TM382文献标识码：A振动能量在自然界中广泛存在，振动式微型发电英国南安普顿大学和Perpetuum公司研究出了多款机可以通过拾振装置将外部的振动能量转换成电能，悬臂梁结构的电磁式发电机，一种常用的结构如图1为无线传感器节点或低功耗微型电子设备供电。振动所示。悬臂梁结构的振动式微发电机也可以制作成小式微型发电机根据能量转换原理的不同，可分为电磁尺度(晶片级)形式，便于和MEMS相兼容。目前针式、压电式、静电式、磁致伸缩式和复合式等类型。从对不同应用场合，上海交通大学j、重庆大学、瑞士20世纪末开始，机械、电气、材料等领域的很多研究人联邦技

3、术学院还研究了弹簧式、直线式等结构，如图员展开了对振动式微型发电机的探索研究。2和图3所示。另外，日本的Sasaki12]提出了一种变磁Roundy、MitchersonJ、Beedy，Stephen等人对压阻的新型发电机结构，如图4所示。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

4、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图1悬臂梁式微型发电机发展情况进行分析和总结，以促进其更快发展。本文Fig．1Cantilevermierogenerator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。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Williams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

5、J。在此，本文将介绍几种图2弹簧式微型发电机示意图典型结构，并对电磁式振动发电机的发展提出一些Fig．2Springmierogenerator看法。有关上述几种结构的性能比较，笔者认为可以初目前悬臂梁结构的电磁式振动发电机研究较多，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，应该具有基金项目：博士后基金(20090450569)收稿日期：2009—06—19修改稿收到日期：2009—09—02相对较大的功率密度。当然，各种结构都有其优缺点，第一作者邱清泉男，博士，1979年生还需要根据不同应用场合选择合适的结

6、构。通讯作者邱清泉振动与冲击2010年第29卷了采用d压电模式的悬臂梁结构压电发电机，如图6所示。研究发现d模式的压电发电机相对于d，。模式发电机而言可以产生更高的电压，并且具有较高的能量密度，但是必须采用叉指电极结构，制作工艺复■inagnet杂。目前压电式发电机的结构相对固定，对压电式发囵spaccr国Iceoail电机进行参数优化是进一步工作的重点。然而，压电ge式发电机由于采用了压电材料，存在着结构和电场的0：pag。tmagnetization耦合，其理论仿真模型相对电磁式发电机而言更为复ofluxlines杂，尚需开展大量的研究工作。图3直

7、线式振动发电机示意图Fig．3Linearmierogenerator图4变磁阻式振动发电机示意图[J图5一种d31模式压电发电机㈣Fig．4VariablereluctancemicrogeneratorFig．5d31Modepiezoelectricgenerator由于微型电磁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漏磁大，功率、功率密度、效率都比较低。需要针对具体应用场合，设计合适的结构，通过振动一电磁场的耦合分析，对发电机进行优化设计，以提高功率、功率密度和效率等指标。图6d模式压电发电机的结构示意图I_1．2压电式发电

8、机Fig．6d33Modepiezoelectricgenerator压电发电机包括多种结构¨