微压电式振动能量采集器的研究进展

给出了微压电式振动能量采集器的基本工作原理和物理模型。按照压电单元结构类型的不同,将其分为单一的直线型悬臂梁、直线型悬臂梁阵列、L型悬臂梁和圆形压电膜,分别讨论了各种类型的微压电振动能量采集器的优缺点。详细介绍了国内外各研究小组研制的微压电式振动能量采集器的结构参数、性能及其应用现状,分析针对目前研究中存在的问题,指出如果能在分析建模、压电结构及压电材料优化方面取得实质性进展,微压电振动能量采集器作为新型供能设备在MEMS系统和低功耗无线传感网络中的应用将会具有更加诱人的前景。     

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。     

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。     

一种回折梁结构低频压电能量采集器

为满足振动频率在一定范围内变动,且在空间有限的环境下无线传感器系统的自供能需求,设计了一种具有3个自由度的回折梁振动压电能量采集器。基于系统结构和工作原理,进行了理论分析及建立了回折梁结构有限元模型,并对该模型进行了有限元分析和模态仿真。制作回折梁压电能量采集器的原理样机,搭建试验平台,在振动台上进行试验。试验结果表明,理论分析、有限元模拟结果与实验结果吻合,在3.5～8.5 Hz低频振动下能产生大于5 V的电压,最高输出电压约为17.5 V,是传统单梁结构的1.4倍,且具有3个输出电压峰,工作带宽为传统单梁结构的4.5倍,实现了宽频效果。所提出的回折梁结构压电能量采集器在低频、振动频率变化的环境中有效且自适应。     

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。     

一种非谐振式MEMS电磁能量收集器

介绍了一种新型非谐振式微电子机械系统(MEMS)电磁振动能量采集器的设计、微加工和表征测试。该能量收集器由MEMS结构、线圈、小型化NdFeB磁体和陶瓷基板组成。建立结构模型对结构固有频率、位移和应力进行仿真。利用MEMS技术制备能量收集器结构和Al线圈等关键部件,并结合嵌有永磁体的陶瓷基板进行组装,在组装过程中使用Cu/Sn倒装焊键合技术将陶瓷与芯片互连,成功制备出能量收集器原理样机。利用振动台对样机性能进行测试,测试结果表明,实际加工能量收集器的谐振频率为5241Hz,在1m/s²固定加速度以及7Hz振动频率条件下,经电路100倍放大测得该能量收集器最大输出电压为257mV。     

基于抗磁悬浮的电磁感应式气流能量采集器

提出了一种基于抗磁悬浮技术的气流能量采集器,其由提升磁体、上热解石墨板、永磁体转子、针孔喷嘴和下热解石墨板构成。利用有限元软件COMSOL对能量采集器的磁场和流场进行模拟分析,同时使用ANSYS对线圈中的感应电压进行模拟分析,对所提出的气流能量采集器的悬浮特性、旋转特性和输出特性加以研究。实验中由于永磁铁转子受到重力和提升磁体施加在转子的磁吸引力以及热解石墨板的抗磁力,永磁铁转子受力平衡并自由悬浮于两个热解石墨板中间,在两个水平对称布置的喷嘴气流作用下旋转。通过理论分析,模拟和实验研究了能量采集器的输出特性,输出电压与能量采集器的气流之间的关系是二次函数,输出电压与转子转速之间的关系是线性函数。结果表明,当气体体积流量为2 748 cm3/min时,能量采集器的最大输出电压为3 V,最大输出功率为55.8 mW,悬浮转子最大转速可达20 000 r/min。当气体体积流量达到质量流量控制器的最大值时,能量采集器的输出电压仍然根据二次函数的趋势上升。由于实验中质量流量控制器的量程限制,此时的最大输出电压并不是气流能量采集器的输出电压上限。通过降低气流能量采集器各部件之间的机械摩擦,能够有效收集气流能量。     

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。     

弹性支撑切断式二自由度压电能量采集器研究

针对振动能量采集器对环境中振动能量响应频带较窄的问题,该文提出了一种弹性支承外部磁铁的非线性切断式二自由度压电能量采集器。该弹性支承保证了能量采集器处于双稳态中,实现了能量采集器的宽频带响应。建立了采集器的集中参数理论模型,并研究了不同频率的正弦外界激励下该能量采集器弹性支承外部磁铁与内梁自由端磁铁的间距值变化对采集器电压输出和采集频带的影响。仿真和实验结果表明,随着弹性支承的外部磁铁和内梁自由端磁铁的间距逐渐减小,采集器的均方根电压输出逐渐增大,其采集频带也相应被拓宽。当能量采集器的水平间距值从10 mm调整为5 mm时,该能量采集器一阶谐振频率的均方根电压增长了1.5倍,同时二阶谐振频带拓宽了2.25倍。     

基于涡致振动的压电能量收集阵列的仿真与实验

为了解决部分微电子设备供电需求大,而单一的压电能量收集结构无法满足的问题,该文对基于涡致振动的压电能量收集阵列进行流-固-电耦合仿真,并与风洞实验数据进行对比.首先对前置阻流体的俘能结构进行测试,验证结构的可行性,然后对串列、并列、错列、长方阵型的压电俘能结构进行研究.仿真与实验结果表明,压电能量收集阵列随风速的增大呈...     

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).     

压电悬臂梁俘能器输出特性仿真分析

为了研究压电俘能器的振动频率、内阻抗、负载及输出功率之间的耦合关系,基于ANSYS APDL软件,对单、双晶串联、双晶并联等多种不同配置方式的压电悬臂梁俘能器进行了压电 电路耦合分析。研究表明,俘能器内阻抗随振动频率呈现非线性变化,在短路谐振频率处达到最小值,在开路谐振处达到最大值;俘能器内、外阻抗匹配时,俘能器输出功率达到最优值;俘能器阻尼较小时,最优输出功率出现在短路谐振与开路谐振处,随着阻尼比逐渐增加,最优输出功率出现在两者之间,且只有一个峰值。     

拨动式上变频压电俘能器的设计与研究

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器,解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关,解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力,建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后,选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明,在1g（g=9.8 m/s²）、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW,具有很强的低频能量收集性能。     

电磁型振动能量收集器研究及发展现状

介绍了电磁感应型振动能量收集器的基本工作原理,根据法拉第电磁感应定律导出了感生电动势和电磁阻尼与能量收集器结构及运动速度的关系。回顾了电磁能量收集器的发展历程和现状,从原始的直线共振型到最新的非共振转动型振动能量收集器,详细梳理了近年来电磁型振动能量收集器的基本结构、工作方式和性能,比较了直线共振型和非共振转动型两类能量收集器的特点及适用环境。根据能量收集器输出能量最大化的要求,从电磁阻尼、升压变换及反馈控制几方面对后端功率输出处理电路的设计特点进行了分析。最后,展望了振动能量收集器的发展趋势。     

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。