一种基于磁流体的新型磁电发电机

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：A novel magnetoelectric generator based on magnetic fluid

磁流体增强的磁电能量收集器通过优化大固定磁体-小移动磁体配置，利用磁流体悬浮和减阻技术解决超低频振动（<2Hz）能量收集中的机械摩擦和结构体积问题，实验验证在1.23Hz共振频率下实现3.62mW有效输出功率和40.3μW/cm3体积功率密度。

　　

尚兰|王思琪|秦晓然|赵星志|李德才

北京交通大学机械、电子与控制工程学院，中国北京100044

摘要

为了解决采集超低频振动能量的挑战，本文提出了一种基于磁流体的新型磁电发电机。该发电机为单自由度系统，利用电磁感应线圈在稳定的永磁体（PM）场中作为移动质量，连接到线圈上的小永磁体通过磁刚度进行调节，并借助磁流体的作用增强了阻尼效果。通过数值模拟评估了磁体间距、铁磁极片和线圈连接配置对自然频率和能量转换效率的影响。实验结果表明，该发电机在1.23 Hz的共振频率下可实现最大有效输出功率3.62 mW。此外，优化后的单排永磁体结构在输出功率和体积功率密度方面表现出更好的平衡，输出功率为3.17 mW，体积功率密度为40.3 μW/cm3。

引言

随着物联网和低功耗无线传感网络的快速发展，采集环境振动能量已成为替代传统电池的一种有前景的解决方案[1]。低频振动能量（通常<2 Hz）广泛存在于海浪[2]、风[3]和人类活动[4]中，具有高密度和周期性。已经研究了多种转换机制，包括压电、静电和电磁方法，用于振动能量采集[5]。与压电和静电采集器相比，电磁能量采集（EMEH）通常更适合超低频和大位移条件，因为它依赖于电磁感应而非材料应变或静电偏压，并且具有稳定的输出电流特性[6]。因此，EMEH在低频能量采集应用中得到了广泛研究[7]。

然而，高效捕获超低频振动仍然是传统EMEH系统面临的主要挑战。大多数现有设计采用刚性机械悬挂装置（如弹簧或悬臂梁）来支撑移动磁体或线圈[8]。这些固接结构不可避免地引入了机械摩擦、磨损和疲劳效应，导致额外的阻尼和长期可靠性问题。此外，为了匹配极低的环境频率（例如约1 Hz的海浪），机械悬挂装置通常需要较大的惯性质量或非常低的刚度，这会导致结构笨重并限制了设备的微型化[9]。尽管已经提出了频率上转换技术和非线性动力学策略来拓宽工作带宽并提高采集效率[10]，但固接悬挂系统中由摩擦引起的阻尼这一根本问题尚未得到完全解决。

磁流体（MF）通过二阶浮力作用减少摩擦，从而提高能量采集效率。在非均匀磁场下，Kelvin体力使MF能够为磁性组件提供液体介质支撑，有效抑制固-固接触和摩擦引起的阻尼[11]，[12]。然而，现有的基于MF的采集器往往在波浪环境中的大振幅、超低频激励下存在结构复杂或稳定性受限的问题[13]。为了解决这些挑战，本文提出了一种新型磁电发电机，采用“大固定磁体-小移动磁体”配置。通过优化磁场分布，MF形成了稳定的液体轴承，既提供恢复力又起到润滑作用。这种设计消除了对机械弹簧的需求，显著降低了机械阻尼，并能够对约1 Hz的低频激励产生敏感的动态响应。

部分摘录

结构设计

发电机被建模为单自由度系统。如图1所示，该设备主要由定子模块和运动部件组成。定子为固定磁体和导向结构提供结构支撑，而运动部件由移动磁体阵列、感应线圈以及安装在中央连接杆上的铁磁极片组成，在外部激励下在定子通道内往复运动。

与依赖刚性的传统设计不同

模型与分析

使用Maxwell建立的磁恢复力模型分析了采集单元的自然频率，如图7(a)所示。在该模型中，参数$d$表示移动磁体和静止磁体之间的垂直距离。通过将$d$从25.5毫米变化到40.5毫米（以2.5毫米为增量），获得了相应的恢复力特性，如图7(b)所示。

图7展示了磁体间距对刚度和自然频率变化的影响

实验分析

制造了所提出的磁电能量采集单元的物理原型，包括亚克力框架、磁流体悬浮系统和感应线圈，如图12(a)所示。实验平台如图12(b)所示。使用悬臂梁提供低频激励，能量采集单元安装在悬臂梁的自由端。激励频率控制在0.5–1.5 Hz之间。测量线圈的输出电压以评估其电气性能。

结论

本文利用磁流体（MF）减少了单自由度系统中移动质量的阻尼。移动质量由能量采集装置的感应线圈组成，有助于永磁体（PMs）形成稳定的磁场。此外，连接到线圈上的小永磁体作为运动部件，受磁刚度的控制。理论分析阐明了系统的动态特性以及磁流体在悬浮和阻尼中的作用

作者贡献声明

尚兰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，资源准备。王思琪：指导，方法论。秦晓然：撰写 – 审稿与编辑，验证，概念化。赵星志：软件，概念化。李德才：指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。