新型振动能量采集系统的设计与性能测试

利用磁控形状记忆合金(MSMA)逆效应设计了一种新型高效振动能量采集器,建立并分析了振动能量采集器的结构模型,对采集器的各部分结构进行了理论分析与计算。通过ANSYS仿真软件对所设计的采集器结构进行了有限元分析,验证了各部分结构参数和材料选型的正确性。在仿真的基础上,通过搭建实验平台,进行了MSMA振动能量采集器样机测试实验,改变输入应力频率和幅值,得到不同输入条件下感应电压的输出曲线。实验结果证明了利用MSMA材料将机械振动能转化为电能的可行性和有效性。     

一种悬臂梁式MSMA振动能量采集器研究

振动能量在自然界中广泛存在,利用智能材料收集振动能量为微电子系统供电是新能源领域的发展趋势。该文利用新型智能材料磁控形状记忆合金（MSMA）的逆效应研究设计了一种基于悬臂梁式的MSMA振动能量采集器,对采集器的各部分结构进行理论分析和系统设计,并建立了振动能量采集器的结构模型。利用ANSYS软件对磁场进行有限元分析,验证了磁场回路和磁感应强度满足采集振动能量的要求。在此基础上,研制了采集器样机,并通过搭建实验平台对采集器进行实验测试,结果表明,该悬臂梁式MSMA振动能量采集器具有较宽的振动能量采集频带,输出电压可达220 mV,为振动能量的收集利用提供了参考依据。     

悬臂梁双晶压电片不同连接方式发电性能

为了更加有效提高双压电振动能量采集器的发电效率,以双晶压电片为研究对象,设计了一种可收集电动机机械振动能量的双压电振动能量采集器。探究了电动机不同转速下,双晶压电片不同连接方式的内阻和发电特性;分析了电动机在不同转速下,双晶压电片不同连接方式时双压电振动能量采集器输出电压和输出功率的特性。理论计算与实验结果进行对比,选择一种最优的双晶压电片连接方式。     

微型热电能量采集器的研究进展

热电能量采集器是一种基于塞贝克效应,利用温差将热能直接转化成电能的温差发电装置.由于其体积小、重量轻、寿命长、无机械运动部件、绿色环保等优点,微型热电能量采集器(MTEG)已经引起了国内外的广泛关注.综述了微型热电能量采集器在国内外的研究进展,介绍了温差发电的工作原理,从热电材料和器件结构两方面重点探讨了微型热电能量采集器的研究现状.对微型热电能量采集器未来的发展方向进行了分析和预测,认为积极寻找具有高优值系数的热电材料制备易于加工和集成的高性能的微型热电能量采集器是未来研究工作的目标.微型热电能量采集器有广阔的应用前景.     

倾斜异长组合型压电能量采集器设计与仿真

振动是自然界中普遍存在的现象,而压电材料可以将外界振动的机械能转化为电能,为微型机电系统、无线传感网络和嵌入式系统等提供能量,从而使得器件降低对电池能源供应的依赖。为了拓宽压电能量采集器的工作频带并提升其能量采集效率,该文设计了一种倾斜异长组合型压电能量采集器,通过理论分析得出该能量采集器的固有频率以及压电能量采集器的各组模态振型,通过有限元分析证明了理论推导的正确性,验证了在该设计中压电悬臂梁组数对压电能量采集器的影响规律。结果表明,倾斜异长组合型压电能量采集器可以实现多模态下的振动能量采集,提升能量采集效率。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

风车型低频压电振动能量采集器的研究与设计

基于微机电系统（MEMS）设计了风车型结构的压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能,用以解决环境中低频能量采集的问题。风车型结构的压电振动能量采集器以硅为基底,以PZT 5A为压电材料,包含上、下电极;4条悬臂梁旋转连接中心质量块与四周固定端,类似于风车结构。数学建模与有限元仿真分析表明,在结构尺寸与材料相同的情况下,圆弧风车型结构的谐振频率较直接连接、直角连接结构的谐振频率更低;4条悬臂梁距离中心质量块越远,谐振频率越低;在0.1g(g=9.8 m/s2)加速度谐振状态下,输出电压约为6.2 V,最大位移接近1.2 mm。基于MEMS工艺,通过IntelliSuite软件研究和定义了风车型振动能量采集器的工艺流程。     

三轴电磁式振动能量采集器设计与验证

针对传统化学电池需定期更换并进行周期性充电、在户外环境无法长期稳定供电的问题,设计了一种悬浮式电磁振动能量采集器。基于电磁感应原理对能量采集器进行了理论分析,制作了三轴电磁式振动能量采集器,分别在X、Y、Z三个方向布置振动能量采集器单体,设计了能量转换电路,将收集到的电能转变为3.3 V直流电。开展了台架测试和应用场景测试,结果表明,振动能量采集器单体在振动幅度为10 mm、振动频率为9 Hz时输出性能最高,最大输出功率为43.11 mW。探究了振动能量采集器单体在不同振动幅度和振动频率下的直流输出性能,在振动幅度大于10 mm、振动频率为4～8 Hz时可为LIS3DH加速度传感器稳定供电。通过沿X、Y、Z轴布置的振动能量采集器单体阵列,使振动能量采集器具备全方向收集振动能量的能力,大大提高了收集振动能量的效率与适应性。该采集器可应用于诸如机器振动、波浪、人体运动等多种场景的振动能量收集,实现为无线传感网络节点等低功耗用电器供能,具有一定应用价值,可为研究低功耗电子元器件的自供电技术提供参考。     

压电能量采集器高效能量提取接口电路设计

压电能量采集器能把环境振动能转换为电能,该文基于如何将压电能量采集器转化电能最大化提取的研究,提出了一种压电能量采集器高效能量提取接口电路,采用有源二极管整流电路降低了整流过程中的导通压降损耗,电感同步开关电荷提取电路有效提取了寄生电容中储存的电能。利用华虹宏力0.11 μm CMOS工艺进行电路设计和版图布局。测试结果表明,接口电路可提取80.4%寄生电容中存储的电能,20 kΩ电阻负载下导通压降为20.2 mV,在加速度5g(g=9.8 m/s2)和频率40 Hz条件下平均提取功率是标准接口电路的2.58倍。该芯片可应用于基于振动能供电的无线无源传感节点等领域。     

线性三自由度低频压电振动能量采集器

基于线性多自由度振动的概念,提出并设计了一种线性三自由度(3DOF)振动能量采集器。该能量采集器包括一、二阶传动梁及传统单悬臂梁。数学建模及有限元仿真结果表明,多阶传动梁垂直相接构成的线性多自由度系统可有效调节并降低系统的工作频率。实验结果表明,线性三自由度能量采集器在0~100 Hz频率范围内,具有3个电压峰值,有效带宽15Hz,与理论分析相吻合。另外,与传统单悬臂梁能量采集器相比,工作频率降低,频带扩增275%。     

压电振动能量收集器的建模与响应分析

以多方向压电振动能量收集器为对象,建立系统的简化机电耦合动力学模型.利用COMSOL软件构建能量收集装置的有限元模型,分析了系统的振动模态,讨论了系统不同结构参数对其电压频域响应及负载功率阻抗匹配的影响.引入非线性磁力,探究了不同磁间距对电学响应的作用.结果表明,能量收集器在y方向1g(g=9.8 m/s2)加速度载荷...     

Energy Harvesting from Ambient Vibrations with Arbitrary In-Plane Motion Directions Using a Magnetostrictive/Piezoelectric Laminate Composite Transducer

A magnetoelectric (ME) vibration energy harvester has been designed to scavenge sufficient energy from ambient vibration with arbitrary motion directions in a plane and over a range of frequencies. In the harvester, a circular-cross-section cantilever rod is adopted to extract the vibration energy due to its ability to host accelerations in arbitrary in-plane motion directions. The magnetic coupling between the magnet and the ME transducer results in nonlinear oscillation of the cantilever rod with increased frequency bandwidth. To achieve optimal vibration energy harvesting performance, the effects of the nonlinear vibration and the harvester parameters including the magnetic circuit and the separation distance on the electrical output and the?working bandwidth are analyzed. The experimental results show that the harvester can scavenge vibration energy in arbitrary in-plane directions, exhibiting a bandwidth of 4.0 Hz and maximum power of 0.22 mW at acceleration of 0.6g (with g = 9.8 m s^?2).     

一种新型悬浮磁体结构的双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器

针对地铁车辆轴温实时监测系统自供能的问题,文中提出了一种新型悬浮磁体结构的双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器,以便将车辆轴箱工作环境中存在的振动能转换为电能.基于机械集总系统模型和机电耦合模型,通过多物理场耦合构建了双自由度振动能量采集器有限元模型.加入内圈辐射充磁磁体,设计了新型悬浮磁体结构,并研究了在简谐激励下振动...     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

Study of Piezoelectric Vibration Energy Harvester with non-linear conditioning circuit using an integrated model

Piezoelectric vibration energy harvester (PVEH) consists of a cantilever bimorph with piezoelectric layers pasted on its top and bottom, which can harvest power from vibrations and feed to low power wireless sensor nodes through some power conditioning circuit. In this paper, a non-linear conditioning circuit, consisting of a full-bridge rectifier followed by a buck–boost converter, is employed to investigate the issues of electrical side of the energy harvesting system. An integrated mathematical model of complete electromechanical system has been developed. Previously, researchers have studied PVEH with sophisticated piezo-beam models but employed simplistic linear circuits, such as resistor, as electrical load. In contrast, other researchers have worked on more complex non-linear circuits but with over-simplified piezo-beam models. Such models neglect different aspects of the system which result from complex interactions of its electrical and mechanical subsystems. In this work, authors have integrated the distributed parameter-based model of piezo-beam presented in literature with a real world non-linear electrical load. Then, the developed integrated model is employed to analyse the stability of complete energy harvesting system. This work provides a more realistic and useful electromechanical model having realistic non-linear electrical load unlike the simplistic linear circuit elements employed by many researchers.     

四边简支板结构的挠电能量采集研究

为了研究正挠电效应在能量采集方面的应用，该文针对四边简支矩形板结构建立了挠电俘能器模型。 首先推导了在点激励作用下四边简支矩形板的动态响应；其次根据正挠电效应建立了由动态应变梯度引起的能量采集理论，并推导出外部负载电阻两端的输出电压与功率表达式；最后分析了不同的参数，如板的模态、激励位置、 挠电片尺寸、厚度与位置及负载电阻等对输出电压与功率的影响。研究结果表明，不同振动模态、贴片位置及挠电片厚度等均影响挠电能量采集的输出功率，该分析结果对优化板结构挠电俘能器的能量输出有实际意义。     

逆压电效应对串联非线性压电俘能系统的影响

逆压电效应将电量转变为机械运动。将多个俘能器以串联电路相连接,逆压电效应会使各个俘能器的运动状态发生变化,从而影响到整个俘能系统的性能。在建立了两个俘能器串联系统的机电耦合数学模型基础上,利用数值仿真的方法,研究了逆压电效应对系统动力学及俘能效果的影响。研究表明,只有当所有俘能器均为周期运动时,才能保证各个俘能器为周期运动,并在大振幅周期激励下,系统的平均输出功率达到最大,系统的俘能效果最好。如果有一个俘能器为混沌运动,则其他俘能器要么为混沌运动,要么为伪周期运动,系统的俘能效果会受到不同程度的影响。串联电路的参数对系统的俘能效果有明显的影响。