一种基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法，包括压电能量接收器和亥姆霍兹线圈，压电能量接收器植入人体，人体进入亥姆霍兹线圈产生的磁场环境后，压电能量接收器接收亥姆霍兹线圈产生的磁场，再将磁场转换为电场，从而实现无线电能的传输，由一块钢片和两块压电材料组成悬臂梁，即钢片固定在基座上，在钢片上下两面安装压电材料，永磁铁安装在悬臂梁末端上方，通过悬臂梁末端的永磁体采集亥姆霍兹线圈产生的磁场，永磁体在磁场中受到的磁力激励传递给覆盖在钢片上的压电材料上，使压电材料在力的作用下产生形变从而产生电场，钢片上下两面的压电材料形成电势差为负载

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法


[0001]本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及一种基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法
。

技术介绍

[0002]随着物联网的发展，微电子设备的灵活供电问题得到了广泛的关注
。
面对传统供电方式的局限性，能量压电能量接收器和无线电力传输为电力电子设备，尤其是自主无线传感器和穿戴式或植入式人体健康检测设备提供了避免更换电池的方案，如心脏起搏器的供电不能频繁更换电池
。
作为绿色无污染的能量采集技术，可将环境中废弃的振动能
、
热能
、
电磁辐射能
(
包括太阳能
、
射频能和红外线能
)、
化学能和磁能等转化为电能，有望为各种低功耗微系统
、
生物体植入设备和
IoT
器件提供无限能源，因而受到学术界和工业界的广泛关注
。
而压电式能量压电能量接收器可以通过末端的永磁体采集环境中的磁场，永磁体在磁场中受到的磁力激励可传递给覆盖在悬臂梁结构上的压电材料使其在力的作用下产生形变从而产生电场，实现能量采集的目的并实现磁
‑
机
‑
电的耦合
。
[0003]振动能量压电能量接收器
(VEHs)
主要有四种类型，即静电式
、
电磁式
、
压电式和磁致伸缩式
。
静电压电能量接收器输出电压极高，输出电流小和阻抗高，且需要外部电荷源对其进行驱动，输出受极板间距影响大，整体装置实现困难
。
电磁压电能量接收器由于尺寸较大，电磁干扰现象严重，难以与
MEMS
相兼容，其输出电压较低，功率小，难以驱动外围电路
。
与静电式和电磁式能量振动压电能量接收器相比，压电振动压电能量接收器和磁致伸缩能量压电能量接收器是研究比较广泛的能量压电能量接收器，压电振动能量压电能量接收器具有结构简单
、
能量转换密度大
、
易与宿主结构集成等优点，在微电子设备
(
如无线传感器节点
、
便携式器件
)
等上具有广泛的应用前景
。
磁致伸缩能量压电能量接收器
(Magnetostrictive Vibration Energy Harvester
，
MVEH)
具有机电耦合效率高
、
机电换能特性显著
、
高鲁棒性和低阻抗特性，得到国内的广泛关注，由于环境中的振动激励往往是低频的，且具有较强的随机性
。
对于低频振动源，设计能够有效采集低频振动且具有较宽频带的振动能量压电能量接收器具有意义
。
[0004]无线电能传输技术不需要导线和其他互相连接的设备，只通过接收端和发射端的两个互相不接触的耦合线圈就能把能量从发射机传输到接收机，供给用电器使用，这其中涉及到能量转换
。
传统的无线电能传输系统一般通过线圈来接收传递的能量，其传输距离通常在
cm
～
km
级不等，因为尺寸的关系，其磁场通常较大，因而传输的功率也较高，通常为
W
级
。
然而对于人体健康医疗检测或是植入型的设备，较大的磁场和功率传输并不符合其能量需求，且植入型设备通常尺寸很小，利用线圈接收到的能量又不能满足这些设备的能量需求，而压电式能量压电能量接收器能在尺寸很小的情况下兼顾医疗植入型设备的功率要求，为无线电能传输在人体健康医疗方面的应用提供了一种可行的方案
。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法，将末端带永磁体的压电能量接收器植入人体，人体进入亥姆霍兹线圈产生的磁场环境后，通过压电能量接收器末端的永磁体采集环境中的磁场，永磁体在磁场中受到的磁力激励传递给覆盖在悬臂梁结构上的压电材料上，使压电材料在力的作用下产生形变从而产生电场，实现无线电能的传输，为人体无线传感器和穿戴式或植入式人体健康检测设备提供电能，也可为这些设备电池充电，起到无需更换电池的作用
。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法，包括压电能量接收器和亥姆霍兹线圈，压电能量接收器植入人体，人体进入亥姆霍兹线圈产生的磁场环境后，压电能量接收器接收亥姆霍兹线圈产生的磁场，再将磁场转换为电场，从而实现无线电能的传输
。
[0008]优选的，所述压电能量接收器包括基座
、
钢片
、
永磁铁
、
压电材料
、
永磁铁，由一块钢片和两块压电材料组成悬臂梁，即钢片固定在基座上，在钢片上下两面安装压电材料，永磁铁安装在悬臂梁末端上方，通过悬臂梁末端的永磁体采集亥姆霍兹线圈产生的磁场，永磁体在磁场中受到的磁力激励传递给覆盖在钢片上的压电材料上，使压电材料在力的作用下产生形变从而产生电场，钢片上下两面的压电材料形成电势差为负载
R
L
供电
。
[0009]优选的，所述压电材料形采用压电陶瓷
pzt。
[0010]优选的，所述钢片尺寸为长
29.7
毫米
、
宽
3.175
毫米，厚度为
0.38
毫米，其中基底层厚度为
0.1
毫米，每层压电材料厚度为
0.14
毫米，永磁体形状为立方体，边长为
3.175
毫米
。
[0011]优选的，所述压电能量接收器在亥姆霍兹线圈产生的磁场中有磁转矩和磁力两种受力形式：
[0012]M
B
＝
J
r
V
M
H
ac (1)
[0013][0014]其中，
J
r
为磁铁的剩余极化，
V
M
为磁铁的体积，假设振动的幅值很小，使磁铁质心处产生相同位移的转矩等效力为：
[0015][0016]其中，有效长度
l
eff
＝
(L+L0)/2
，
L
为压电材料长度，
L0为压电材料长度与永磁铁边长之差，由磁铁质量
M
和梁质量
m
b
组成的压电能量接收器等效质量为：
[0017][0018]m
b
＝
wL(2t
p
ρ
p
+t
s
ρ
s
) (5)
[0019]M
＝
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法，其特征在于，包括压电能量接收器和亥姆霍兹线圈，压电能量接收器植入人体，人体进入亥姆霍兹线圈产生的磁场环境后，压电能量接收器接收亥姆霍兹线圈产生的磁场，再将磁场转换为电场，从而实现无线电能的传输，所述压电能量接收器包括基座
、
钢片
、
永磁铁
、
压电材料
、
永磁铁，由一块钢片和两块压电材料组成悬臂梁，即钢片固定在基座上，在钢片上下两面安装压电材料，永磁铁安装在悬臂梁末端上方，通过悬臂梁末端的永磁体采集亥姆霍兹线圈产生的磁场，永磁体在磁场中受到的磁力激励传递给覆盖在钢片上的压电材料上，使压电材料在力的作用下产生形变从而产生电场，钢片上下两面的压电材料形成电势差为负载
R
L
供电
。2.
根据权利要求1所述的基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法，其特征在于，所述悬臂梁结构的模态函数的计算方案为：采用均匀分布载荷模拟悬臂梁受到的激励，假定悬臂梁受到两种载荷，一种是均匀分布在整个悬臂梁上的载荷
q
b
，另一种是部分均匀分布在悬臂梁末端永磁铁质量上的载荷
q
m
，假定末端永磁铁为刚性，则在末端永磁铁部分产生的挠度其斜率不会发生变化，即在
L0≤x≤L
的部分，模态函数应该为关于
x
的线性函数，则有：其中
t1、t2为常数，对于均匀分布在整个悬臂梁上的载荷
q
b
有：对于部分均匀分布在悬臂梁末端永磁铁质量上的载荷
q
m
有：对于永磁铁部分的挠度，其在
x
＝
L0处应与悬臂梁端均匀连续，则有：计算整理得：
由于压力载荷可看作由自身重力引起的载荷，则均匀分布在整个悬臂梁上的载荷
q
b
与部分均匀分布在悬臂梁末端永磁铁质量上的载荷
q
m
之间存在如下关系：
q
m
L
m
:q
B
L
＝
Mg:m
B
g (16)
其中
g
是重力常数，
m
B
为整个悬臂梁的质量，
M
为悬臂梁末端永磁体质量，则可令
q
r
满足如下关系：代入到式
(14)、(15)
，并令模态函数在悬臂梁末端永磁铁沿悬臂梁长方向的中心处为1，即计算可得
q
m
、q
B
表达式，如下：表达式，如下：由此便得到了整个悬臂梁结构的模态函数
。3.
根据权利要求1所述的基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法，其特征在于，所述压电能量接收器采用
MATLAB
仿真软件进行仿真分析，首先计算压电能量接收器在接入
1M
Ω
负载电阻和的磁场激励下的功频特性，计算压电能量接收器共振频率处输出功率随外加磁场激励的变化关系，随着磁场激励的不断增大，共振频率处输出功率也在不断增大，为探究压电能量接收器输出功率与外部磁场频率以及所接入的负载电阻的关系，将外部磁场频率和负载电阻均看作可变变量，将压电能量接收器的输出功率看作是关于两个可变变量的函数，计算在的磁场激励幅值下，不同的磁场频率和负载电阻下的输出功率值，并绘制成三维云图，初步判断出存在一组最优的外部磁场频率和负载电阻值使得压电能量接收器的输出功率达到最大
。4.
根据权利要求3所述的基于磁力耦合的压电能量接收器的设计与分析方法，其特征在于，所述压电能量接收器输出功率达到最大的优化方案为：采用梯度下降法对压电能量接收器进行功率优化，分五种情况分别讨论：情况
1.
亥姆霍兹线圈磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐贤哲，曹淑瑛，谷家桢，何露，王明明，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：