双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。     

不同截面形状悬臂梁双晶压电振子发电能力建模与实验研究

为了研究截面形状对悬臂梁双晶压电振子发电能力的影响,本文根据压电方程和热平衡原理分别建立了截面形状为矩形、梯形和三角形悬臂梁双晶压电振子压电发电的数学模型,对截面形状对压电梁发电能力的影响进行了数值模拟与有限元仿真分析,并进行了实验验证。研究结果表明,在相同压电材料体积下,三角形压电振子最大输出功率为4.5mW,约为矩形压电振子的3.3倍,三角形压电振子相比于矩形和梯形压电振子具有更大的发电能力,可有效提高有限体积下压电振子的输出特性。     

随机激励下双稳态压电振动发电机的振动特性

基于双稳态压电振动发电机系统参数的非线性,建立了随机激励环境下压电振动发电机的动力学模型。研究了振源频率改变、振源个数选取和振幅变化对系统输出响应的影响,分析了磁间距变化对系统双稳态特性和输出电压的影响。结果表明:当振源频率或振幅改变时,系统响应表现为小幅周期运动、大幅混沌运动和小幅周期运动。当多个振源激励时,压电振动发电机具有更大的谐振带宽和更高的能量转换效率。当磁间距为3.9 mmd6.6 mm时,系统具有双稳态特性,系统响应表现为大幅周期运动,此时压电振动发电机输出电压值最大。     

振动式压电发电机的理论模型与实验

为了预测振动式压电发电机的谐振频率和输出功率等参数,Roundy等以悬臂梁末端挠度为自由度,建立了发电机的理论模型,但该模型忽略了质量块中心挠度与悬臂梁末端挠度的差异,在质量块长度较大时有较大误差．为了扩大适用范围,在考虑质量块中心挠度与悬臂梁末端挠度的差异基础上,分别将发电机结构简化为单自由度和二自由度系统,建立了悬臂梁式压电发电机的两个理论模型,其中的单自由度模型以质量块质心挠度为自由度,二自由度模型同时以质量块质心挠度和质量块转角为自由度．为了对模型进行验证,制作了压电发电机并进行了实验．实验结果表明,这两个新模型比Roundv模型的精度更高．     

用于振动能量收集的MEMS压电悬臂梁

本文介绍了一种MEMS悬臂梁器件,将环境中的振动机械能转化为电能.该悬臂梁的主体材料为单晶硅,其上覆盖一层用Sol-Gel法制备的PZT压电材料,利用压电材料的正压电效应实现机电能量的转换.论文给出了悬臂梁式振动能量收集器的一个简单理论模型.器件采用(110)硅基片,有利于通过湿法腐蚀制备质量块.质量块可以用来降低器件的谐振频率,并提高输出电功率.尺寸参数为3600μm×270 μm的器件样品的测试结果表明,在其谐振频率1673Hz,振幅为11nm的振动条件下,该器件的最大输出功率大于1nW,即0.11 μW/cm2.     

悬臂梁压电振动能采集器的集总参数模型和实验验证

压电振动能采集器是无线传感节点的一种理想电源,近年来受到广泛关注．考虑质量块和逆压电效应影响,建立了在基础激励作用下的悬臂梁压电振动能采集器的集总参数运动微分方程,得到了采集器固有频率的解析表达式．引入了2个反映压电层连接方式的常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的悬臂梁压电振动能采集器均适用的耦合电路方程．求解以上方程,得到了简谐基础激励下的输出电压表达式．实验结果表明,固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10％和20％．     

磁耦合式压电振动发电机的试验与分析EI北大核心CSCD

为提高环境适应性和可靠性,提出一种基于组合换能器的磁耦合式压电振动发电机,该发电机由纵振的耦合器和横摆的组合换能器构成。建立了组合换能器和磁力的COMSOL有限元模型,并进行了仿真分析,获得了组合换能器簧片长度比、厚度比及磁铁间距对发电机输出性能的影响。在此基础上,选取较佳的结构参数(长度比为0.57、厚度比为2),设计制作了样机并进行了试验测试,获得了激励磁铁和受激磁铁间横向距离L_(x)、纵向距离L_(y)、竖向距离L_(z)及负载电阻对发电机输出性能的影响规律。结果表明:激励频率f<20 Hz时,存在两个较佳谐振频率(由小到大分别记为f_(n1)和f_(n2)),使输出电压出现峰值。谐振频率及其所对应的电压峰值均随L_(x),L_(y)及L_(z)的变化而变化,故合理选择激励磁铁和受激磁铁间距可降低f_(n1)、提高f_(n2)及增大输出电压,有效提高发电机的带宽和环境适应性。存在最佳负载电阻使发电机输出功率达到最大,f=11 Hz,R=540 kΩ时所获得的最大输出功率达0.19 mW。     

宽频压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

压电振动能量采集器是一种新型的力(加速度)-电耦合转换输出器件,为了提高单自由度悬臂梁压电振动能量采集器的输出功率和工作频带,通过在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器的方法,构造形成了具有两自由度的宽频压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了宽频压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率并拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压,优化后的短路谐振和开路谐振最大输出功率分别达到4386.5 mW/g2和4263.4 mW/g2。频带宽度达到10 Hz,且是SDOF系统的5倍。     

用于微电池的压电悬臂梁电特性仿真

研究了一种带质量块的压电悬臂梁结构,利用压电薄膜的正压电效应将机械能转化成电能,可以用于振动能的收集。利用有限元分析软件ANSYS对结构进行建模,通过模态分析和谐波分析得到：悬臂梁在一阶模态时上下振动,形成恰当的工作状态;通过改变梁的各个几何参数和振动源的频率,得到了悬臂梁上下电极间峰值电压的变化情况;当振动源的频率为悬臂梁的一阶共振频率时,得到的峰值电压最大。     

基于模糊控制的压电挠性梁的振动主动控制实验研究

针对压电智能挠性悬臂梁进行了基于模糊振动控制研究.首先推导了压电智能挠性悬臂梁的控制方程.基于查表法设计振动模糊控制器,并在此基础上运用了一种修正技术提高模糊控制精度,提出采用修正Fuzzy-PI双模控制方法,设置信号阀值实现Fuzzy控制和PI控制的切换,设计了挠性悬臂梁振动主动控制算法.建立了压电智能挠性悬臂梁的实验平台,采用提出的控制方法对悬臂梁振动进行实验研究,实验结果表明:振动被快速抑制,系统的动态、稳态性能方面优于普通模糊控制器.     

电压激励的压电层合悬臂梁横向振动分析

以压电陶瓷-金属-压电陶瓷对称层合结构为研究对象,基于能量法得到了等截面压电层合对称悬臂梁在横向激振电压下的强迫振动微分方程。用ANSYS软件对建立的相关有限元模型进行模态分析、谐响应分析及瞬态动力学分析,仿真结果与理论值基本吻合,验证了理论的正确性。进一步分析了阻尼对横向位移响应的影响,讨论了速度、加速度随时间的变化规律,分析了压电悬臂梁的最大应力出现位置及最大应力值随时间的关系。所得结论可为压电振子的设计和分析提供必要理论参考。     

钝体摆动间接激励式压电风力发电机的研究

为满足风场环境中传感监测系统的自供电需求,提出一种钝体摆动间接激励式压电风力发电机,利用圆柱形钝体涡激振动产生的往复摇摆带动磁铁间接激励密封腔内压电换能器振动发电.介绍了发电机结构及工作原理,并进行了理论和试验研究,证明了其结构和原理的可行性.研究结果表明:其他条件确定时,输出电压随柔性梁长度和换能器质量增加以及耦合器...     

钝体结构对纵振式压电气流发电机性能的影响

为满足管道监测系统的自供电需求,提出一种复合钝体扰流纵振式压电气流发电机.介绍了发电机的结构、工作原理.通过理论分析与实验测试研究了钝体结构对其性能的影响,证明了发电机原理的可行性.研究结果表明:平均阻力随流速及直径比增加呈二次方增长,平均阻力系数随直径比的增大而增大,最后趋于稳定(5.34);对于柔性钝体发电机,直径...     

汽轮发电机转子磁拉力对弯曲振动的影响

探讨了采用预应力法求解发电机转子磁拉力与弯曲振动问题的可行性，导出了有关的计算公式。采用强应力法在ANSYS平台上进行了计算，自编有限元程序对结果作了验证。     

电极配置对悬臂梁压电振子发电能力的影响

研究了带末端质量块的悬臂梁压电振子多模态振动时的应变分布特点,针对压电陶瓷表面电极配置对压电振子输出电压的影响关系进行压电-电路耦合有限元分析,并建立悬臂梁压电振子发电测试系统,对工作在一阶和二阶谐振频率附近处的压电振子分段电极和连续电极输出功率进行对比分析。研究结果表明,一阶谐振时分段电极的峰值输出功率与连续电极相接近,二阶谐振时分段电极的峰值输出功率增加了900%。相比于连续电极配置法,分段电极配置法可有效提高压电振子在高频振动时的发电能力。     

激励力施加方式对结构振动特性影响研究

为了更合理地预测空压机结构振动特性,对CZ60/30型往复式压缩机进行有限元数值模拟,研究激励力施加方式对机体振动特性的影响。首先建立空压机机体有限元模型,并计算空压机机体受到的主要激励力。在进行活塞侧推力和气体力对气缸内壁的激励加载时,按照等活塞行程和等运行时间两种方式将一个运动周期分成10部分,分析不同激励力施加方式对计算结果的影响。结果显示等活塞行程分段方式仿真结果更能反映空压机低频振动特性,计算结果与实验数据较为吻合,证明了计算方法的可行性。     

气隙偏心对汽轮发电机定转子振动特性的影响

分析了气隙偏心故障时汽轮发电机定转子径向振动特征。首先通过分析发电机气隙偏心时气隙磁场变化,计算得到气隙磁导和气隙磁密表达式,然后得到作用于转子的不平衡电磁力特性和作用于定子的脉振电磁力特性,最终得到定转子径向振动特征。对于转子,静偏心将激发转子2倍机械转频的振动;动偏心将激发转子与转子机械转频同频的振动。对于定子,静偏心将激发定子2倍机械转频的振动;动偏心或动静复合偏心将激发定子1倍、2倍、3倍、4倍机械转频的振动。并实测了SDF-9型故障模拟发电机静偏心时振动信号,与理论分析结果基本吻合。     

压电悬臂梁机电耦合系统的建模及动力学特性分析

基于压电能量采集器中最为经典的压电悬臂梁模型展开研究。考虑悬臂梁的阵型信息和轴向应变分布,这导致与梁耦合的压电片的电边界条件复杂。分别基于均匀电场分布和均匀电位移分布的两种不同电边界条件,深入探讨压电悬臂梁的机电耦合原理和耦合特性,并建立机电耦合系统的数学模型;在传统一阶能量采集电路的基础上,在电路中加入电感,建立二阶电路,并改进数学模型;对于加入电感后的模型,2阶电路可以与其耦合的n自由度机械系统共同构成一个n+1自由度系统,从而可对耦合系统进行系统整体的仿真分析,同时深入研究不同电路元件对系统采集效率的影响,发现电感的加入可极大提高系统能量采集效率。     

轴向预紧力对变压器绕组振动特性的影响

研究不同预紧力下变压器绕组的振动特性,对所研究的220kN变压器的高低压绕组线圈通过振动实验和基于ANSYS的有限元分析两种不同方法来找出预紧力与变压器绕组振动的关系.