微型电磁式振动能量采集器的结构设计与仿真研究

随着大规模集成电路、无线传感网络的发展和对微机电技术研究的逐渐深入,基于微机电系统(MEMS)技术的微型电源具有广阔的应用前景。作为微型电源的一个分支,微型电磁式振动能量采集器可将环境中普遍存在的振动能转换为电能,从而可以长期有效的为传感器件供电。简单介绍了电磁式振动能量采集器的物理模型和工作原理,研究了在正弦激励下采集器的振动特性,分析了采集器结构的固有频率与振动形式,并利用有限元法对结构进行优化,提出了一种复合式振动能量采集器结构并进行了仿真研究,该结构与传统单一永磁体结构相比,输出电压显著提高。     

基于分段线性系统的宽频振动能量收集器

研究了一种基于分段线性系统的宽频振动能量收集器,主要由抗磁稳定悬浮结构、弹性膜及感应线圈组成。 在静止状 态下,悬浮磁铁不需要任何外界能量稳定地悬浮在热解石墨板之间。 当振动能量采集器受到水平振动激励时,悬浮磁铁在两热 解石墨板之间摆动;当摆动幅度比较大时,悬浮磁铁将与弹性膜发生碰撞使系统刚度呈阶段性变化;随着悬浮磁铁运动,感应线 圈中的磁通量发生变化产生感应电动势,从而使外界振动能转化为电能。 当水平激励振幅为 5 mm 时,系统的工作带宽达到 3. 2 Hz,最大输出电压达到 78 mV,最大输出功率为 56. 3 μW;当水平振动激励的加速度为 3 m/ s 2 时,系统的工作带宽达到 2 Hz,最大输出电压为 44 mV,最大输出功率为 18 μW。     

永磁导轨悬浮和导向磁力研究

为了寻求永磁悬浮导轨磁力的简便算法,基于由磁荷法和虚位移法给出的永磁磁力数值积分公式,结合两块平行矩形截面永磁体及永磁导轨结构特点,推导出永磁悬浮导轨解析磁力模型;根据介质分界面为平面的电流镜像法,得到了永磁体在铁磁体中的镜像,分析了永磁导轨的悬浮磁力和导向磁力。模型分析表明：两块截面平行永磁体的磁力分别与永磁体剩磁的平方和永磁体的纵向长度成正比,磁力随永磁体的横截面增大而增大,随永磁体的间距增大而减小;永磁导轨悬浮磁力随永磁导轨倾斜度增大而减小,导向磁力随永磁导轨倾斜度增大而增大。该模型通过代数运算就可得到精度较高的磁力计算结果。经验证,模型计算值和实验值吻合。     

微振动能/电能转换模型:结构与性能

根据能量转换原理,设计了一种用于回收微振动能的低频直线式振动能/电能转换模型,该模型动子为相邻互斥永磁体之间加入等长的中空条形铁圆柱结构,该结构增强了气隙磁场强度。利用有限元分析法,以空载感应电动势幅值为研究对象,对所建立的直线振动发电模型进行了结构设计和尺寸优化,最终确定其主体尺寸为Φ16×90 mm。同时利用虚拟仪器技术对最佳尺寸模型的性能进行了测试。由实验与模拟结果可得,该模型系统的固有频率约为11 Hz,最大空载感应电动势为2.4 V,有效地提高了输出感应电压,便于蓄电池充电。     

一种新型振动发电装置及其建模与实验研究

提出了一种新型的振动发电装置,该装置采用两端固定环形永磁体构成磁弹簧,运动永磁体的内侧和外侧分别缠绕线圈。建立了轴向磁化环形永磁体的输入输出数学模型,利用该模型,得出了电磁力随运动永磁体偏移的特性曲线。采用有限元法分析了发电装置的三维磁场分布和内外侧线圈的输出电压波形;数值仿真得到的电磁力特性曲线与数学模型计算结果一致;利用特性曲线计算出了磁弹簧的固有频率。发电装置输出电压波形的实验测试结果和仿真结果一致;磁弹簧固有频率的测试结果与计算值相吻合。该振动发电装置在振动频率为20Hz,振幅为5mm时,最大输出功率为28.3mW,开路电压的有效值为5.1V。     

抗磁悬浮的原理、特点和应用

抗磁物质处在磁场中时,在重力和抗磁力的作用下,会稳定悬浮,利用这个原理可以实现抗磁物质的捕获、移动等微操纵.本文详细介绍了抗磁悬浮的两个分类:传统的抗磁悬浮和磁阿基米德抗磁悬浮,并对二者的特点、应用等作了介绍,然后详细分析了抗磁悬浮有关的关键因素,例如磁化率的计算、磁场分布的产生等,最后结合永磁体的小尺寸效应和MEMS...     

一种新型永磁直线振动发电机的设计与仿真研究

设计了一种新型永磁直线振动发电机,减小了动子与定子间的磁力。利用有限元仿真软件对所设计永磁直线振动发电机结构进行了优化。仿真结果证明:外壳采用导磁性能较好的硅钢材料、永磁体选用钕铁硼材料时,发电机输出电动势更高;随着永磁体厚度的增加,动子与定子间距的减小,输出电动势有效值逐渐增大;随着永磁体宽度的增加,输出电动势会出现一个极大值。最终确定外壳选用硅钢材料,永磁体选用钕铁硼材料,永磁体尺寸为100 mm×26 mm×5 mm,动子与定子距离为4 mm。在振动频率为1 Hz、振幅为30 mm的正弦位移激励下,发电机的输出电动势有效值为4.190 8 V,可输出最大功率为0.215 2 W。     

双稳态磁致伸缩能量采集器的动态特性

介绍了利用非线性来提高磁致伸缩能量采集系统效率的原理,建立了双稳态磁致伸缩能量采集器的集中参数模型,给出了两磁体之间的磁力数学表达式并验证了其正确性。分析了磁体之间的距离对系统特性的影响,结果表明:在外部非线性磁力的作用以及合适的磁体间距下,磁致伸缩悬臂梁会构成一个双稳态系统;相同激励幅值下,通过改变激励频率和磁体间距形成双稳态特性,可提高能量的采集效率。     

可控永磁悬浮系统不同永磁体厚度动态特性研究

针对单个可控永磁悬浮系统的特点,建立其数学模型,采用状态反馈悬浮控制器对其进行控制,得出不同永磁体厚度的可控永磁悬浮系统动态特性的对比。仿真结果表明,同一种控制器且控制参数相同时,都可以使得不同永磁体厚度的可控永磁悬浮系统实现稳定悬浮,永磁体厚度越大,动态特性稍微要好一些;然而对于某一个可控永磁悬浮系统的某种工况下,永磁体的厚度存在一个最佳值,这个最佳值就是永磁体产生的磁力非常接近悬浮系统重力的永磁体厚度。该结论与实验结果相一致,为可控永磁悬浮系统的设计和应用打下了一定基础。     

可控永磁悬浮系统不同永磁体厚度动态特性研究靠

针对单个可控永磁悬浮系统的特点,建立其数学模型,采用状态反馈悬浮控制器对其进行控制,得出不同永磁体厚度的可控永磁悬浮系统动态特性的对比.仿真结果表明,同一种控制器且控制参数相同时,都可以使得不同永磁体厚度的可控永磁悬浮系统实现稳定悬浮,永磁体厚度越大,动态特性稍微要好一些;然而对于某一个可控永磁悬浮系统的某种工况下,永磁体的厚度存在一个最佳值,这个最佳值就是永磁体产生的磁力非常接近悬浮系统重力的永磁体厚度.该结论与实验结果相一致,为可控永磁悬浮系统的设计和应用打下了一定基础.     

Enhanced piezoelectric energy harvester performance using magnetic force and thermal energy

One possible approach of improving the performance of energy harvesters is to use energy harvester with an external magnetic force to create a nonlinear coupling system. In this work, we report experimental results of a single piezoelectric cantilever beam (PCB) with tip mass or conventional piezoelectric energy harvester (CPEH), and the effect of applying an external magnetic force. The output voltage and power at optimal resistance was 7.62 V and 0.62 mW, respectively, at the resonance frequency of approximately 11 Hz of a CPEH. Also, the output voltage and average power at optimal resistance was 8.56 V and 0.44 mW, respectively, at resonance frequency of 7 Hz of a PCB with fixed opposing magnet. Furthermore, the output voltage and average power at optimal resistance was 13.31 V and 1.77 mW, respectively, at resonance frequency of 11 Hz of a PCB with opposing magnet attached at a second cantilever. In addition, comparison between the experimental results of all different configurations showed a reasonable enhancement of performance of energy harvester when an external magnetic force added over the main PCB. Finally, the performance of a multisource energy harvester with magnetic, thermal and mechanical sources is also presented in this study. In this case, it is demonstrated that increase in output voltage with temperature gradient under effect of magnetic force; the results of 2^nd and 3^rd model showed 44% and 99% enhancement of its original output voltage value at 1.2 °C and 2.7 °C temperature difference, respectively.     

基于Halbach阵列的多方向多模态动能采集器设计

为了使振动能量采集器适应外界振动环境的宽频带、方向随机特性,设计了一套基于Halbach永磁阵列的多方向多模态动能采集器。首先,建立了采集器的立方体-球状物理模型并分析了该模型的动力学特性。接着,设计出采集器的基本结构,重点对弹性梁的设计进行了具体分析,再利用有限元软件对设计出的结构进行动力学分析。同时,在结构设计的基础上,提出了基于Halbach永磁阵列的换能结构,将该阵列与一般的顺次永磁阵列进行比较分析。最后,搭建了实验系统平台,测试出采集器在不同输入激励下的输出电压。实验结果表明,采集器在不同激励方向可以达到对应的振动模态,并且均能产生有效的输出电压。因此,该采集器具有多方向多模态采集特性。     

电动汽车空调无位置传感器的内置式永磁同步电机控制研究

针对内置式永磁同步电机(IPMSM)无位置传感器的转子位置和速度估计的难点,提出了一种基于改进定子磁链观测器的转子位置、速度的估计方法。该方法结构简单,涉及电机参数少。通过引入有效磁链概念对IPMSM的电压方程进行等效变换,对两相静止坐标系下的反电动势进行积分。为了抑制反电动势的积分环节带来的积分饱和和直流漂移问题,设计了截止频率可以自动调节的低通滤波器来代替积分器。对于在低速时低通滤波器所带来的磁链幅值衰减和相位超前问题,利用饱和反馈对观测误差进行补偿。最后通过锁相环进行位置的估计。搭建了MATLAB/Simulink仿真平台。仿真表明:该方法能够实现对IPMSM全速度范围内的转子位置的高精度估计。     

Numerical and experimental study of bistable piezoelectric energy harvester

Piezoelectric energy harvesting from mechanical vibrations is a reliable technology to charge low power electronic equipment. It has been reported in the literature that low frequency broadband vibrations cannot be harvested effectively using linear piezoelectric energy harvester (PEH). In this paper a bistable nonlinear PEH with two distinct energy wells generated using repulsive magnetic interactions between a cantilever magnetic proof mass and an external magnet is considered. It has been modeled using finite element method and validated with experimental results. Experimental results verify that, for our study, distance between magnetic proof mass and external magnet of 1.32 T flux density should be less than or equal to 8.5?mm for maintaining bistability. This distance also affects to the resonance frequency of harvester. Maximum efficiency of the harvester has been noticed at 8.5mm. Further it has been shown experimentally that the bistable nonlinear piezoelectric energy harvester takes almost half of the time taken by its linear counterpart to charge a 20 mAh battery.     

无位置传感器表面式永磁同步直线电机初始位置估计新方法

由于表面式永磁同步直线电机没有凸极性,无位置传感器控制时,估计动子初始位置非常困难。该文针对表面式永磁同步直线电机,提出了一种新的初始位置估计方法。在电机静止时,给电机注入幅值和相位可以控制的电压矢量。保持电压矢量一定的幅值不变,使其相位以较低的频率旋转。电压相位和电机直轴重合时,产生的电磁推力超过负载阻力,电机有一微动,由于反电势的作用电流就会降低,通过检测电流矢量的变化来估计动子的初始位置。这种估计方法不受电机参数的影响,也不需要增加任何硬件。仿真和实验表明给电机注入可控的电压矢量可以估计出动子初始位置,实现零速平稳起动。     

悬臂梁式压电振动能量俘获装置输出功率分析与建模

文章通过理论分析,从悬臂梁式压电振动能量俘获装置常见结构的等效电路出发,结合俘能装置的结构参数以及电气参数等特性,总结推导出了该装置输出电压的近似公式,以及低阻值负载情况下恒流源的等效输出模型,也由此推出了多装置并联拓扑结构的输出电压公式。并基于该理论分析,利用Matlab对悬臂梁式压电振动能量俘获装置进行仿真,仿真结果验证了这些近似公式的正确性。     

基于SVPWM的时间谐波对永磁电机损耗的影响

针对在变频器驱动永磁电机因时间谐波引起的附加谐波损耗大小及分布问题,对基于SVPWM变频器电路输出的电流波形,采用傅里叶计算方法,分析不同变频器参数下的各次电流时间谐波分布规律及波形畸变程度,与SPWM对比发现SVPWM优化谐波程度高,且直流母线电压利用率较优。以一台5kW、3000r/min表面式永磁同步电动机为例,运用场路耦合联合仿真方法,研究附加谐波损耗在永磁电机中的分布特性,计算电机定子铁心各区域的磁通密度变化情况,附加谐波损耗以永磁体涡流损耗为主,其次集中于定子齿顶。参考电机损耗计算的国家标准搭建样机试验平台,通过有限元计算与试验结果的对比分析,校核附加谐波损耗计算结果。     

超导储能在并网直驱风电系统中的应用研究

针对直驱风电系统并网运行过程中存在的输出有功功率波动和低电压穿越问题,在变换器的直流环节并联超导储能系统。对超导储能系统的斩波器提出双闭环加脉冲判断的控制策略,确保超导磁体线圈电流水平,使超导储能系统可以快速、准确地充放电,从而稳定直流环节功率。同时,通过引入谐振控制器的方法,对网侧变换器的控制策略进行改进,实现电网电压不对称跌落情况下,负序分量引起波动的有效控制。仿真结果表明,采用上述方案后直驱风电系统向电网输送较为平滑的有功功率、低电压穿越能力得到了提升。     

基于滑模观测器的永磁同步电机低速下无传感器转子位置检测的研究

该文根据永磁同步电机的基本数学模型,介绍和分析了脉动高频信号注入法的原理,利用李亚普诺夫稳定性定理,以注入的脉动高频电压的响应电流和为抗干扰而新增加的控制项为输入,以转子位置的估计值为输出,设计出一种滑模变结构状态观测器实现对转子位置的估计。仿真实验表明,该滑模状态观测器能实现对电机转子位置和速度的跟踪,且稳定性好,响应快速,对外干扰等不确定因素具有很强的鲁棒性。