低频振动能量收集装置的设计和数值模拟

针对低频振动条件,设计了一种高效的振动能量收集装置。该装置形成闭合磁路,大幅度提高了能量获取能力;同时利用多齿结构,提高装置中线圈磁场变化的频率,使其适应于低频振动环境。论文在介绍了装置的结构和工作原理后,借助Ansoft Maxwell软件进行了数值仿真。利用静态仿真对比了不同相对磁导率的导磁材料以及不同气隙宽度对线圈最大磁感应强度的影响;利用动态仿真给出感应电压和能量损耗。根据仿真数据计算了该振动能量收集装置在1 Hz低频振动下所能达到的最大平均功率,该功率远高于已见报道的同类装置的功率值,表明该装置能为无线传感器网络节点供电。     

基于无线传感器网络的压电能量收集技术

随着物联网的发展,多节点的传感器供电成为关键问题,由于环境中普遍存在低频振动,采用了压电悬臂梁结构,建立压电悬臂梁结构的电学模型,并进行了ANSYS的仿真,仿真得到电压76 V,约等于模型的理论值,验证了模型的正确性。进而继续研究了压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响,振子越长,质量块越长,频率越低。从而收集低频振动环境中的能量,为传感器供电装置提供了设计的理论依据。     

一种新的陀螺振子及工作方式的研究

本文提出了一种新形式的陀螺振子结构,介绍了其工作原理。当陀螺振子在驱动模态谐振时,检测与驱动正交振动位置的振动情况,推导出了两模态振动公式。利用有限元软件建模,对新振子能否满足驱动与检测模态频率相等的灵敏度要求进行仿真验证。     

一种基于压电俘能器供电的温度测量系统设计

物联网时代传感器节点往往分布广泛,且有时传感器节点放置位置不易触及,电池能量一旦用尽不易更换,该传感器节点就无法正常工作。为此,该文设计了一种基于压电振子振动能量供电的微功耗温度测量系统,该系统利用压电振动能量收集装置将环境中存在的低频振动能量转换为电能并收集存储,并为设计的微功耗温度测量系统供电从而实现温度信号采集和发送。提出了一种基于干簧管的能量采集电路,其采集效率是标准能量采集电路的32倍,最后通过试验验证了该系统的可行性与准确性。     

无线传感器网络的压电能量收集技术研究

针对压电能量收集装置在进行能量收集时具有固有频率高、能量收集效率低等问题,设计了一种变截面压电能量收集装置,并对压电振子进行了理论建模和有限元特性分析。根据分析结果,在相同的条件下,变截面悬臂梁的固有频率比等截面悬臂梁低。同时,变截面悬臂梁在截面厚度等于0. 4 mm时,电压输出最大,可达23. 77 V;变截面悬臂梁比等截面悬臂梁具有频带宽、输出电压高,并具有比等截面悬臂梁质量轻的优点。从而对环境中低频振动的能量进行收集时,为传感器的供电装置提供了理论的设计依据。     

保守系统中非线性耦合振子间的能量传递

利用复变量-平均法建立了非线性耦合振子内在保守系统的慢变动力学方程,推导出了两振子间能量完全传递的表达式,从而得出了完全能量传递时非线性振子的临界质量和系统初始能量需满足的关系.最后进行数值仿真并得到以下结论:系统两振子进入能量传递的暂态时间与振子的质量有关,当质量比大于等于0.0557时,两振子可不经过暂态而直接发生...     

压电发电系统无源同步开关设计及实验研究

压电材料是一种价格低廉,性能稳定的储能、换能材料。利用磁铁结合压电振子,通过电机转动,可以无接触驱动压电振子进行振动。电机旋转一周,不同磁极的磁铁交替驱动压电振子振动,改变电机转速使压电振子产生谐振可获得最大输出电压。同时,磁铁周期性对无源磁性开关进行吸合可产生同步开关信号,合理布置磁性开关使磁性开关信号与压电波形的正峰值与负峰值进行同步,搭建了实验装置并进行了实验,结果表明磁性开关可以很精确的在压电电压波形的两个峰值进行闭合。这为SECE、SSHI电路实际使用提供了一种可行的同步开关设计方法。     

电磁发电微电源结构设计与输出电能的动态仿真分析*

首先研究了微型电磁发电微电源输出能量理论分析模型,通过理论分析得到感应线圈匝数及导线横截面半径的最优尺寸。然后利用AnsoftMaxwell软件建立了微电源结构仿真模型,通过仿真分析计算得到不同方向上电磁感应强度B的变化规律以及永磁体振子与感应线圈在不同相对位置下所产生感应电动势的变化曲线。仿真分析结果同时表明：当永磁体振子与感应线圈相对距离为1.25mm时,线圈产生最大感应电动势2.65mV,最大输出功率为0.6626滋W,本文的建模与仿真分析过程将为电磁发电微电源结构的整体结构设计和制作提供依据。     

双磁悬浮振子结构地铁轨道监测小波分析

为实现地铁机车的振动测量设计了双磁悬浮振子结构地铁机车振动测量系统,通过实测和最小二乘函数拟合方法获得振子所受磁斥力与位移的函数关系,分别推导了两个磁悬浮振子的振动方程,建立了双磁悬浮振动测量系统仿真模型。分析表明双磁悬浮振子的灵敏度高于单磁悬浮振子,实测了地铁在匀速运行无振动、匀速运行有振动的波形,并在地铁站台测量了机车进站对站台造成的振动,采用多尺度一维小波分解函数对振动信号进行了分析,得到不同情况下的振动特征,最后对振动波形进行了重构。实测表明,设计的双磁悬浮振子结构地铁机车振动测量系统的可实现机车振动测量,对于地铁轨道故障检测具有一定的参考价值。     

用Matlab仿真非线性混沌振动的主动隔振研究

应用主动隔振原理对Duffing非线性振子设计了参数自调节的PID控制算法，并用Matlab对Duffing振子混沌振动进行主动隔振数值仿真实验，实现了对混沌振动的良好隔振，仿真结果表明，在混沌振动中应用主动隔振技术是有效的。     

Design and experimental study of broadband hybrid energy harvester with frequency-up conversion and nonlinear magnetic force

In this paper, a novel broadband hybrid piezoelectric and electromagnetic energy harvester using in the low frequency vibration environment is proposed, which combines nonlinear magnet force and frequency-up conversion mechanism simultaneously. Performances are studied by theoretical analysis and experimental test. Electromechanical governed equations of harvester are established, and analytical solutions of vibration response, output voltage and power are derived. Then, effects of nonlinear force, spacing between low frequency vibration beam and piezoelectric beam, load resistance and input excitation on harvester performances are investigated by experimental test. It can be concluded that the harvester can be used to work at the low-frequency environment efficiently, and the resonant frequency and harvesting bandwidth can be tuned by the nonlinear force between the magnets and the spacing between beams. Moreover, the larger the nonlinear magnetic force and the smaller the distance between two beams, the lower working frequency and the larger bandwidth. Compared with the corresponding linear apartment, output power and bandwidth of proposed harvester are improved 90% and 125% respectively.

     

An efficient electromagnetic power harvesting device for low-frequency applications

Mechanical energy in the form of low frequency vibrations (1-100 Hz) can be commonly available and this energy type can be advantageously converted to electrical one by exploiting energy harvesting techniques. At the same time, in many applications, the devices that convert low frequency mechanical energy to electrical one should have a small size. An electromechanical power generator is proposed for converting mechanical energy in the form of low-frequency vibrations, available in the measurement environment, into electrical energy. The intended applications for the proposed electromechanical power generator, described in this paper, are for examples mechanical systems with low frequency vibrations (1-100 Hz). The operating principle is based on the relative movement of a planar inductor with respect to permanent magnets. The generator implements a novel configuration of magnets that is proposed and analyzed with the aim to improve the conversion efficiency, increasing the spatial variation of magnetic flux. Furthermore, the generator uses polymeric material as resonators, which have low-frequency mechanical resonances due to the low Young's modulus of the materials by which they are made. The different materials, with which the suspensions for the planar inductor were made, have allowed to compare different behaviors of the resonators: linear and nonlinear. The experimental results have shown, for a linear resonator, a vibration frequency of about 100 Hz with generated powers of about 290 μW and a harvesting effectiveness of 0.5%, while, for the polymeric resonator made by Latex, the vibration frequency is around 40 Hz with a maximum power of 153 μW and a harvesting effectiveness of 3.3%. The proposed configuration can be adopted for its low profile, modularity and low-frequency vibrations in many applications from industrial to medical.     

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

激励频率自适应的采煤机状态压电俘能监测装置研究

考虑到目前用于采煤机状态监测的压电俘能装置不能实时根据外界激励频率变化而改变固有频率,研究一种自适应外界激励频率的采煤机状态压电俘能监测装置.对该频率可调的压电俘能装置进行数学模型建立、固有频率的有限元仿真以及实验研究.研究结果表明:随着压电俘能装置悬臂梁重心的变化,压电俘能装置发电量最大值对应的激励频率不断变化.自适应外界激励频率的压电俘能装置可将频率变化范围控制在7 Hz到55 Hz之间.自适应外界激励频率的压电俘能装置可使安装于采煤机各处的压电俘能装置输出功率在300 mW左右.自适应外界激励频率的压电俘能装置能够对采煤机工作时不同位置的激励频率进行自适应调节,保持对监测装置稳定供电.     

Microenergy harvesting applications for outdoor power equipment

An energy harvesting system designed in this paper is of electromagnetic linear-motion inertial type that is capable of converting kinetic energy into useful electrical energy. The harvester consists of moving magnet–iron poles enclosed by cylindrical coils and an iron stator, and two stationary magnets are placed at both end sides acting as spring. The developed energy harvester is to be used for outdoor power equipment such as lawnmower and snow blower. Preliminary vibrational analysis is conducted on the lawnmower and snow blower to determine its working frequency and the optimal point of vibration. It was determined that the lawnmower resonated at a frequency of 15 Hz while the snow blower resonated at 21 Hz. Two methods are used to tune the energy harvesting system. The first is changing the stationary magnet thickness while keeping the magnet air gap constant and second is changing the air gap while keeping the stationary magnet thickness constant. We found that it is optimal to change the air gap rather than the magnet thickness to change the natural frequency of the device. The energy harvesting system is tuned to work on a lawnmower where the natural frequency is 15 Hz. Natural frequency of 15 Hz is obtained when the magnet thickness is 9.525 mm and a gap of 70.75 mm, where the maximum power dissipated is 29 mW.     

基于压电的大尺寸原理样机模型和实验

为了实现环境振动能量的低频收集,分析了压电式振动能量收集技术的特点,并建立了其数学模型。利用数值分析软件对能量收集器的性能进行了仿真模拟,压电式能量收集器更适用于低频环境下的能量收集。成功制造了具有四根环形悬臂梁结构的大尺寸原理样机,实验得到了在外界0～500 Hz低频扫频下,不同加速度激励下的开路电压、负载电阻的电压输出,并与理论分析结果对比。     

微型双稳态板压电俘能器的仿真研究

基于中间固定、四边自由的微型压电层合板模型,应用应变梯度理论考虑其尺寸效应,借助ABAQUS用户自定义子程序(UEL)模块自定义了一种三维八节点的微型压电单元.利用有限元法热-力-电耦合分析对微型双稳态板压电俘能器进行了仿真研究,发现其在不同的激振频率下存在不同的变形状态,非线性动态分析显示该结构在其一阶固有频率之前也能俘获较多电能,且存在多态转换交替出现的现象.针对该微型双稳态压电俘能器,给出了其最佳的工作频率和最大俘获电压.研究成果对微型压电俘能器的设计分析和性能检测具有重要的指导意义.     

圆片级低真空封装的MEMS压电振动能量收集器结构设计

MEMS低真空封装技术能为MEMS器件的可动部分提供低阻尼环境,降低能量损耗,有效提高器件的能量转换效率,具有重要的研究意义和应用前景,是MEMS技术的研究热点和难点。为了进一步提高MEMS压电振动能量收集器的输出性能,提出了圆片级低真空封装的共质量块MEMS压电悬臂梁阵列振动能量收集器新结构,通过有限元分析方法对器件结构参数进行了优化设计,在优化结构参数下仿真器件输出性能：在610 Hz、2 gn加速度下,器件的输出电压为8.88 V,输出功率为1220μW,能满足实际应用需求;根据器件结构设计了加工工艺流程,对低真空封装结构的实现和封装工艺探索具有重要意义。     

谐振频率转换机制振动能采集器研究进展

环境振动能采集器可为低功耗系统提供绿色环保、可再生能源,具有寿命长久、能量密度高、微型、易集成等优势.能量采集环境具有随机振动频率低、频域广、振源幅值小且多方向性等特点,频率转换机制可有效解决采集器与环境振动频率不匹配问题,提高其能量转换效率.发电装置中的拾振结构频变方式主要分为接触式和非接触式,具体操作方法包括直接或间接碰撞拾振体、驱使振动体形变、磁力耦合调频等.综合比较了各类频率转换机制的优缺点及其实用性,指出了低宽频、高效能、智能化是未来振动能采集微电源的研究趋势.