旋磁激励式圆形压电振子发电机

为满足旋转机构监测系统自供电需求,设计旋磁激励式圆形压电振子发电机,并着重研究磁铁尺寸、磁铁间距、压电振子厚度等对压电振子一次受激产生的最大输出电压及总能量的影响规律。结果表明,其它条件确定时,增加磁铁尺度或减小磁铁间距均可有效提高发电机输出电压及有效速带宽度。试验获得输出电压大于12 V的转速范围为100~2 850 r/min。压电振子厚度对输出电压及总发电量均有较大影响,低转速时采用薄压电振子、高转速时采用厚压电振子有助于提高发、供电能力。0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm厚压电振子最佳转速分别为707.5 r/min、1 301.8 r/min、2 490.4r/min,0.2 mm厚压电振子一次受激产生的电能/功率分别为0.4 mm、0.6 mm压电振子的3.1/1.7倍、6.4/2.0倍。以输出5 V供电电压为例,912 r/min时0.4 mm厚压电振子输出电能为0.6 mm厚压电振子的5倍,1710 r/min时0.6 mm厚压电振子的输出电能为0.4 mm压电振子的1.7倍。     

多振子串联压电俘能器性能分析与测试

为实现低频、大振幅、高强度振动能量回收,提出多振子串联压电振动俘能器,在理论、试验两方面研究压电振子数量/电学连接方式、集中质量及激励频率等对其性能影响规律。结果表明,增加集中质量及压电振子数量均可有效降低俘能器基频、提高发电量/输出功率;压电振子电学串/并联时输出电压及使输出功率最大、最佳负载不同,但产生的电能及在最佳负载下的输出功率相同。制作1/2/4组压电振子构成的俘能器,进行不同集中质量、频率、压电振子电学连接方式及负载的对比试验。单组压电振子在集中质量292 g的最佳频率及发电量分别为集中质量36.5 g的0.6倍、1.92倍;4组压电振子电学并联时的最佳频率及发电量分别为单组的0.58倍、2.2倍;两组压电振子电学串/并联的最佳负载及最大输出功率分别为42.3/10.6 kΩ、232.8/202.7 mW。     

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的质量降低而增加,锁频带宽随柔性梁长度增加以及耦合器和换能器的质量降低而增加;此外,存在最佳负载电阻使输出功率达到最大。     

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。     

一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器EI北大核心CSCD

为满足气流管道监测系统的自供电需求,提出一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器。建立了俘能器的理论模型并进行了仿真分析,设计制作了样机并进行了试验测试,获得了磁铁排布、附加质量、压电振子串并联及负载电阻对其输出特性的影响规律。结果表明:在其他条件确定时,存在多个较佳气压使输出电压出现峰值,主频峰值的大小和分频的位置均与激励磁铁排布有关;通过附加质量可以调节最佳气压和输出电压峰值,采用多个不同附加质量的压电振子串联或并联可以拓宽俘能器的气压适应范围;存在不同的最佳负载使多个压电振子串联和并联时俘能器的输出功率达到最大,最佳负载及其所对应的最大输出功率分别为(40 kΩ,41 mW),(15 kΩ,50 mW)。     

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。     

三角形状压电振子压电特性分析与仿真

(压电振子的几何形状是影响其振动发电的重要因素之一。在相同压电材料体积下,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。选用悬臂梁式三角形状压电振子作为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS进行仿真研究。建立有限元模型;通过静力学和模态分析,研究压电振子的几何形状对其输出电压、固有频率的影响规律,然后在满足原来输出电压不下降的前提下对其进行尺寸优化,提高单位体积的发电能力。在相同边界条件和外力作用下,优化尺寸模型的体积是原来的0.94倍,输出电压是原来的1.03倍,取得了很好的优化效果。     

大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

针对大位移压电陶瓷驱动器，研究了压电陶瓷双晶片的驱动效能。基于压电陶瓷材料的逆压电效应，应用压电陶瓷双晶片在机械自由、电学短路状态下，一片加正向电压缩短另一片加反向电压伸长共同作用产生弯曲变形，通过组合设计将压电陶瓷双晶片的弯曲变形位移叠加起来，实现了压电陶瓷驱动器的大位移输出。在相同电压的条件下，此压电陶瓷驱动器的输出位移量比叠层驱动器有较大的增加，达200μm，结构尺寸也大大减小。该驱动器不需要位移放大机构，可直接应用于有大位移要求的机构驱动。     

磁铁夹持式压电俘能器输出性能分析与试验

为满足旋转机械监测系统的自供电需求,针对旋转式压电俘能器存在可靠性低和频带窄的问题,提出一种磁铁夹持式压电俘能器。利用MAPLE仿真软件建立了俘能器动态响应模型,通过仿真分析和试验研究得出了磁铁夹持具有调频的作用。研究结果表明:存在最佳转速使俘能器峰值电压最大,且谐振峰数及最佳转速随动磁铁数增多而减小;随着动磁铁数的增多,激振力的表现形式会由一般周期激励变为简谐激励,最后变为偏置的简谐激励;当动磁铁数为4时,改变中心距L和夹持间距D便可间接改变俘能器系统等效刚度,实现其谐振频率的调节:当L为0,2,4mm时,俘能器出现最大峰值电压所对应的激励频率分别为46.4,38.4,31.2Hz;当D为1,4,7mm时,最大峰值电压所对应的激励频率分别为46.4,38,36Hz,拓宽了俘能器的有效工作频带。此外,在动磁铁数为4,L为0,D为1mm和转速为666r/min时,存在最佳负载400kΩ使俘能器输出功率达到1.3456mW。     

激励环境下rainbow型压电换能器发电性能分析

为提高有限体积rainbow型压电换能器的能量收集能力,针对外力和外界位移两种激励环境,通过数值模拟分析了换能器输出电压与结构参数及材料特性的影响关系。结果表明,在外力激励环境中,随着宽度及初始曲率半径的增加,换能器的输出电压单调减小;随着长度和弹性模量比的增加,换能器的输出电压不断升高;随着厚度比的增加,换能器的输出电压将呈现-最大值。在外界位移激励环境中,随着厚度比、长度和弹性模量比的增加,换能器的输出电压不断降低;随着初始曲率半径的增加,换能器的输出电压不断升高;而宽度对换能器输出电压的影响可基本忽略。另外,不论在何种激励环境中,换能器内侧压电薄膜的输出电压都要大于外侧压电薄膜的输出电压。     

砧骨激励式压电振子听力补偿性能实验

针对传统压电式人工中耳输出增益较小、工作频带窄的问题,提出利用压电叠堆型压电振子激振砧骨体来补偿听力。为验证该方案的可行性,搭建由送声器、测声探管、压电振子及激光测振仪等构成的颞骨实验台,对振子动态特性、听骨链在声激励下及压电振子激振下的动态特性进行了测量。通过对比分析镫骨在两种激励下的运动情况,研究压电振子的听力补偿情况。结果显示,该砧骨激励式压电振子在低功耗、低电压下,便能对听力损伤进行有效补偿。此外,该压电振子听力补偿时还具有高频性能优异的特点,一方面在同等驱动电压下,高频补偿能力更强,能激起高达130 dB鼓膜声激励对应的运动幅度;另一方面,对高频段听力补偿时,具有较高的清晰度。     

磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器发电性能试验研究EI北大核心CSCD

针对线性的压电振动俘能器俘能频带过窄,输出较低等问题,提出了一种磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器。俘能器由带永磁铁的I型压电梁和L型压电梁组成,可通过调节两永磁铁间的水平距离,得到不同的非线性磁力耦合效应。试验结果表明:存在最优电阻使压电俘能系统的输出功率最大;对比无磁力系统,磁力耦合的I-L组合压电梁俘能器共振频率发生了明显的偏移:I型压电梁向左偏移,L型压电梁向右偏移,拓宽了系统的俘能频带;当激励加速度为0.2 g水平距离为20 mm、激振频率为18.4 Hz时,俘能器最大可得到1.2 mW的输出功率。     

双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机

为了丰富平面超声电机的型式,提出一种双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机。利用双十字压电振子的纵杆面内、面外弯振耦合以及横杆面内、面外弯振耦合,分别在两杆的驱动足上合成沿xoz、yoz面行进的两相椭圆轨迹,以交替地推动动子沿x、y向移动。分析了该平面超声电机的驱动机理,并推导出两相椭圆轨迹方程。建立了双十字压电振子机电耦合模型,对其三相工作模态的振型进行仿真分析,并在结构优化的基础上实现了三相工作模态频率一致,使它们分别为43 468,43 552和43 569 Hz。仿真了双十字压电振子的频响特性并实现了干扰模态分离,当驱动电压为250 V时,驱动足x、y、z向振幅分别为1.3,0.8和0.9 μm,满足电机驱动要求。模拟得到定频激励下双十字压电振子驱动足的两相椭圆运动轨迹,验证了所设计平面超声电机驱动机理的有效性。该平面超声电机可输出较大速度与动力,具有广阔的应用前景。     

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。     

基于宽频-多模态的复合俘能器的解析模型与实验研究

为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量和非线性。基于此混合振动俘能器建立了改进型连续体机电耦合解析模型,并由龙格-库塔算法进行了求解。在此基础上,研制了振动俘能器原理样机,并搭建了实验系统,通过实验和解析评估方法完成了单一式和复合式俘能器性能比对和评估;研究表明,所研究的混合型振动俘能器相对常规振动能量俘集原理可实现较宽的频率范围及多模态振动能量俘集,且能量俘集效率明显提高,具有较好的应用前景。     

碰撞式微型压电风能采集器实验研究(英文)

为提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低风速下的输出功率,设计了一种新型的碰撞式微型压电风能采集器.采集器主要由圆柱形钝体、铰接分隔板、压电悬臂梁和支架组成.通过铰接分隔板和压电悬臂梁的碰撞有效降低了采集器的工作风速.加工制作了采集器的原理样机并在小型风洞内进行了实验测量.通过实验发现分隔板与压电片横向间距对采集器的工作风速和输出功率有很大的影响.压电悬臂梁自由端添加质量块可以提高输出功率.风速15 m/s、外接200 kΩ优化负载时,采集器最大输出功率为64μW.     

多方向压电振动能量收集装置及其优化设计

摘要：为实现对不同方向环境振动能量的收集,提出了一种新颖的多方向振动能量收集装置的设计结构,装置的换能部分采用了一种Rainbow型压电结构。为提高多方向振动能量收集装置收集能量的效果,以多方向振动能量收集装置输出的总电能为目标函数,综合考虑金属弹性基片的强度、装置振动的固有频率及装置的尺寸空间要求等多种因素,采用序列二次规划法对能量收集装置的结构参数进行了优化。该多方向振动能量收集装置经过优化后,在Y向激励时,其输出的总电能为37.146μJ,比优化前提高了30.82%,当沿装置体对角线方向激励时,结构装置输出的总电能为58.715μJ,比优化前提高了29.24%,装置的能量收集效果得到了明显提高。分析结果为多方向振动能量收集装置的设计、制造及应用提供了技术依据。     

新型压电直线式振动送料器设计

目的为了满足现代工业领域中对轻、薄、小产品平稳输送的要求,设计一种利用压电双晶片振子惯性力作为驱动源的新型直线式振动送料器。方法在对振动送料器的工作原理进行分析的基础上,建立压电振子动力学模型,利用Matlab软件分析振子长度和质量对冲击力与变形量的影响,研制送料器样机并进行性能测试。结果当振动频率为209.5～214.5Hz时,送料器具备输送物料的能力;当系统共振时,输送速度最快,随着电压的增加,送料速度呈线性关系增加。结论与同型号的电磁振动送料器相比,研制的压电直线式振动送料器消耗电流仅为其14%,工作噪音下降了17 dB。与同型号日本压电送料器相比,输送速度提高了10%。     

新型旋转式压电惯性电机振子的冲击振动分析

新型旋转式压电惯性电机,是一种利用压电双晶片振子作为驱动元件,利用锯齿波作为激励电信号产生惯性冲击力的旋转电机。本文研究压电惯性电机振子在pzt元件激励下的冲击受迫响应。推导出了压电陶瓷片两端电压响应方程,以及压电振子梁的冲击受迫响应方程。分析了激励信号频率对振子梁端部响应的影响规律。同时,分析了不同激励信号占空比情况下振子梁端部响应变化规律,以及结构参数对电机驱动力矩的影响规律。分析了提高电机驱动力矩的有效途径。