随着现代便携式电子设备的发展, 传统化学蓄电池存在储存电能量少、使用寿命短等缺陷, 在一定程度上已经不能够满足现代电子设备的要求。特别是在部队现代化建设过程中, 现代化电子设备大幅度发展^[1-2], 而这些设备都需要稳定持续的电源供电, 若利用传统化学电池供电, 这些为设备供电的电池将是人们的沉重负担^[3]。此外, 传统化学电池存在着明显的缺陷：其一，存储能量和供电寿命的有限性, 使其在使用期限后需要更换, 造成环境污染和回收难题; 其二, 由于传统电池体积的限制, 制约了用电装备的微型化和集成化。因而, 对光、热、风、波浪、潮汐能等新能源的采集和利用越来越受到人们的关注, 然而对这些能源的利用受到地域、时间等诸多条件限制。对人体机械能的采集和利用，因其广泛的分布和全天候不间断运行而在国内外受到了研究者广泛的关注^[4-7]。人体行走过程中的肢体运动蕴藏着丰富的能量^[8], 而且便于采集和利用。在不影响人类正常活动的情况下, 研究一种能量采集装置, 将人体运动中源源不断的能量转化为稳定的电能，为这些电子设备提供电源, 将为未来生活中带来极大的便利。

目前, 如何利用能量收集技术实现振动能的转换是一个很有应用前景的课题^[9]。电磁式能量采集方式的研究是实现振动能量转化的重要方法, 其研究较为成熟。早在2003年, 香港中文大学研制了一种AA电池微型发电装置^[10], 发出1.44V的峰-峰电压和20μW的功率输出。王佩红等人研究了一种三明治电磁能量采集器^[11]，可产生125mV的最大输出电压。Duffy和Carroll^[12]提出了一种放置于鞋底内的收集人行走能量的滑动磁铁发电机，可提供输出功率仅为1mW。针对目前关于电磁式能量采集器的研究大多具有输出电压低、输出功率小的问题, 故而, 此后的研究主要集中在小型可穿戴化和输出电压、功率的提高以达到可实际利用上。LI Jiehong等人提出了一种置于手腕的永磁体摆锤作为转子的微型发电装置^[13]，可产生约100mW的最大输出功率。但相比于人体运动所产生的动能来说仍然很小。

为了进一步提高输出电压和功率, 本文首先设计了一种非平衡转子式便携式电源装置, 然后阐述了理论分析, 最后进行仿真实验的验证。

1 人体动能发电装置结构设计

本文提出一种新型非平衡转子式人体动能采集与转换装置的整体模型，结构图如图 1所示。该装置直径为10cm、厚度为5cm。该模型主要被气隙分隔为多组线圈组成的定子和转子结构两部分, 气隙间距初设为5mm; 定子厚度为25mm, 由12组线圈和铁芯组成; 转子厚20mm, 由4块永磁体组成。定子和转子两部分通过中间气隙磁场耦合形成统一整体，定子结构如图 2所示。转子结构分别建立了长方体和扇形柱体两种永磁体结构模型。该装置可置于人体脚踝部位, 随着人体脚步的运动, 非平衡转子通过采集人体运动的能量而发生旋转运动, 经过中间气隙与定子绕组的磁场耦合, 将转子的旋转动能转化为线圈中的电能输出。

在长方体永磁体结构模型中, 转子由4块相同尺寸的长方体钕铁硼永磁体和环氧树脂填充材料组成，结构如图 3所示。扇形柱体永磁体结构模型中, 转子由4块相同尺寸的扇形柱体钕铁硼永磁体和环氧树脂填充材料组成，结构如图 4所示。

2 理论分析

发电装置的运动方程可通过非平衡转子得到^[14]。将振荡X_(t)=A_xsinωt施加到发电机, 得出其垂直布置时的转子运动方程，

(1)

其中, m是转子质量, a是从旋转轴线到转子质心的距离, A_x为输入加速度幅值, J为惯性矩, θ为转子的旋转角, ω为所施加振荡运动的角频率, C_e为机电阻尼。

转子自激励旋转的初始条件为

(2)

(3)

式(2)表明, 转子需具有一定的初始角速度才能形成连续的自激旋转。式(3)表明, 电磁阻尼不能太大。

发电机的开路电动势的值为

(4)

其中, V_Tem为发电机的开路电压, B为线圈有效长度所在位置的剩余磁场, 线圈的有效长度l_eff与其实际长度l_w的关系表达为为, l_r为转子的半径。

线圈螺线的实际总长度约为

(5)

其中, N_T为线圈总匝数, D₀为线圈的外径, D_i为线圈的内径。

由于永磁体旋转过程中远离线圈, 距离磁体z处的线圈剩磁, 可重新计算为^[15]

(6)

其中, t_m为磁体厚度, r₁为磁体半径。

传递到负载电阻的功率可表示为

(7)

其中, R_L为发电机外接负载电阻, R_Tint为发电机内部线圈的电阻。发电机内部线圈电阻由导线的电阻公式可计算求得。

由上述分析可以得出, 最大功率输出值产生在负载电阻值等于电机内电阻值处, 且电磁阻尼的大小将取决于负载电阻的大小。故输出功率可由电磁阻尼来表达, 电磁阻尼值可由线圈和磁体间电磁力引起的扭矩计算。

由电磁阻尼引起的转矩可以定义为

(8)

由式(1)可得电磁转矩为, 代入式(8)中, 则电磁阻尼可表示为

(9)

上式表明, 发电机的电磁阻尼取决于动能采集装置的负载电阻, 并与之成反比。

3 电机有限元仿真实验

根据前两节对非平衡转子进行能量采集以及转换装置模型的建立和理论模型的分析求解。在取得装置的模型以及运行参数后, 本文对模型进行了实验的仿真, 利用Ansoft电磁场有限元仿真软件对该发电装置模型进行了材料的添加和计算参数的设置, 并进行了对模型的求解和验证分析, 最终得到装置在运行过程中的电压、电流和功率等相关数据。

将计算类型设置为瞬态场分析, 在仿真参数设定中, 将转子的转动速度设定为人体正常行走的步速2Hz, 为简化计算模型, 将非平衡转子在采集人体行走过程中的动能后的旋转假设为匀速旋转。将外接负载设置为阻值为64.7Ω纯电阻负载, 外接负载电路图如图 5所示。

通过Ansoft瞬态磁场仿真运行, 并对实验数据进行处理, 可得到长方体永磁体转子模型输出电压和输出电流随时间变化的波形如图 6(a)和6(b)所示，以及扇形柱体永磁体转子模型的输出电压和输出电流随时间的变化的波形如图 7(a)和7(b)所示。

从图 6(a)可以看出, 长方体永磁体转子模型的输出峰值电压约为10.625V，从图 6(b)可以看出, 其输出峰值电流值约为0.16A。由图 7(a)可以看出, 扇形柱体永磁体转子模型的输出峰值电压约为12.2V, 而图 7(b)中的数据表明, 其输出峰值电流值约为0.19A。

根据图 6和图 7中的电压、电流随时间变化示意图可知, 随着转子的旋转, 两种永磁体转子模型的输出电压和输出电流均以近似正弦波形输出，参数数值随时间变化, 故而可依据电压和电流的有效值公式计算得出, 两种永磁体结构的非平衡转子发电机模型的输出功率分别可达约0.85W和1.159W, 相对于前期同类研究的毫伏级电压输出、毫瓦级功率输出的结果, 在输出功率和输出电压数值上有了极大的提升, 为后续电能利用的深入研究奠定了坚实基础。

4 结语

本文研究并设计了一种非平衡转子发电装置来收集和转换人体的动能, 分别对长方体和扇形体两种永磁体结构模型进行了分析。该发电装置是直径为10cm、厚度为5cm的圆柱体发电机, 体积较小, 适合放置于人体踝关节处进行与人体的结合。仿真结果表明, 输出最大峰值电压可达10.625V和12.2V, 在外接64.7Ω的负载下, 可输出功率分别约为0.85W和1.159W。结果表明, 该装置具有很大的后续利用价值。对永磁体尺寸、线圈直径、铁芯等参数的优化具有极大的意义。此外, 文中没有对不同负载下的输出参数变化以及外接整流稳压电路进行研究, 这有待于在后续工作中作进一步的研究与实验。