一种用于长期基础设施异常监测的频率上转换电磁能量采集器

自供电智能井盖系统通过六组紧凑型电磁发电机（Φ7cm×3cm）实现低频振动能量高效捕获，创新采用频率升频转换机制将道路脉冲振动转换为高频旋转运动，结合齿轮离合器和储能模块有效管理能量波动。实验表明系统峰值功率密度达41.6mW/cm3，平均功率1.04W，可支持15mAh电池30%充电并实现1小时连续运行。60天实地验证证实该系统兼具长寿命与高可靠性，为智慧城市基础设施提供可持续能源解决方案。

　　

毛新辉|张晨涛|张继远|曹峰|张宇阳|王志恒|王泽佳|常宏龙|吴金|范康琦|王飞|唐丽华|陶凯

教育部航空航天微纳系统重点实验室，陕西省微纳机电系统重点实验室，西北工业大学机械工程学院，中国西安友谊西路127号，710072

摘要

对于窨井盖而言，自给自足的能源解决方案对于减少对电池的依赖以及降低城市基础设施的维护需求至关重要。本文介绍了一种新型的智能窨井盖（SMC），该窨井盖集成了多个紧凑型电磁发电机（EMG），通过独特的频率转换机制，能够高效地将环境中的机械振动转化为连续的旋转运动。这种创新的机械设计结合了振动转旋转转换器、齿轮离合器和能量存储/释放模块，在冲击载荷下实现了连续的旋转加速，这一点通过机电耦合模型得到了验证。多物理场仿真确认了该装置的结构耐久性和优化的功率输出。这种优化设计使得紧凑型EMG（Φ7厘米×3厘米）能够实现高达41.6毫瓦/立方厘米的峰值功率密度和1.04瓦的平均功率。开发并展示了一个完全自供电的窨井盖异常监测系统（MC-AMS），该系统能够实时检测三轴加速度并进行多状态感知。在1赫兹的激励下，单个EMG可以同时为系统供电并为15毫安时的电池充电，在230秒内充电30%，从而实现总连续运行时间为一小时。此外，经过60天的实地部署，并定期收集加速度数据，证实了这种自供电系统的长期可靠性和实际可行性。本文中的SMC为智慧城市提供了能源自主性和峰值功率削减的双重好处。

引言

随着物联网（IoT）和5G技术的快速发展以及城市化进程的加速，智能管理城市基础设施已成为提高城市运营效率和确保公共安全的关键问题。作为城市基础设施的关键组成部分，智能窨井盖（SMC）集成了包括物联网、传感器和通信模块在内的尖端技术，以实现实时监测、异常报警和远程控制窨井盖状态[[1], [2], [3]]。值得注意的是，SMC在多个领域具有广泛的应用前景，包括市政基础设施（如道路系统和排水网络）、电力/电信设施以及环境监测系统，如图1(a)所示。SMC不仅有助于防止因窨井盖丢失、损坏或非法打开而引发的安全事故，还具有提供城市防洪、排水和环境保护所需关键数据的潜力[4,5]。然而，传统SMC对外部电源或电池的依赖带来了一些缺点，包括有限的能量密度、需要定期更换电池以及显著的环境污染风险[6,7]。这些问题导致了高昂的维护成本和有限的服务寿命。

同时，城市环境中蕴含着丰富的自然资源，包括太阳能[[8], [9], [10]]、风能[[11], [12], [13]]、水能[[14], [15], [16]]、地热能[[17]]、潮汐能[[18,19]]和振动能[[20], [21], [22], [23], [24]]，这些资源为可持续的城市发展提供了重要支持。人力能源[[25], [26], [27], [28]]和其他形式的能源也在城市能源结构中发挥着重要作用。现代技术方法现已能够收集和利用这些能源。研究人员基于不同的原理开发了多种类型的发电机，旨在将这些能源作为智能城市的潜在电源。在现有的技术中，压电[[29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]]、电磁[[40], [41], [42], [43], [44], [45], [46]]、静电[[47], [48], [49]]和摩擦电[[51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58], [59]]发电机代表了城市能量收集的主要技术途径。

摩擦电、静电和压电发电机通常具有结构简单和适应分布式能源能力强等优点。这些技术具有低成本[[60], [61], [62]]、轻量化设计[[63], [64], [65], [66], [67]]以及在低频下效率合理的特性[[68], [69], [70]]。然而，它们在需要高功率的应用中的部署往往受到输出功率较低或机械脆弱性等限制的阻碍。相比之下，电磁感应技术是一种成熟且被广泛采用的方法，以其高功率输出能力而闻名。由于电磁发电机（EMG）高效的机械能到电能转换能力，它们适用于各种规模的系统，从大型水电站和风力发电站到小型便携式装置，始终表现出优异的性能和可靠性。

Gholikhani等人[71]将电磁发电机集成到减速带装置中，实现了平均3.21毫瓦的输出功率，但该结构较为笨重且输出功率相对较低。Luo等人[72]设计了一种能够从超低频振动中收集能量的旋转振动能量收集器，在9公里/小时的速度下产生了85毫瓦的平均功率；然而，棘轮离合器系统中的固有摩擦和冲击可能会带来可靠性问题。Zabihi等人[73]报道了一种基于曲轴的电磁收集器，将平均功率提升至2.24瓦，但其体积较大且部署有一定难度。为了突破这些瓶颈，频率转换机制通过将低频激励转换为高频振荡显著提高了效率。Guan等人[74]开发了一种具有磁悬浮的双向能量收集地板，通过引入多级齿轮放大机制实现了4.04瓦的平均功率；然而，其较大的体积和集成程度需要关注。Tang等人[75]提出了一种Mag-Boost机制，利用突然的磁扭矩变化将低于1赫兹的超低频激励转换为超过50赫兹的高频振荡，从而显著提高了功率密度。此外，还引入了一种频率双倍提升机制[76]，该机制利用正弦凸轮和磁增强效应实现了超过120倍的频率倍增和1.07瓦的峰值功率。然而，这些工作中多级和复杂加速机制相关的能量损失以及材料耐久性仍然是挑战。因此，迫切需要开发出能够稳定进行频率转换且长期稳定的紧凑型能量收集器，以支持寿命长、自给自足的智能城市应用。

在这里，我们提出了一种新型、紧凑且耐用的SMC，集成了六个EMG。这些EMG能够高效地收集和转换来自城市道路的丰富机械振动/脉冲能量，将其转化为可储存的电能，用于自供电的传感。EMG的机械驱动系统由三个主要部分组成：振动转旋转转换模块、齿轮离合器模块和能量存储/释放模块。这一机械设计解决了振动能量收集中的两个基本挑战：（1）齿轮离合器和能量存储/释放模块能够有效积累和管理不可预测的冲击能量输入；（2）振动转旋转机制实现了频率转换策略，将低频环境振动转换为适合高效电磁生成的高频旋转。

此外，还对EMG的运动特性进行了研究并通过实验进行了验证。结果表明，在单次脉冲激励下，EMG可以在开路状态下保持超过一分钟的输出，平均功率输出为1.04瓦，最佳阻抗下的峰值功率密度为41.6毫瓦/立方厘米。此外，我们构建了一个自供电的窨井盖异常监测系统（MC-AMS）。该系统可以连续监测SMC的三轴加速度，并通过蓝牙将数据传输到计算机，有效防止安全事故。在1赫兹的脉冲激励下，单个EMG在能量管理后可以在230秒内为15毫安时的锂离子电池充电超过30%，从而使无线传感系统仅损失约13%的能量即可运行13分钟，从而实现自给自足的电池充电。本研究提供了一种有效的技术解决方案，减少了对外部能源的依赖，同时实现了智能城市中现场环境能量的收集和自供电传感及电池能量的自我维持。

本文从频率转换EMG的基本设计和建模开始，经过仿真、实验优化，最终将其集成到坚固的智能窨井盖原型中。随后展示了系统级别的验证，包括道路测试、能量管理和为期60天的自供电监测应用的实地试验，最后给出了结论性意见。

系统设计与工作原理

本节概述了所提出的SMC的整体配置和工作原理。描述首先介绍了SMC的主要结构组件，包括窨井框架、盖子和嵌入有EMG阵列的中央六边形能量核心。接着解释了MC-AMS的集成架构。最后介绍了将环境振动转换为可用电能的核心能量转换机制。

建模与仿真分析

基于概念设计，本节建立了全面的理论和仿真框架，以验证所提出的EMG的机电性能和结构完整性。它包括两个协同部分：首先，开发了一个详细的机电动态模型，用于数学描述连续加速能力和能量转换过程；其次，进行了耦合多物理场仿真，以评估结构承载能力

实验结果与讨论

本节进行了从组件级表征到全系统验证和实际应用演示的系统实验研究。研究结果分为三个逻辑部分，共同验证了设计，量化了所实现的性能指标，并确认了该系统在智能城市基础设施中的实际可行性。

结论

本研究提出了一种新型的自给自足智能窨井盖（SMC），其核心在于一种独特的机械设计，该设计能够高效地将低频、不规则的都市振动转换为持续的高频旋转，实现了超过10,000的卓越频率转换比率。这种机械设计确保了在冲击载荷下的连续加速，使得紧凑型EMG（Φ7厘米×3厘米）

CRediT作者贡献声明

毛新辉：撰写——原始草稿，概念构思。张晨涛：方法论，调查。张继远：软件。曹峰：验证。张宇阳：可视化。王志恒：形式分析。王泽佳：验证。常宏龙：撰写——审阅与编辑。吴金：撰写——审阅与编辑。范康琦：可视化。王飞：监督。唐丽华：监督。陶凯：撰写——审阅与编辑。