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射頻/無線  

振動發電機測試平台設計

上網時間: 2011年08月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:發電機  VEPG  感測器網路  能量採集  永磁 

Felipe Jerez

Grupo PREMO

感測器網路近來已延伸至各種環境及工業數據採集應用中,例如,溫度、濕度、加速度、壓力和其他相關製程資訊的採集。感測器節點將數據記錄傳送給中央單元進行控製作業,常用在不易接近和維護成本較高的地方。

依靠部份電路啟動或看門狗,新一代微控制器能夠實現僅幾微安的功耗。低功耗的感應元件經常應用到基礎設備(例如橋梁)、機械(例如電梯、馬達、汽車元件)中,甚至可以穿戴在人體(例如病人、運動員)上,在這類應用中,這些感應元件可以採集振動能量。自然運動或傳輸振動所產生的機械能轉換成電能。這種電能足以驅動感測器節點,如果以電池作為主電源,則至少有助於延長電池續航能力。

透過振動能量供電的能量採集器採用永磁材料與繞組來獲取能量,這就是通常所說的振動式發電機(VEPG)。普萊默集團(Premo Group)正開發微型VEPG,用來替代感測器網路應用以及低功耗微控制器中的電池在諸如穿戴式心跳監測系統或汽車TPMS等應用。這些微型VEPG能夠產生2mW至6mW的功率(足以替代2016或2032型小型電池)。

根據電磁定律,金屬圈中磁通量變化會使金屬線中產生電磁力。磁通量變化是由於金屬圈中不斷變化的通量密度或金屬圈的運動引起的。因此金屬圈的運動或振動會使金屬圈終端產生電壓,該電壓與金屬圈的截面積、引起通量變化的這種運動的相對運動和速度成正比。如果我們使用線圈的話,感應電壓還與線圈匝數成正比。

永磁一般產生對稱磁場,所產生的電磁力完全取決於磁通量密度的軸向分量(Bz)和徑向分量(Br),而與切向分量(BF)無關。由於感應電壓與軸向磁場和徑向磁場成正比,線圈與永磁的相對速度、其截面和線圈匝數都可以確定發電量。

普萊默集團聯合馬拉加大學、西班牙電子技術部和巴塞羅那(加泰羅尼亞理工大學CEIB組)的研究團隊,共同開發設計VEPG系統的完整工具。這種工具將包含一個擷取運動和振動資訊的完整的系統、用於處理數據的軟體應用以及用於製造原型採用有限單元的VEPG模擬工具。此外,他們還開發出一個功能測試系統(圖1),用來重現微型發電機通常工作的各種振動環境。


圖1:用馬達重現各種振動環境。VEPG被測元件(模糊)裝在一個運動的凸輪的頂端上。

要從振動系統或運動物體中擷取能量,確定這種運動或振動的參數會有很大幫助。設計VEPG所需的基本參數包括運動的頻率和振幅。

在一些VEPG應用中,例如用以監測馬拉松運動員各種參數的可穿戴式系統,需要同時驅動脈搏和溫度感測器以及顯示螢幕。普萊默集團已與馬拉加大學聯合開發出一種新型系統,不但可透過一系列感測器擷取運動數據,同時可執行一些高級應用,透過對解釋數據的正確判斷增加發電量。


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