机械整流式振动能量回收器的研究_朱子恒.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 朱子恒 男硕士 年生 通信作者 徐琳 男博士副教授 年生 机械整流式振动能量回收器的研究 朱子恒 徐琳 邹俊逸 赖秋洋 纪然 武汉理工大学 汽车工程学院武汉 摘要为了研究机械整流以及惯容对振动能量回收特性的影响以回收背包振动能为研究方向借鉴齿轮齿条 以及滚珠丝杠的运动转化形式设计两种形式的振动能量回收器该系统结合单向轴承及惯容将背包的振动能转化为电 能供电子设备使用通过建立数学模型基于能量转换原理分析系统的能量回收特性仿真分析机械整流以及惯容对 振动能量回收特性的影响最后通过试验探讨了惯容频率以及负载电阻对系统能量回收特性的影响并对比两种样机 的振动能回收特性结果表明当系统激励频率接近固有频率时系统的能量回收性能最佳且可匹配合适的惯容以提高 系统的输出功率相比于滚珠丝杠式样机在同等工况下齿轮齿条式的回收效率更高 关键词振动能齿轮齿条滚珠丝杠机械整流惯容单向轴承 中图分类号 文献标志码 随着科技进步的快速发展传统能源的消耗已无 法满足人类社会的发展进而迫使人们加速对新能源 技术的开发其中振动能凭借其广泛的应用的场景 得到广大研究人员的高度重视综合国内外在该领域 的研究现状振动能主要通过液压马达电磁转换静 电转换压电转换磁致伸缩转换磁电转换摩擦纳米 发电以及它们的复合形式转化为电能其中徐琳 等采用机电液混合系统通过单向阀组成的液 压回路设计了一种具有桥式整流功能的馈能减振器 喻凡等 提出了由滚珠丝杠和直流电机构成的馈能 悬架刘松山等 对滚珠丝杠式减振器进行了重新 设计该结构利用行星齿轮机构与双超越离合器实现 了机械整流功能可大大提高能量的回收效率同时研 究了惯性质量对馈能悬架阻尼特性和幅频特性的影 响 等利用带轮机构的原理提出了一种应用在 背包上的能量回收器该回收器可将人体负重行进时 背包相对于人体的振动能转化为电能供便携式电子设 备使用研究了系统参数对能量转化效率的影响吴 义鹏等基于压电转换原理提出了一种新型振动能量 收集器该机电耦合结构由一对非对称压电悬臂梁组 成悬臂梁末端固定有永磁体利用永磁体产生的非线 性力实现了悬臂梁共振频率与外界激振频率的匹配 调节并对理论模型进行了仿真分析和试验验证汪 志昊等提出了一种基于旋转式电磁能量回收技术的 自供电 阻尼器复合减振系统主要利用滚珠丝杆 机构将往复直线运动转化为发电机转子的正反向旋 转又如国外学者 等 首次提出将齿轮齿条 式能量回收器应用在背包上该背包可在负重 行走速度为 时发出 的功率 等 利用齿轮组双超越离合器的方式分别设计 了滚珠丝杠式和齿轮齿条式馈能器主要应用在背包 和汽车悬架上研究结果表明具有机械整流功能的能 量回收器可减少电机转子的换向损失从而有效地提高 能量的回收效率 振动能量的稳定回收技术一直是振动能领域的关 键技术之一目前机械整流稳定回收技术已经逐渐成 熟但无法完全解决能量波动过大的问题目前比较成 熟的技术是通过机械整流稳压电路的方式将波动较 大的能量转化为可供用电设备使用的电能但因电路 模块的输入电压阈值通常大于 伏左右才会有稳 定的输出而往复的振动能量经过机械整流转化为电 压后还存在低于稳压阈值的现象发生最终导致低于 阈值的能量无法转化故而影响系统的能量回收效率 根据以上内容在以人体运动能量为背景下设计 了齿轮齿条和滚珠丝杆两种运动转化形式的振动能量 回收器同时还对该系统结构进行动力学建模及仿真 并分析了机械整流和惯容对系统输出特性的影响以及 齿轮齿条式能量回收器和滚珠丝杆式能量回收器在能 量转化效率上的差异性最后通过试验进行了相关分 析的验证为振动能量回收领域的研究提供了重要的 参考价值 振动能量回收器结构介绍 现有的具备机械整流功能的回收器主要是将物体 的双向振动转化为电机单方向的旋转该回收器主要 采用双单向轴承齿轮齿条组结合的方式实现机械整 流功能 双向能量回收器具体结构如图 所示图中输 入端与激励源连接支座与被减振物体连接齿条与 齿轮啮合齿条与齿轮啮合两齿条相对安装 两齿轮内圈分别内嵌有啮合方向相反的单向轴承两 单向轴承套装在输出轴上当输入端的齿条沿着方向 运动时齿轮内的单向轴承处于啮合状态齿轮 内的单向轴承处于未啮合状态齿轮带动输出轴沿 方向旋转当输入端的齿条沿着方向运动时齿轮 内的单向轴承处于啮合状态齿轮内的单向轴承 处于未啮合状态齿轮带动输出轴沿方向旋转 最终实现双向整流功能 如图所示为单向能量回收器的结构图该能 量回收器只在单个行程进行能量回收齿条与激励源 连接其壳体与被减振物体连接并在齿条和壳体之间 设置弹性元件电机轴处固定连接有惯容齿条相对 壳体的相对运动可通过齿轮齿条机构转化为电机的旋 转运动在齿条相对于壳体向上运动期间当齿轮的 转速大于齿轮箱轴转速时单向轴承处于啮合状态此 时系统输入的能量一部分转化为弹性势能和电能另 一部分转化为惯容的动能在齿条相对于壳体向下运 动期间当齿轮中的转速小于齿轮箱轴转速时单向轴 承处于未啮合状态此时惯容在啮合时所储存的动能 将会继续带动电机继续旋转进而保证直流发电机持 续稳定的输出电能 图双向能量回收器和单向能量回收器 综上所述双向能量回收器主要是通过将方向 和下的运动转化为电机单方向的旋转运动保证能 量持续稳定高效地输出单向能量回收器主要是在单 个行程进行运动形式地转化并增加一个惯容来实现 第期朱子恒等机械整流式振动能量回收器的研究 电机持续稳定高效地输出 数学模型 在对模型进行分析时将原理样机应用在背包上 以回收背包相对人体振动的能量并且将样机的激励 输入等效为人体在行走时重心的垂直位移根据文献 可知人体重心的垂向位移曲线可近似等效 为一个正弦曲线可采用单自由度弹簧质量阻尼 系统模型根据其两种工作状态得到两种系统模型图 如图所示 图系统模型 图中 为人体对负重的输入激励 为被减 振物体的位移响应 为人体与物体之间的相对位 移为系统的弹性刚度 分别为系统的机械阻尼 系数和电机的等效阻尼系数为被减振物体的质 量 为电机转子的等效转动惯量 根据牛顿第二定 律建立如下系统微分方程 啮合 未啮合{ 以功能原理为基础将式中的 等效为 策动力 则上述系统模型转换如图所示 图等效模型 图中 假设 在稳态受 迫振动条件下微分方程在啮合状态下的解为 另 其中为系统的阻尼比频率比为 质量比为 其中 为等效在齿条上的 质量则有 槡 在稳态受迫振动过程中弹簧振子系统的动能和 势能分别为 { 得到系统动能和势能的最大值之比为 根据式可知当激励频率达到固有频率时振子 系统的动能和势能相等即系统机械能恒定系统合外 力做功为零因此策动力所作的功完全由系统阻力所 消耗当激励频率不同时策动力对系统的做的功一 部分被系统的机械能吸收或消耗一部分被阻力所消 耗可知当激励频率达到系统固有频率时策动力所作 的功可被直流电机完全吸收此时系统的能量回收效 率达到最大这一结果与文献的结论一致 为了分析振动系统回收的能量与质量比之间的 关系根据式当阻尼比一定时稳态时系统的幅值 比 与激励频率及质量比之间的关系曲线如 图所示 图频率质量比与幅值比的关系曲线 由图可知随着激励频率的增加系统的幅值比 先增加后减小在频率不变时当幅值比处于上升阶 段时质量比与系统幅值比成正比当幅值比处于下降 阶段时质量比与系统幅值比成反比且当质量比 由 增加到时系统幅值比的变化率逐渐降低 进一步由式可计算出阻尼器的平均功率在 给定激励和阻尼系数的情况下幅值比与阻尼器的平 振 动 与 冲 击年第卷 均功率呈正比即质量比的增加会降低阻尼器的平均 功率其主要原因是由于过大的转动惯量会引起较大 的换向损失 槡 因此针对上述情况为了消除振动系统中转动惯 量的换向损失对系统引入机械整流机构及惯容因 惯容作为一个能量转化单元且经过机械整流机构后 可实现单方向的旋转因此该系统中的惯容不消耗能 量只改变能量的转化形式所以系统策动力所作的 功一部分转化为系统的机械能一部分转化为惯容的 动能还有一部分被电磁阻尼器所消耗且由于转子 与电机轴连接因此电机轴的动能最终会被电磁阻尼 所消耗掉所以系统的所吸收的能量包括阻尼电机直 接消耗的能量和惯容的动能 仿真模型的建立 根据上节内容可知该振动能量回收系统将会在 啮合传动和打滑这两种状态之间来回切换因此该系 统的部分参数将随着系统状态的切换而发生改变从 而导致稳态条件下的运动微分方程的解将无法真 实反映该系统的动力学特性为了研究该系统的动力 学特性采用机电等效模拟方法将方程中的质量 弹簧阻尼等效为电路中的电容电感电阻机电 等效模型公式如下 机械领域 电气领域 等效模型式中各参数的含义及等效参数对应 关系如表所示 表机电模型等效参数对应关系 机械领域电气领域 质量 电容 阻尼系数 电阻倒数 刚性系数电感倒数 速度电压 力电流 表中单向轴承可等效为电路中的二极管且单向 轴承的啮合和脱离状态可等效为二极管的通断状态 机械领域的速度对应于电气领域中的电压单向轴承 的啮合和脱离阈值由机械域中的速度决定当齿轮的 转速大于齿轮箱轴的转速时单向轴承处于啮合状态 在此过程中系统存在等效质量和电磁阻尼力当齿轮 转速小于齿轮箱轴转速时单向轴承处于未啮合状态 在此过程中系统中不存在等效质量和电磁阻尼同时 惯容所储存的动能将驱动发电机继续发电发电机在 这种状态下的运动方程可以表示为 式中 是 电 机 轴 的 角 速 度单 位 为 和分别是单向轴承分离时的电机轴角 速度和时间因此系统在啮合和断开时两种状态可表 达为 啮合 脱离 { 其他情况 式中为齿轮箱速比为齿轮分度圆半径单位 为 在电气领域中二极管的通断状态是由二极管两 端电压值决定二极管两端的电压值一端由输入电 流源提供另一端的电压值由储能元件电容的端电压 提供当二极管两端的电压值大于时即电容提供 的电压小于电流源提供的电压二极管处于导通状态 电容充电当二极管两端的电压值小于时即电容提 供的电压大于电流源提供的电压二极管处于断开状 态电容放电 同时在电气领域中当二极管与电流源反向连接 时二极管处于导通状态此时二极管不起作用对此 增加一变压器一方面可将变压器等效为减速箱其中 变压器的匝数比对应减速箱中的速比另一方面可将 电流源的方向变化转化为电压方向的变化其中二极 管与变压器的二次绕组端连接以实现二极管的通断 状态 本次设计所选用的电机为直流碳刷电机振动系 统的相关参数如表所示 表系统相关参数 参数 名称 参数值 参数 名称 参数值 额定 电压 外电阻 额定 电流 系统 刚度 额定 转速 负重 质量 电枢 电阻 转子转 动惯量 转速 常数 电机摩 擦转矩 转矩 常数 减速箱 速比 机械域的输入是策动力 所以等效的电分量 是电流源由于机械域中的力对应于电域中的电流 所以机械域中的摩擦力可以由策动力控制的电流源来 第期朱子恒等机械整流式振动能量回收器的研究 建模策动力控制的电流源对应于机械域中的摩擦 力利用 对系统进行仿真建模最 终建立的等效系统模型如图所示 图单向能量回收系统等效电路模型 根据搭建的等效电路模型等效式以及变压器 原理可得出机电等效过程中的各参数的等效关系式 如表所示 表机电等效模型中各参数等效关系式 电气领域机械领域 表中 分别为变压器的一次侧和二次侧绕组 的匝数为齿轮分度圆半径单位为 表中电气 领域中的各参数符号分别对应图等效电路模型中的 元器件符号各元器件的等效值可根据表中对应的 机械领域中的关系式求出 机械整流对系统相对运动幅值的影响 为了研究机械整流对系统相对运动幅值的影响 在相同系统参数下分别对无机械整流双向整流及单 向整流系统模型进行了仿真结果如图所示 由图 可知在不配备惯容的情况下具有双向 整流功能的能量回收器其角速度的单个周期的曲线 与无整流式的正半周期的曲线重合说明双向整流机 构不改变系统相对运动速度响应曲线的幅值而具有 单向整流功能的能量回收器只利用了无整流式角速度 的半个周期但其峰值比其他两种结构大从图 可知当对三种形式的能量回收器配备惯容后其输出 角速度曲线峰峰值均减小其中单向式和双向式能量 回收器均在 上下进行波动但单向式的峰峰 值较双向式的峰峰值大可知惯容对系统输出角速度 曲线的波动程度有着显著的影响 图输出角速度仿真曲线 激励幅值 激励频率 转动惯量对系统特性的影响 为了研究惯容的转动惯量对系统能量回收性能的 影响根据仿真模型对比了两种整流形式的能量回收 器在不同质量比下的平均输出功率和幅值比结果如 图所示 图质量比对平均功率的影响和激励频率对幅值比的 影响激励 固有频率 振 动 与 冲 击年第卷 从图 可知当系统的激励状态不变时随着质 量比的增加系统在稳态时的平均输出功率先增加 后减小因质量比会改变系统的固有频率根上节内 容可知当质量比增加时系统固有频率与激励频率的 关系由最初的 到 再到 进行变化因此弹簧质量系统的合外力所做的功将 由最初的 到 再到 进行变化这一结 果与图 所示的一致其中双向整流式的平均功率 相比于单向整流式较低从图可知当频率增加 时单向整流式系统的幅值比先增加后减小在频率 不变时当幅值比处于上升阶段时质量比的增加会引 起系统幅值比的增加当幅值比处于下降阶段时质量 比的增加会降低系统的幅值比这一结论与前一节图 的结果大致吻合说明可通过参考运动微分方程的 解来近似分析该系统的动力学特性双向整流式 系统的幅值比随着频率的增加而增加且当质量比一 定时单向式相比于双向式能量回收器其相对运动位 移的幅值较大 试验分析 为了验证单向整流式能量回收器的能量回收特 性将滚珠丝杠样机与齿轮齿条样机安装在液压振动 台上进行测试其中滚珠丝杆螺母以及齿条通过连接 件与液压振动台作动头的一端固定连接其他零部件 通过螺旋弹簧以及直线运动导轨与作动头进行连接 以形成一个悬挂系统从而将振动能转化为电能如 图所示 图试验样机装配图 试验过程中分别分析了该系统在不同状态下的 输出功率相对位移以及齿条和丝杠的受力情况其中 输出功率可通过负载电阻值和测得的负载电阻两端的 电压值计算得到 系统受力分析 该系统阻力主要包括电磁阻尼力机械阻力以及 机械阻尼力其中因机械阻尼力较小故不予考虑为 了分析系统的受力情况本次台架试验在齿条滚珠丝 杆与台架连接板之间增加了力传感器以便分析系统 内除弹簧以外的受力情况并且可以通过分析力传感 器导出的数据可以获取系统的机械阻力 以增加仿 真的准确性 在给定系统激励幅值 负重质量 负 载电阻 质量比为的测试情况下改变系统的 激励频率采集力传感器的信号得到两种样机的受力 情况如图所示 图 激励频率下的系统受力曲线和 不同激励频率下系统机械阻力 根据设计的整流结构以及图 的结果可知当 单向轴承处于啮合状态时系统的阻力主要来自于系 统的机械阻力惯性力以及电磁阻尼力当单向轴承 于未啮合状态时此时力传感器采集到的是系统的机 械阻力从图 可知同等试验工况下滚珠 丝杆式样机相比于齿轮齿条式样机具有较大的系统 第期朱子恒等机械整流式振动能量回收器的研究 机械阻力且滚珠丝杆式样机的系统机械阻力会随着 激励频率的增加逐渐上升而齿轮齿条式样机的系统 机械阻力与激励频率无明显关系其中我们可根据单 向轴承未啮合时的受力数据计算出齿轮齿条样机的机 械阻力值造成这一现象的一部分原因是在未啮合 过程中齿条主要克服导轨上的摩擦力以及齿轮上的 摩擦力矩而滚珠丝杆样机主要克服导轨的摩擦力以 及滚珠丝杆与壳体之间的摩擦力矩然而齿轮上的 摩擦力矩除以齿轮分度圆半径即为等效到齿条上的 力而滚珠丝杆上与壳体之间的摩擦力矩需要经过 的倍数放大传递给滚珠丝杆螺母其中为滚 珠丝杆导程其单位为 可见滚珠丝杆上的摩擦力 矩相比于齿轮上的摩擦力矩的等效放大倍数要小很 多故导致滚珠丝杆样机在未啮合过程中产生的系统 阻力要大于齿轮齿条样机产生的系统阻力 质量比对系统性能的分析 在给定系统负载电阻为 激励幅值 负重质量 的测试情况下改变系统的激励频率和 质量比通过采集的负载电阻两端电压信号和相对位 移信号分别分析系统的平均输出功率和相对运动幅 值结果如图所示 图频率和质量比对输出特性的影响 从图 中可以看出当输入的激励频率 由 增加到 时系统的相对运动幅值以及 输出的平均功率都逐渐增加且当引入惯容后系统的 平均功率和相对运动幅值都随着质量比的增加而减 小当质量比越大时以上参数的变化程度降低根据 图的结果可知当质量比 时系统的平均输出 功率先增大后减小且受质量比的影响较大当质量比 时系统的平均输出功率的变化率趋于稳定这 一结果与图中反映的结果大致吻合从而验证了 理论分析的可参考性根据上述结论可知通过匹配 合适的惯容使激励频率范围更大程度的处于系统共振 范围内以获取更高的输出功率 负载电阻对系统性能的分析 在给定系统激励频率 激励幅值 负 重质量 质量比的测试情况下改变系统的负 载电阻通过采集的电压信号和相对位移信号分别分 析系统的平均输出功率和相对运动幅值并与仿真结 果进行了对比结果如图所示 图负载电阻对输出特性的影响 从图 中可以看出仿真结果与试验结 果基本吻合当施加的负载电阻由 增加到 时系统的相对运动幅值以及输出的平均功 率都逐渐增加且上升速率随着负载电阻的增大逐渐 变慢 滚珠丝杠和齿轮齿条式能量回收性能分析 为了研究齿轮齿条式能量回收器和滚珠丝杠式能 振 动 与 冲 击年第卷 量回收器的回收性能在保证两样机的机械传动比一 致的前提下给定系统的激励幅值 负载电阻 负重 质量比为的测试情况下改变系 统的激励频率采集系统的输出电压 对比结果如图所示当给定的激励频率由 逐渐变化到 时两种样机的平均输出功 率呈逐渐上升趋势且相同试验工况下滚珠丝杆式样 机相比于齿轮齿条式样机其输出的平均功率较低 根据图的分析结果可知由于滚珠丝杆式样机相比 于齿轮齿条式样机会产生较大的机械阻力导致系统 产生较大的机械摩擦损耗最终影响系统的能量回收 效率 图齿轮齿条和滚珠丝杠式样机输出功率对比图 结论 综合国内外的研究现状以回收背包振动能为出 发点借鉴齿轮齿条以及滚珠丝杠的运动转化形式分 别设计两种具有机械整流功能的振动能量回收器并 开展了该结构输出特性的理论研究仿真分析与试验 测试研究结果表明 采用惯容结构可有效改善系统输出电能的脉 动程度保证其高效平滑地输出到稳压电路中可有效 提高振动能的转化效率 从功能转换角度出发对该系统进行理论与仿 真分析可知当系统激励频率接近固有频率时系统的 能量回收性能最佳 探讨了质量比 频率以及负载电阻对系统的 能量回收特性的影响通过匹配合适的惯容使激励频 率范围更大程度的处于系统共振范围内以获取更高 的输出功率而且相比于滚珠丝杠式样机在同等系 统参数下齿轮齿条样机的回收效率更高 参 考 文 献 徐琳汽车液电馈能式减振器研究 武汉武汉理工 大学 喻凡张勇超馈能型车辆主动悬架技术 农业机械学 报