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1、河北工业大学 硕士学位论文 运动体振动能量向电能的转化与存储技术研究 姓名：张晶 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：杨庆新 2010-12 河北工业大学硕士学位论文 i 运动体振动能量向电能的转化与存储技术研究运动体振动能量向电能的转化与存储技术研究 摘摘 要要 在经济快速发展的今天，人们对能源的需求日益增加，然而全球可开采的常规能源有 限，能源危机被越来越多的人认知。充足的能源供应是现在社会发展的基础，而电能更是 不可缺少的。因此如何充分有效的利用新能源成为当务之急。 由于自然界中普遍存在振动能，因此本文设计了一种运动体振动能量向电能的转化装 置，并对这部分电能加以利用的后续环节
2、进行了研究。 首先利用永磁体和感应线圈的相对运动，在线圈中产生的感应电动势这一基本原理着 手，确定了永磁体和感应线圈的材料、结构和主要参数，设计了发电装置的结构并运用有 限元软件进行模拟仿真。 由于这部分电动势是作为手机的备用电源对手机进行充电的，而手机电池的电压在 3.74.2V，因此充电电压应该高于 4.2V，这可以作为一个依据来设计倍压整流电路、滤 波电路和稳压电路，从而达到手机充电的要求。 最后，文章研究设计了电能的存储模块，分析了倍压整流电路、滤波电路的工作原理 以及电路元件的选择依据。并且运用仿真软件建立倍压整流电路、滤波电路和稳压电路的 仿真模型，并得出仿真结果。通过仿真结果验证
3、了理论的可行性。 关键词：关键词：振动，能量转化，存储技术，手机充电 运动体振动能量向电能的转化与存储技术研究 ii RESERCH ON CONVERSION AND STORAGE TECHNOLOGY OF MOTION BODY VIBRATION ENERGY TO ELECTRIC ENERGY ABSTRACT Today， economic develops rapidly， the need for energy increases.However， the conventional energy resources what can recovered are limite
4、d，more and more people recognize the energy crisis.The supply of adequate energy is the foundation of social development.So，the top priority is how to use the new energy fully and effectively. Owing to the vibrational energy exists widespread.A converter device was designed to turn the motions vibra
5、tional energy to the electrical energy， and studies the follow- up segments using this electrical energy. Firstly， this paper sets about from a basic principle， the induction coil induces electromotive making use of the relative motion between the permanent magnet and the induction coil，then determi
6、nes the material， the structure and the main parameters of the permanent magnet and the induction coil， designs the structure of the generation device and simulates in the sofeware. Because of this electromotive charges up the mobile phone using as a backup power，the voltage of the mobile phone batt
7、ery is 3.7V- 4.2V，the charging voltage should be higher than 4.2V. This can be a basis for designing of the double voltage rectifier，the filter and the voltage stabilizing circuit， achieving the requirement for the charging voltage of the mobile phone. Finally，the storage module of the electrical en
8、ergy was designed and the principle of work of the double voltage rectifier circuit was analyzed，the filter circuit and the voltage stabilizing circuit as well as the choice of all of circuit element.Then uses the pspice simulation software to set up the simulation model of the double voltage rectif
9、ier circuit，the filter circuit and the voltage stabilizing circuit and obtain the simulation results.The simulation results verify the feasibility of the theoretical. KEY WORDS: vibration， power conversion， storage， charge up the mobile phone 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注
10、明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体 已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文 所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学 校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学 位论文全文或者部分内容的阅览服务； 学校有权将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交
11、论文的复 印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 选题背景选题背景 近几年无线产品，尤其是手机的迅速发展，给我们的生活带来了很大的便利。现在手机已经成了人 们习以为常的通讯工具，大家都知道，手机是靠锂电池供电。偶尔会遇上手机没电了，又找不着地方充 的情况， 很不方便。 在这种环境下能不能允许手机继续使用呢？这就需要考虑在这种情况下如何为手机 充电的问题。目前，给锂电池充电主要依赖于室内座充，但是从无线设备的便携程度方面考虑，手机迫 切需要实现自充电。就像全自动机械表可
12、以不用电池，靠人手的运动自动给发条上劲一样。我们可以设 计一种能量转化器将环境中的振动能量采集，进而转化为电能，利用这部分能量给手机完成充电。 把环境中存在的各种能量转换成电能的装置就是能量转化器， 由于这种能量转化器可以成为一种 替代电池的新型源，因此受到越来越广泛的重视。众所周知，太阳能量、热能和振动能量是自然环境中 存在最广泛的三种能源。但是，太阳能电池只能应用于有光的环境中，它可以通过把光能转换成电能来 为无线产品供电；热电式微电源是工作在有温度梯度的环境中，这种方式可以把热能转换成电能；而振 动能量采集器则不受这两个条件限制， 它可以直接把振动能转换成电能为无线产品供电， 由于振动能
13、量 在环境中存在普遍，所以，振动能量采集器成为现在电源研究中的一大热点 1。 振动能量采集器主要有三种工作方式：压电式、电磁式和静电式。这三者当中，电磁式振动能量采 集器具有很大优势，除了体积比较小、感测频率比较高，同时发电量也比较大之外，其工艺与半导体技 术相互兼容，而且无需外部驱动电源，因此被广泛应用于各种恶劣环境 1。 根据法拉第电磁感应定律， 电磁式振动能量采集器能够把周围环境中的振动能转换成电能从而为电 子产品供电。 由于它克服了传统电池在供电时所产生的无法解决的缺点， 必然会在无线产品供电系统占 据重要的地位。因此，国内外有越来越多的研究小组加入到电磁式振动能量采集器的研究工作中来
14、。 针对手机电池充电条件受限的问题， 这种电磁式振动能量采集器能够对环境中的振动能量实现能量 转换和有效利用，具有巨大的应用前景。此外，环境中振动能普遍存在，而且在一些场合可能只有振动 能存在。如果能将这部分能量收集并加以利用，给无线产品和便携式设备供电，前景将非常乐观。 1-2 国内外研究现状国内外研究现状 环境中最为广泛的能源之一就是机械能， 因为自然环境中各处都可能存在振动， 因此如何能够最大 限度的将振动的机械能转换为电能，成为现在的研究热点。近几年以来，许多科学家都在对电磁式振动 能量采集器进行探索研究， 环境振动能量转换器是利用电磁学的基本原理通过永磁体和感应线圈之间相 对运动，将
15、外界振动机械能转换成电能，采集到的能量可以应用于各中存在微振动的环境中 2。 运动体振动能量向电能的转化与存储技术研究 2 早在1995年的时候， 英国谢菲尔德(Sheffield)大学研究小组就发表第一篇关于微型电磁式振动能 量采集器的论文，自此以后，国内外许多的研究小组都开始致力于这方面的探索。我们可以根据振动部 件的不同，把电磁式振动能量采集器分为动铁型(磁铁振动)、动圈型(线圈振动)和铁圈同振型(磁铁线 圈共同振动) 2。下面就这三种不同类型的电磁式振动能量采集器介绍其相关的研究现状。 1-2-1 动铁型动铁型 我们把线圈不动， 磁铁相对线圈发生振动的电磁式振动能量采集器定义为动铁型电
16、磁式振动能量采 集器，此时感应线圈中磁通量发生变化，产生感应电势。从事动铁型振动能量采集器的研究工作的有英 国Sheffield大学、香港中文大学、重庆大学和立中山大学等单位 3。 把振动能转化为电能的通用几何模型是在1995年由英国Sheffield大学的Williams建立的，除了 建立模型，Williams还做了详细的理论分析，Williams设计的振动能量采集器原型如图1.1所示。他 先用聚酰亚胺薄膜做基片，再在这个聚酰亚胺薄膜厚度为7m的基片上再用微加工技术加工出一个圆 形凹槽，直径为2.5mm，然后在凹槽中粘贴一个稀土钐钴永磁铁，再电镀一个厚度为2.5m，宽度为 20m，间隔距离为6m的圆形铜线圈，贴在一个厚度为550m的硅基片底部。硅基片上面开一个深 度为400m的凹槽，留出空间给磁铁运动，最后把两基片粘合到一起，构成能量采集器的原型 4。 图1.1 英国Sheffield大学研制的振动能量采集器横截面示意图 5 Fig .1.1 The cross- se
