1、吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)推 薦 學(xué) 校 北華大學(xué) 項(xiàng) 目 名 稱(chēng) 電磁式低頻振動(dòng)移動(dòng)電源設(shè)計(jì) 項(xiàng) 目 類(lèi) 型 創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目 所屬一級(jí)學(xué)科名稱(chēng)電氣工程 所屬二級(jí)學(xué)科名稱(chēng) 電力電子與電力傳動(dòng) 項(xiàng) 目 負(fù) 責(zé) 人 張紹鵬 申 報(bào) 日 期 2014-04-16 吉林省教育廳制二一四年三月項(xiàng)目名稱(chēng)電磁式低頻振動(dòng)移動(dòng)電源設(shè)計(jì)項(xiàng)目類(lèi)型（）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 （）創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目 （）創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間起始時(shí)間：2014 年 6 月 完成時(shí)間： 2016 年 6 月申請(qǐng)人或申請(qǐng)團(tuán)隊(duì)姓名年級(jí)學(xué)校所在院系/專(zhuān)業(yè)聯(lián)系電話E-mail主持人張紹鵬12級(jí)北華大學(xué)電氣學(xué)院/電子信息工程1

2、56621307331663625827 姜鑫13級(jí)北華大學(xué)電氣學(xué)院/通信工程186299484702225057442 成 員馬超13級(jí)北華大學(xué)電氣學(xué)院/測(cè)控技術(shù)與儀器18629947685957992093 張愛(ài)金13級(jí)北華大學(xué)電氣學(xué)院/通信工程186432236351355895374 屈陽(yáng)13級(jí)北華大學(xué)電氣學(xué)院/電氣工程及其自動(dòng)化18684320926952885914 指導(dǎo)教師姓名張玉欣研究方向智能檢測(cè)與信息優(yōu)化處理年齡35行政職務(wù)/專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)講師主要成果科研項(xiàng)目：1. 人工免疫粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在變壓器故障診斷中的應(yīng)用研究，吉林省教育廳，20132016（在研），主持.2. 基于

3、色譜分析法的變壓器在線監(jiān)測(cè)及故障診斷研究，吉林省教育廳，20102012（完成），排名第4.3. 旋轉(zhuǎn)化工設(shè)備故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)，北華大學(xué)，2008.12（完成），排名第6.4. 基于指紋的考勤管理系統(tǒng)，北華大學(xué)，2008.4（完成），排名第4.5. 信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型本科課程體系的研究與實(shí)踐，北華大學(xué)，2009.9（完成），排名第4.論文：1. Application of stochastic resonance in digital image filtering，Advanced Materials Research，EI，2013.01，第一作者.2. Application of B

4、P neural network based on immune particle swarm optimization for fault diagnosis of power transformer. Applied Mechanics and Materials，EI，2013.09，第一作者.3. A Real-time Two-dimensional Correlation Speed Measurement Based on Image，CMCE 2010，EI，2010.8，第一作者.4. 基于CMOS圖像傳感器的實(shí)時(shí)二維相關(guān)測(cè)速法，液晶與顯示，中文核心，2010.12，第一作者

5、.5. 軸溫報(bào)警器檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，制造業(yè)自動(dòng)化，中文核心，2010.8，第一作者.6. Research of VGA display for 2048 resolution power linear CCD based on SOPC，ICFIEA2010，201012，第一作者.7. 像移補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展與展望，中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2010.4.，第一作者.8. CDIO模式下高頻電子技術(shù)課程教學(xué)體系研究，科技信息，2012.3，第一作者.9. 基于單片機(jī)的城市污水處理系統(tǒng)研究，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)第十屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2008.4，第一作者.10. 概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在隧道變形位移監(jiān)測(cè)中的

6、應(yīng)用，冶金自動(dòng)化，中文核心，2012.8，第二作者.1、 項(xiàng)目實(shí)施的目的、意義 進(jìn)入21世紀(jì)后，伴隨著工業(yè)化的高速發(fā)展，全球性的環(huán)境惡化和能源危機(jī)正威脅著人類(lèi)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。因此，新能源的開(kāi)發(fā)利用及各類(lèi)能源的綜合利用已成為各國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃中的重要組成部分，新型的清潔替代能源已成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。在我們生活的空間里存在著各種潛在的、可利用的能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、機(jī)械振動(dòng)能、潮汐能等。如何收集并存儲(chǔ)這些能源，是近年來(lái)科學(xué)家們努力研究的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。目前，太陽(yáng)能和風(fēng)能的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，而直接利用物體的機(jī)械振動(dòng)來(lái)發(fā)電并存儲(chǔ)已成為新能源研究中的一大熱點(diǎn)，機(jī)械振動(dòng)能具有相對(duì)高的能量密度、其普

7、遍存在，且沒(méi)有污染，尤其是存在于人體行走、汽車(chē)運(yùn)動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)環(huán)境中。如果能將這些機(jī)械能收集并加以利用，將為目前日益嚴(yán)重的能源危機(jī)做出巨大貢獻(xiàn)，因此具有良好的應(yīng)用前景。振動(dòng)式發(fā)電是利用靜電、壓電、電磁等效應(yīng)，通過(guò)一些裝置將外部的機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，在經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。根據(jù)不同的產(chǎn)電形式，可將微型振動(dòng)式發(fā)電分為電磁式、靜電式和壓電式三種，其中電磁式振動(dòng)能量采集器較其它兩種方式具有體積小、發(fā)電量大的優(yōu)勢(shì)，并且無(wú)需驅(qū)動(dòng)電源，可適用于各種惡劣環(huán)境中。自然界中振動(dòng)無(wú)處不在,但其振動(dòng)產(chǎn)生的能量往往消耗于減震器等設(shè)備,或者直接被忽略。針對(duì)當(dāng)前如何收集振動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)換為電能的問(wèn)題，本項(xiàng)目擬設(shè)

8、計(jì)出一種新的振動(dòng)能量采集和存儲(chǔ)裝置，將人體跑步或走路中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能收集并存儲(chǔ)起來(lái)。振動(dòng)產(chǎn)生的電能通常是毫安、毫伏級(jí)的，若能完成振動(dòng)電能的存儲(chǔ)，為手機(jī)、微型傳感器等各種微電子器件提供不間斷供電、隨時(shí)充電等問(wèn)題，這將為人們的生活帶來(lái)極大的便利，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。二、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容： (1)電磁式低頻振動(dòng)能量采集裝置原理研究與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電磁式振動(dòng)采集器的工作原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律。在外部振動(dòng)的激勵(lì)下，磁鐵與線圈產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起線圈中的磁通量發(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)對(duì)外電路進(jìn)行供電。在結(jié)構(gòu)方面獨(dú)特的發(fā)電裝置控制了磁路方向，可任意改

9、變磁軛形狀達(dá)到隨意放置線圈，在最優(yōu)的發(fā)電情況下可優(yōu)化的縮小體積。 (2)電能存儲(chǔ)裝置原理研究與電路設(shè)計(jì) 。電能存儲(chǔ)電路部分是將采集到的電能整流、穩(wěn)壓、存儲(chǔ)到儲(chǔ)能器中。將輸出的交流電通過(guò)整流檢波、電感電容儲(chǔ)能、升壓、穩(wěn)壓等電路后，系統(tǒng)的輸出端達(dá)到 50.5V、355mA 的穩(wěn)定電能，可為手機(jī)、MP3、微電子器件充電。 (3)電能傳輸裝置原理研究與電路設(shè)計(jì) 。的電子產(chǎn)品充電。電能輸出對(duì)電磁式低頻振動(dòng)移動(dòng)電源有著重要的作用，電能的輸出擬采用通用USB接口數(shù)據(jù)總線傳輸和無(wú)線傳輸兩種電能傳輸方式。通用USB接口數(shù)據(jù)總線傳輸電能可滿足目前大多數(shù)電子數(shù)碼產(chǎn)品的供電要求、無(wú)線傳輸對(duì)內(nèi)帶有無(wú)線電能模塊(4)系統(tǒng)

10、仿真實(shí)驗(yàn)利用Matlab 仿真軟件中的PDE 工具箱對(duì)線圈和磁鐵的磁場(chǎng)隨振動(dòng)變化情況進(jìn)行仿真分析。利用Protel 和 Multisim(EWB)電子仿真軟件對(duì)微電存儲(chǔ)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。(5)系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件電路由電磁式振動(dòng)采集電路、存儲(chǔ)電路、傳輸電路三部分組成，各電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)板實(shí)驗(yàn)通過(guò)后，制作專(zhuān)用PCB電路版，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室儀器進(jìn)行檢測(cè)，分析各種參數(shù)、系數(shù)對(duì)輸出電壓的影響。并最終對(duì)功能、效果、精度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和分析。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題：(1)電磁式振動(dòng)能量采集裝置的實(shí)現(xiàn) 電磁式振動(dòng)電能采集裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做到能最優(yōu)收集振動(dòng)能量，高效的將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，且輸出的電壓應(yīng)能夠滿足后續(xù)電路芯片工作需要

11、，同時(shí)應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)大小，電磁干擾等因素。(2)超級(jí)電容器電能存儲(chǔ)裝置的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)裝置產(chǎn)生出的交流電最大化的存儲(chǔ),同時(shí)可串聯(lián)或并聯(lián)多塊電容達(dá)到升壓和增大儲(chǔ)能的效果，同時(shí)增加電流穩(wěn)定性、提高電路的儲(chǔ)能率。(3)非接觸式電能傳輸裝置的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用諧振變換技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)切換技術(shù)等，借助現(xiàn)代控制理論和方法，實(shí)現(xiàn)電能從靜止電源設(shè)備向移動(dòng)設(shè)備的非接觸傳遞。(4)電能管理電路的設(shè)計(jì) 對(duì)機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換得到的電能進(jìn)行整流檢波、升壓存儲(chǔ)、升壓等功能，且要求保證輸出電能的品質(zhì)。三、項(xiàng)目研究與實(shí)施的基礎(chǔ)條件 1.學(xué)生基礎(chǔ)項(xiàng)目組學(xué)生包括信息、測(cè)控、通信、電氣四個(gè)專(zhuān)業(yè)，涵蓋了本項(xiàng)目所需的各領(lǐng)域，對(duì)項(xiàng)目的開(kāi)展與實(shí)施奠定了良好的理

12、論基礎(chǔ)。項(xiàng)目組學(xué)生在自動(dòng)化技術(shù)吉林省大學(xué)生課外創(chuàng)新實(shí)踐基地（即電氣信息工程學(xué)院創(chuàng)新實(shí)踐基地）經(jīng)過(guò)近兩年的學(xué)習(xí)，對(duì)電子電路、微控制器、無(wú)線傳輸?shù)燃夹g(shù)積累了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本項(xiàng)目組成員對(duì)本項(xiàng)目的研發(fā)有著濃厚的興趣和積極性，完全具備完成本項(xiàng)目的能力。2.環(huán)境基礎(chǔ)項(xiàng)目組成員均為自動(dòng)化技術(shù)吉林省大學(xué)生課外創(chuàng)新實(shí)踐基地（即電氣信息工程學(xué)院創(chuàng)新實(shí)踐基地）成員，該基地硬件設(shè)施齊全，提供了良好的場(chǎng)地和設(shè)備，具有很好的研究條件。同時(shí)，電氣學(xué)院的電力系統(tǒng)及自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室、信息采集與處理實(shí)驗(yàn)室、通信實(shí)驗(yàn)室、測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室均為開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室，為本項(xiàng)目相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)提供了良好的硬件支撐。3.教師基礎(chǔ)本項(xiàng)目的指導(dǎo)教師

13、具有博士學(xué)位，目前承擔(dān)省級(jí)科研項(xiàng)目的主持工作。指導(dǎo)兩屆校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。2006年至今指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生100人左右。參與過(guò)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的指導(dǎo)工作。具有項(xiàng)目實(shí)施、論文撰寫(xiě)的指導(dǎo)能力。 四、項(xiàng)目實(shí)施方案本項(xiàng)目主要由三個(gè)環(huán)節(jié)組成：振動(dòng)能量采集、電能管理和電能輸出。如圖1所示。圖1 系統(tǒng)組成框圖一、電磁低頻振動(dòng)發(fā)電式移動(dòng)電源振動(dòng)能量采集部分設(shè)計(jì)：系統(tǒng)的工作原理是在外界振動(dòng)的激勵(lì)下，電磁式低頻振動(dòng)發(fā)電式移動(dòng)電源做軸向運(yùn)動(dòng),外殼及磁軛等與振子發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),引起感應(yīng)線圈上磁通大小和方向不斷變化,依據(jù)電磁感應(yīng)的原理,線圈上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，響應(yīng)可看作一個(gè)正弦波。1、振動(dòng)能量采集部分機(jī)械結(jié)構(gòu)：實(shí)際生活的

14、振動(dòng)頻率是比較低的，因此要想在實(shí)際生活中對(duì)低頻的振動(dòng)能量有較多的利用,那么必須要求所設(shè)計(jì)的振動(dòng)能量收集裝置效率夠高,能在低頻的振動(dòng)條件下產(chǎn)生較大的電能。針對(duì)低頻振動(dòng)的條件,本項(xiàng)目提出了一種高效率低頻振動(dòng)能量收集裝置,其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2 振動(dòng)能量采集部分結(jié)構(gòu)圖該振動(dòng)能量收集裝置包括:導(dǎo)磁材料制作的前、后、左、右磁軛（防止振子在振動(dòng)過(guò)程中發(fā)生傾斜）和線圈支架、鋁質(zhì)材料的底座、漆包線圈和振子。振子部分又由永磁體,上、下銜鐵,以及上、下彈性緩沖墊粘合組成。前、后、左、右磁軛上各有一段凹凸等寬的方齒,前后與左右磁軛上的方齒錯(cuò)位一個(gè)齒寬。永磁體按圖中豎直方向充磁,不妨假設(shè)上方為N極下方為S極。永磁體

15、上下各有一個(gè)銜鐵,其厚度等于磁軛齒寬。永磁體厚度為齒寬的偶數(shù)倍,這樣可保證一當(dāng)銜鐵正對(duì)一側(cè)磁軛上的齒頂時(shí), 另一銜鐵正對(duì)該磁軛齒底處。振子銜鐵外徑稍大于永磁體外徑, 而磁軛方齒內(nèi)徑又略大于銜鐵外徑,即徑向存氣隙, 氣隙的大小對(duì)裝置性能產(chǎn)生一定影響。底座起定位作用,與線圈支架一起卡死前、后、左、右銜鐵，除此之外,整體裝置還包括鋁質(zhì)蓋子和外殼。外殼內(nèi)壁有4條周向各寬60°的對(duì)稱(chēng)軸。該結(jié)構(gòu)一方面作為振子上下運(yùn)動(dòng)的軌道,限制振子運(yùn)動(dòng)范圍，防止其卡入前、后、左、右磁軛的齒間；另一方面也用于前、后、左、右磁軛,底座和線圈支架的徑向定位,防止其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈支架的中間部分稱(chēng)為中

16、心鐵芯,能纏繞漆包線形成線圈。2、振動(dòng)能量收集裝置的工作原理:1)永磁體下面的下銜鐵與左右磁軛的齒頂相對(duì)時(shí),該下銜鐵與前后磁軛的齒底相對(duì),永磁體上面的上銜鐵與前后磁軛齒頂相對(duì)且與左右磁軛的齒底相對(duì)。由于軟磁材料傳遞磁力線的特性,磁力線由永磁體的N極發(fā)出,先后經(jīng)過(guò)永磁體上面的上銜鐵、氣隙、前后磁軛、頂軛、左右磁軛、氣隙和永磁體下面的下銜鐵回到永磁體的S極,形成閉合回路。2)振子向上振動(dòng),當(dāng)永磁體下面的下銜鐵與左右磁軛的齒頂?shù)南鄬?duì)面積大于與齒底的相對(duì)面積時(shí),磁力線從永磁體的N極發(fā)出,經(jīng)過(guò)上銜鐵后,大部分磁力線經(jīng)過(guò)氣隙向前后磁軛走,再經(jīng)過(guò)頂軛、左右磁軛、氣隙、下銜鐵,回到永磁體的S極,但也有磁力線經(jīng)

17、上銜鐵、氣隙、四片磁軛、氣隙、下銜鐵,回到永磁體的S極。與情形1)相比,通過(guò)線圈支架的磁通減少了。3)振子繼續(xù)向上繼續(xù)振動(dòng),當(dāng)永磁體下面的下銜鐵和左右磁軛的齒頂相對(duì)的面積跟與齒底相對(duì)的面積相等時(shí),磁力線從永磁體的N極發(fā)出,傳向上銜鐵,再經(jīng)過(guò)氣隙分別傳向四片磁軛,由于左右對(duì)稱(chēng)性,磁力線向上走的部分相互抵消,即磁軛上面中軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0。四片磁軛各自向下走的磁力線,分別經(jīng)過(guò)磁軛和氣隙傳到下銜鐵,再回到永磁體的S極。4)振子繼續(xù)向上振動(dòng),當(dāng)永磁體下面的下銜鐵和左右磁軛的齒頂?shù)南鄬?duì)面積比齒底相對(duì)面積小時(shí)。磁力線從永磁體的N極發(fā)出,大部分磁通經(jīng)上銜鐵、氣隙、四片磁軛、氣隙、下銜鐵,回到永磁體的S極。

18、另有一部分磁通經(jīng)過(guò)上銜鐵、氣隙、左右磁軛、頂軛、前后磁軛、氣隙、下銜鐵,回到永磁體的S極。與情形2)相比通過(guò)線圈支架的磁通方向相反。5)振子繼續(xù)向上振動(dòng),當(dāng)永磁體下面的下銜鐵和左右磁軛的齒底對(duì)齊時(shí),磁力線由永磁體的N極發(fā)出,先后經(jīng)過(guò)永磁體上面的上銜鐵、氣隙、左右磁軛、頂軛、前后磁軛、氣隙和永磁體下面的下銜鐵回到永磁體的S極,形成閉合回路。此時(shí)的磁力線走勢(shì)跟情形1)正好相反。3、振動(dòng)能量采集部分磁性材料的選擇：本裝置形成了閉合磁路,依靠軟磁材料制成的磁軛和線圈支架來(lái)傳遞磁力線,軟磁材料的磁傳導(dǎo)能力決定了裝置的性能。提高磁軛和線圈支架的導(dǎo)磁能力能使較多磁力線按著裝置設(shè)計(jì)的磁路傳遞進(jìn)而提高裝置效率;

19、而在一定范圍內(nèi)提高永磁體性能,則能有效提高線圈的磁鏈,在同一振動(dòng)頻率下能有效提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此磁性材料的選擇至關(guān)重要。在相同體積下,稀土永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大,因此常常成為振動(dòng)能量裝置的首選,同時(shí)由于它的矯頑力比較高,不會(huì)因?yàn)檠b置的振動(dòng)而退磁。因此,本裝置選用稀土永磁體作為其材料,確定以NdFe35作為永磁材料。軟磁材料的矯頑力與永磁材料的矯頑力類(lèi)似,矯頑力越大,材料的磁化難度越大,本裝置中的磁輒和線圈支架起著傳導(dǎo)磁力線的作用, 且傳遞方向不斷改變, 宜選用低矯頑力的材料。4、振動(dòng)能量采集部分磁感線圈的設(shè)計(jì)：電感線圈分為初級(jí)繞組和次級(jí)繞組。初級(jí)線圈輸出的電能由后續(xù)電路中電感進(jìn)行存儲(chǔ)；次級(jí)線圈輸

20、出的電能為電路芯片提供能量，初級(jí)線圈匝數(shù)是次級(jí)匝數(shù)的十倍。線圈匝數(shù)的設(shè)計(jì)，需要考慮后續(xù)電路中芯片所需電壓的大小。線圈電感量的大小，主要取決于線圈匝數(shù)、幾何形狀，以及線圈結(jié)構(gòu)尺寸，如繞組長(zhǎng)度、直徑、厚度等。其次，若線圈內(nèi)部有屏蔽，以及磁芯等，則線圈電感量將發(fā)生改變。線圈匝數(shù)越多，產(chǎn)電能力就越強(qiáng)，但同時(shí)線圈本身引入的電阻也越多。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合外界振動(dòng)頻率和后續(xù)電路的各個(gè)參數(shù)要求來(lái)設(shè)計(jì)。5、振動(dòng)能量采集裝置的優(yōu)點(diǎn):1）注重構(gòu)成閉合磁路使得裝置可高效地利用磁能，能量轉(zhuǎn)換率得到大幅提高；2）針對(duì)低頻振動(dòng)的條件限制，設(shè)計(jì)了多齒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致振子在一次振動(dòng)中磁場(chǎng)可產(chǎn)生多次交變，大大提高了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和發(fā)電

21、功率；3）磁軛多齒結(jié)構(gòu)形成的磁場(chǎng)限制了振子運(yùn)動(dòng)范圍，無(wú)需安裝專(zhuān)門(mén)的彈簧或永磁體進(jìn)行限位,保護(hù)振子免受撞擊,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和組裝。二、 電能管理設(shè)計(jì)從微型振動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能能夠有效的存儲(chǔ)并且使其輸出功率效率最大化,需要對(duì)微型發(fā)電機(jī)輸出通過(guò)電路進(jìn)行功率調(diào)節(jié),不管是磁電式微型振動(dòng)發(fā)電機(jī)、靜電式微型振動(dòng)發(fā)電機(jī)還是壓電式微型振動(dòng)發(fā)電機(jī),它們從環(huán)境中將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能都是微小電能，并且還是一個(gè)隨環(huán)境隨機(jī)變化的電能。有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出為零的情況。因此,發(fā)電機(jī)的輸出電能不能直接給外部供電,要使轉(zhuǎn)換得到的電能能夠自行保持，就需要對(duì)功能電路進(jìn)行研究,這個(gè)功能電路不僅能夠保持輸出電壓,還要能夠存儲(chǔ)電能,因此設(shè)計(jì)

22、了一個(gè)不需外加輔助電源的電能提取電路。此電路從振動(dòng)環(huán)境中收集能量,是一種低功耗的電源接口電路,此接口電路能使振動(dòng)發(fā)電裝置發(fā)揮更大效率。電路包括:電能整流模塊、升壓儲(chǔ)能模塊、升壓模塊、穩(wěn)壓模塊和電量監(jiān)控模塊，其框圖如圖3。圖3 電能管理結(jié)構(gòu)框圖1、整流、濾波電路：全波整流電路可以把全波輸出，正負(fù)半波都有電壓輸出,輸出脈動(dòng)幅度會(huì)大大降低,提高了整流效率。全波整流是由中心抽頭的變壓器、兩個(gè)二極管組成的, 這樣輸入的每半周導(dǎo)通一個(gè)二極管,使得在輸入的正負(fù)半周都有輸出。而且兩個(gè)二極管導(dǎo)通后流過(guò)負(fù)載的同一方向的電流。其中橋式整流電路是典型的全波整流電路,橋式整流電路是用四個(gè)二極管接成電橋形式,使在正負(fù)半周

23、負(fù)載均有同方向的全波脈動(dòng)電流流過(guò)。整流電路輸出電壓是脈動(dòng)的,含有較大的脈動(dòng)成分。因此必須經(jīng)過(guò)濾波,濾掉脈動(dòng)成分,使輸出電壓趨于平滑,接近理想的直流電壓。由上圖可以看出電壓整流和濾波之后,輸出波形變得平滑。電能管理部分整流、濾波電路圖如圖4。圖 4 整流、濾波電路2、升壓、儲(chǔ)能：振動(dòng)能量采集裝置產(chǎn)生的電能相對(duì)較小，難以直接為大部分電路提供驅(qū)動(dòng)能量。因此，必須積累產(chǎn)生的電量。收集電磁式振動(dòng)產(chǎn)生電能的方法主要有兩種：一是通過(guò)電容/電感收集并儲(chǔ)存產(chǎn)生的能量；二是利用可重復(fù)充電的電池收集儲(chǔ)存電量。電感儲(chǔ)能多用于大型電力設(shè)備，不適合為微型發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能。電容器有一般電容器和超級(jí)電容器兩種。一般電容器能量密度小

24、，儲(chǔ)能時(shí)間短，因此不適合做儲(chǔ)能元件。而超級(jí)電容器具有法拉級(jí)的超大電容量，能量密度高，漏電流非常小，放電功率比鋰電池高出近十倍，壽命長(zhǎng)，是非常理想的大功率儲(chǔ)能元件。升壓部分為超級(jí)電容，為更好的存儲(chǔ)電壓和電能做了充分的保障。3、穩(wěn)壓:微型發(fā)電機(jī)的輸出電壓或者負(fù)載電流變化導(dǎo)致整流濾波輸出的直流電壓也會(huì)發(fā)生變化,對(duì)于微電機(jī)系統(tǒng)是不容許的,所以要釆用穩(wěn)壓電路來(lái)穩(wěn)定負(fù)載上的電壓。由于多數(shù)數(shù)碼電子產(chǎn)品都需穩(wěn)定的直流電壓,所以?xún)?chǔ)能電容器不能給負(fù)載電路直接供電,要將電容中釆集到的電量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電,才能將穩(wěn)壓模塊輸出的電量送入目標(biāo)系統(tǒng),并喚醒目標(biāo)系統(tǒng)工作；另一方面,要求電源管理電路自身消耗的功耗要極低,這樣

25、才能提高發(fā)電機(jī)的電能利用效率?；谝陨峡紤],采用DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器來(lái)連接儲(chǔ)能器和負(fù)載電路,將直流電壓調(diào)整為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所需要的穩(wěn)定值,當(dāng)儲(chǔ)能電容器的電壓在動(dòng)態(tài)變化時(shí),電路依然可以向各負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。三、電能輸出部分設(shè)計(jì)電能輸出對(duì)電磁式低頻振動(dòng)發(fā)電式移動(dòng)電源有著重要的作用，對(duì)于電能的輸出擬采用通用USB接口數(shù)據(jù)總線傳輸和無(wú)線傳輸這兩種電能傳輸方式。電能傳輸框圖如圖5所示。圖5 電能傳輸示意圖1、通用USB接口數(shù)據(jù)總線傳輸電能的選擇：隨著各種數(shù)碼設(shè)備的大量普及，數(shù)碼相機(jī)、MP3、手機(jī)等設(shè)備接踵而至，我們周?chē)腢SB設(shè)備越來(lái)越多。這些設(shè)備使用USB接口數(shù)據(jù)總線傳輸電能已成為一種普遍現(xiàn)象。2、無(wú)線電能傳輸：無(wú)線充電技術(shù)，源于無(wú)線電力輸送技術(shù)，其工作原理利用的是電磁爐原理，當(dāng)電流通過(guò)線圈之后，便會(huì)產(chǎn)生出磁場(chǎng)；而產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)形成電壓，有了電壓之后便會(huì)產(chǎn)生電流，有了電流便可以充電，所以本項(xiàng)目大膽的提出電磁式低頻振動(dòng)發(fā)電產(chǎn)生的電能進(jìn)行無(wú)線傳輸，即將電磁式低頻振動(dòng)移動(dòng)電源內(nèi)的電能經(jīng)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送電能，充電設(shè)備（接收端）透過(guò)無(wú)線感應(yīng)的方式取得電能