使用变压器建模一种可机缝的应变-应力传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Modeling a machine-sewable strain–stress sensor using transformers

电磁振动能量收集器的研究：基于矩形铁质悬臂梁和Galfenol层的设计，通过有限元模拟优化磁场分布与机械应力，实验在40Hz时达到峰值功率密度2.12mW/cm3，性能优于复杂结构。

　　在现代科技迅速发展的背景下，振动能量收集技术正逐渐成为一种有效的替代方案，以减少对传统电池和外部电源的依赖。这一技术的核心在于将机械振动转化为可用的电能，从而为无线传感器、物联网设备以及其他低功耗电子系统提供持续的动力来源。电磁振动能量收集器作为一种广泛应用的解决方案，因其成本低廉、结构坚固且易于制造而受到关注。本文介绍了一种基于矩形铁制悬臂梁、结合Galfenol层和两个立方磁铁的电磁振动能量收集装置，旨在实现一维振动能量的高效收集。该设计通过有限元模拟和实验测试进行了优化，最终在40 Hz共振频率下实现了2.12 mW/cm3的峰值功率密度，其性能与复杂设计相当，展现了其在实际应用中的潜力。

电磁振动能量收集的基本原理源自法拉第电磁感应定律，即通过机械振动改变磁体内部的磁场分布，从而在拾取线圈中产生电动势（EMF）。这一过程的关键在于磁场变化的幅度以及线圈的结构设计。为了提高能量转换效率，研究人员不断探索新的材料和结构配置。Galfenol作为一种磁致伸缩材料，能够将机械应力转化为磁化变化，进而通过法拉第定律在邻近的线圈中产生电压。因此，合理设计磁铁的尺寸和位置，以优化磁偏置场，成为提升该类能量收集器性能的重要手段。

在本文的研究中，通过有限元模拟（FEM）对磁致伸缩材料的磁-机械耦合特性进行了深入分析。研究团队采用商业软件对磁场分布和机械应力进行建模，从而确定Galfenol层的最佳工作点。模拟结果显示，当磁铁尺寸为6 mm和7 mm时，磁场强度达到最佳值（约8 kA/m），而过大的磁铁尺寸会导致磁场分布不均，影响能量收集效率。此外，通过分析磁铁与Galfenol层之间的距离，研究人员发现保持适当距离有助于磁场的有效传导，避免磁饱和效应，从而提高电压输出。

为了进一步验证模拟结果，研究团队对实际原型进行了实验测试。通过调整磁铁尺寸、悬臂梁厚度、线圈长度和绕线圈数，研究人员对不同配置下的共振频率和电压输出进行了详细分析。实验结果表明，当悬臂梁长度为8 cm、厚度为0.5 mm、磁铁尺寸为6 mm和7 mm、线圈长度为10.5 cm且绕线圈数为5000圈时，该装置在40 Hz共振频率下达到了最高的峰值功率密度。这一结果不仅验证了模拟的有效性，还表明通过合理设计，即使是相对简单的结构也能实现高性能的能量收集。

从实验数据可以看出，悬臂梁的厚度对共振频率和电压输出有显著影响。较厚的悬臂梁通常会降低共振频率，但同时也会增加机械阻尼，从而影响能量转换效率。相比之下，较薄的悬臂梁虽然能提供更高的共振频率，但其电压输出较低，且波形不够平滑。因此，设计中需要在共振频率和电压输出之间找到平衡点。此外，磁铁的尺寸和位置对磁场分布有重要影响，过大的磁铁尺寸会导致磁场不均匀，降低能量收集效率。而较小的磁铁尺寸则能更有效地集中磁场，提高Galfenol层的磁化变化幅度。

线圈的几何参数，如长度和绕线圈数，也对能量收集性能产生影响。实验表明，当线圈长度增加时，尽管可以覆盖更大的Galfenol区域，但由于磁铁附近的磁场强度较低，导致电压输出下降。同时，较长的线圈也会增加电感，降低能量转换效率。因此，设计中需要优化线圈长度，使其尽可能覆盖磁铁与Galfenol层之间的有效区域，同时减少不必要的电感损失。

该研究不仅验证了模拟结果的可靠性，还为未来设计更高效的磁致伸缩能量收集器提供了理论依据。通过结合磁-机械有限元模拟，研究人员能够准确预测装置在不同振动条件下的性能表现，并据此进行优化设计。这一方法显著减少了实验测试的次数，提高了设计效率。此外，研究还表明，Galfenol材料在适当的机械应力和磁偏置条件下能够实现更高的磁化变化，从而提升能量收集性能。

实验结果还表明，该装置的峰值功率密度达到2.12 mW/cm3，这一数值与一些复杂的磁致伸缩能量收集器相当，甚至在某些情况下更为优越。例如，与传统的机械弹簧或悬臂梁结构相比，该装置在相同振动条件下能够提供更高的输出功率。此外，该装置的体积仅为0.2 cm3，便于集成到各种传感器和物联网设备中，同时也能通过并联多个单元来提高整体电压输出。

综上所述，本文提出了一种简单但高效的磁致伸缩能量收集装置，其设计基于对磁-机械耦合特性的深入研究。通过有限元模拟和实验测试，研究人员成功优化了磁铁配置、悬臂梁尺寸和线圈参数，使得该装置在低频振动环境下实现了良好的能量转换效率。这一研究不仅为未来的能量收集器设计提供了新的思路，还展示了在实际应用中，通过合理设计和优化，即使是简单的结构也能达到高性能的水平。该装置的简单性和紧凑性使其在大规模生产和实际部署中具有显著优势，为实现自主、低功耗电子设备的可持续供电提供了可行的解决方案。