磁控形状记忆合金振动发电机机理、结构及控制策略研究

The collection of environmental vibration energy to supply power of the electronic equipment has aroused the concern of science and technology researchers. However, so far, the research on collecting vibration energy with using magnetically controlled shape memory alloy (MSMA) has not yet been reported. Based on the previous research of MSMA in magnetically controlled characteristics, energy conversion, as well as actuators and sensors supported by National Natural Science Foundation, this project will propose a design concept using MSMA to collect vibrational energy to generate electric power. The conversion properties and mathematical relationships between mechanical force, magnetic field and vibration frequency in MSMA will be discussed, and the energy collection and storage circuit, oscillator circuit, power management circuit and the control system will be simulated. Furthermore, the mechanism, structure and control strategy of the new generator system will be studied. On the basis of experimental studies, an integrated design and analysis platform will be built to simulate vibration energy production, collection, storage and management of the MSMA vibration energy collection and generator system. The mathematical model and control method of an MSMA intelligent micro power system will be studied. Finally, an intelligent control system of the MSMA vibration generator will be developed such that a concept prototype in a typical application environment will be developed.

通过收集环境机械振动能量给电子设备供电技术已经引起广大科技工作者的高度关注，但是直到目前，利用磁控形状记忆合金(MSMA)收集振动能量的研究成果还少见报道。本项目基于前期国家自然科学基金对MSMA磁控特性、能量转换特性以及执行器、传感器研究的基础上，提出了利用MSMA收集机械振动能量进行发电的设计理念，并探讨MSMA所受机械力-磁场-振动频率等的转换特性和数学关系，对能量收集存储电路、振动电路、电源管理电路及控制系统进行仿真；研究以MSMA为核心元件的新型发电机系统的机理、结构与控制策略；在实验研究的基础上，构建集振动能量产生、收集、存储、管理于一体的MSMA振动能量收集发电机系统的设计与特性仿真平台；建立MSMA智能微电源系统的数学模型及分析与控制方法，研究MSMA振动电机的智能控制策略及应用技术，研制具有典型应用背景的概念样机，并为该新型材料性能的深入研究及其应用开辟新的思路。

摘要：振动能量广泛存在于自然界中，利用磁控形状记忆合金（MSMA）逆特性可以将机械振动能量转换为电能，实现为无线传感器网络及微电子设备进行供电。本项目获得自然基金资助以来，取得了较好的研究成果。. 首先，重点研究了智能材料MSMA的磁场-机电能量转换特性和变形机理，对MSMA合金的静、动态特性实验数据进行了系统的分析，给出了外加磁场、预压力、温度等因素与MSMA材料变形之间的关系，分析振动能量的产生和收集原理，提出了利用MSMA振动发电的理论。. 其次，通过合理选取MSMA内部状态变量和相关参数，从微观和宏观两个方面，根据热力学及电磁学原理，建立了以MSMA为核心器件的智能微电源系统的通用数学模型。分析了机械力-磁场-电压-振动频率等的转换性质和定量数学关系，对MSMA合金的逆特性和系统的输出特性进行了仿真和实验研究，验证了MSMA用于振动能量回收的可行性。. 第三，对振动电机的能量转换电路、收集电路、存储电路及控制系统等电路进行合理设计和动态分析，设计了基于LTC3108和BQ25570等多种形式的自供电电源管理电路，完成匹配升压电路、交直变换电路、精密整流滤波存储电路、能量瞬间释放电路、稳压电路等的仿真和测试实验。结果表明，该系统有稳定的直流输出电压和较高的输出功率，实现了对微小交变信号的振动能量采集。. 最后，搭建了机械应力-振动频率-输出电压能量转换特性测试与仿真平台，确定了MSMA振动发电机系统的结构、保护电路和预压装置。对所设计的样机进行了有限元建模和电磁仿真分析，结果验证了样机各部分参数选择的正确性，实现了振动能量的转换、收集、存储、管理等功能。. 在理论分析和实验研究的基础上，设计并研制了集振动能量产生、收集、存储、管理于一体的MSMA新型发电机系统，分析了2台样机的具体结构和功能，提出了相关控制策略，设计了配套实验数据检测系统。同时，根据实验结果，改进和优化了电机的结构和参数，为MSMA在新型能源系统中的推广应用奠定理论基础，具有很好的理论意义和应用价值。