Mathematical modelling of cylindrical electromagnetic vibration energy harvesters

In this paper the first steps for the derivation of a mathematical model to describe the mechanical behaviour of a cylindrical electromagnetic vibration energy harvester, designed to extract energy from human gait to power biomedical implantable devices, are provided. As it is usual, in the modelling of such devices, the proposed mechanical model is also based on the solution of Newton's second law, but here a nonlinear closed-form expression is used for the resulting magnetic force of the system, unlike what has been done in previous works where, traditionally, that expression is a linear or is a nonlinear approximation of the real one. The main feature of this mechanical model is that it depends on several parameters which are related to the main characteristics of this kind of devices, which constitutes a major advantage with respect to the usual models available in the literature since these characteristics can always be changed in order to optimize the device.     

不同频带宽度的振动能量收集器研究进展

振动能量收集器由于具有体积小、寿命长、高能量密度等特点,被广泛用于微机电系统设备的供电.从频率角度出发,介绍了单谐振频率、宽频式、频率可调式三种不同频带宽度的振动能量收集器,并系统介绍了上述结构优缺点、国内外现状和发展趋势.其中,单谐振频率能量收集结构最为简单,研究较早,技术比较成熟.而宽频式和频率可调式由于更加符合外界环境振动条件,成为研究热点.     

微型振动式能量采集器研究进展

振动能量采集器具有体积小、寿命长、高能量密度的特点成为当前广泛研究的重要微能源器件之一。重点介绍了基于电磁式、压电式、静电式、磁致伸缩式、复合式等采能原理的能量收集模块,系统综述了上述能量采集模块的优缺点、国内外现状及未来发展趋势;同时综述了微能源重要组成部分——电源管理和储能电路模块的研究现状,最后展望了振动式微能源器件的发展前景与趋势。     

非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究

为了提高线性压电振动能量采集器的输出特性,在线性压电振动能量采集器悬臂梁末端引入Duffing非线性磁力,构造了一种双稳态非线性压电振动能量采集器;综合考虑能量采集器的动态振型与轴向应变分布情况,建立了系统非线性机电耦合集总参数运动控制模型,并利用4阶、5阶Runge-Kutta算法对能量采集器的非线性振动特性进行了数值模拟;利用谐波平衡法计算获得了能量采集器的幅频响应方程,数值分析了激励频率、激励幅值以及磁铁间距等对系统非线性振动特性的影响,发现双稳态运动可以极大地提高能量采集器的频率响应范围和能量采集效率,并且能量采集器在低频、低幅值激励情况下可以产生大幅值周期运动;最后,通过实验对数值计算结果进行了验证.     

超声液体环境下压电式振动能量采集的研究

针对在液体环境下工作的器件不利于直接供能这一难题,制作了一种可在液体环境下工作的振动能量采集器,采用压电悬臂梁结构在液体环境中采集水中的超声能量,在32 kHz超声频率激励下,最高获得了5.04V的输出电压.通过改变超声波与悬臂梁的相对方向及液体盐分质量分数,发现能量采集器在超声液体环境下工作的发电效率随盐分质量分数的...     

带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器

针对带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器,利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法建立了压电振动能量采集器的机电耦合分布参数模型.重点分析了激励频率Ω≥1时系统质量比、刚度比、磁铁对间距等参数对系统输出性能的影响.研制了压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验测试了压电振动能量采集器的输出性能.研究结果表明带弹性放大器的压电振动能量采集器是一个非线性双自由度系统,具有两个双稳态运动区域;在激励频率Ω≥1时压电振动能量采集器需要较大的激励能量才能进入大幅值周期振动状态.     

压电振动能量采集器的力电耦合模型及其功率优化*

为提高传统压电振动能量采集器集总参数模型的性能预测精度,考虑悬臂梁的振型信息与轴向应变分布情况,提出了一种改进的力电耦合模型,该模型引入无因次幅值修正因子,通过曲线拟合方法确定了修正因子与振型函数和振动幅值之间的关系表达式;利用Rayleigh-Ritz模态分析法确定了力电耦合模型中的集总等效参数(如质量、刚度等),并根据弹性动力学原理建立了能量采集器的运动控制方程,得到了稳态时能量采集器的力、电输出响应表达式;最后,利用改进的模型对能量采集器的负载电阻和输出功率进行了优化,得到了负载短路和负载开路时能量采集器的最优输出特性。仿真结果与实例对比验证了提出模型的正确性,表明改进的力电耦合模型具有较高的预测精度。     

双梁磁力压电振动能量采集器的实验和仿真

基于非线性技术改善能量采集器的能量采集效果作用,本文研究了非线性磁力耦合的双悬臂梁压电振动能量采集器,该采集器由两条不同的固有频率悬臂梁与永磁体组成.本文给出双梁磁力耦合压电能量采集器模型并建立了动力学方程式,通过实验测试获取相关参数与拟合磁力公式,数值仿真分析了双梁固有频率比1∶1.2与1∶1.5和永磁体初始间距40mm与30mm的4种结构能量采集器的电压输出性能与频率特征.根据数值分析设计实验:外激励加速度3m/s2作用下,双梁磁力结构能量采集器比单梁线性结构多一个电压共振峰;双梁固有频率比为1∶1.5比双梁固有频率比1∶1.2的电压响应带宽宽;初始磁距30mm共振峰值分别为(12Hz,39.4V)与(18Hz,13.4V)比初始磁距40mm两电压共振峰高且电压共振峰峰之间的电压输出比其他组合结构高.     

Electromagnetic vibration energy harvesting device optimization by synchronous energy extraction

This paper investigates a new application of nonlinear techniques for vibration energy harvesting. The Synchronous Electric Charge Extraction (SECE) energy harvesting technique for piezoelectric generators is extended and adapted to electromagnetic generators. This new circuit, which is the dual of the SECE circuit, is named SMFE for Synchronous Magnetic Flux Extraction. A theoretical model is developed, and the harvested power is simulated. Comparisons with a classical energy extraction approach show that between 2.5 more power and 10% less power can be harvested, depending on the generator characteristics. It also allows the maximum power to be harvested whatever the value of the load. Finally, the SMFE circuit was embedded and tested on a simple centimeter-scale electromagnetic harvester. Measurements confirm the theoretical operating principle of the circuit.     

A magnetoelectric-based broadband vibration energy harvester for powering wireless sensors

Scavenging vibration energy directly from environments is an attractive technique for potentially powering small and/or wireless electronic devices in a smart structure and system.In this paper,a novel broadband vibration energy harvester is designed and analyzed,which consists of three cantilever beams,two magnetoelectric(ME) transducers and a magnetic circuit.A theoretical model is developed to analyze the effects of the structure parameters on the frequency response and the electrical output for achievin...     

一种宽频的磁式压电振动能量采集器

基于环境能量采集的压电振动能量采集器为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案.目前研制的压电式振动能量采集器存在工作频率高,且频带窄的问题.给出了一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器,并搭建了测试系统对器件进行分析测试.在压电悬臂梁上放置永磁铁取代传统的质量块,同时在悬臂梁的上...     

悬臂梁式压电双晶片振动能量采集器的模型与实验研究

针对悬臂梁式双压电晶片振动能量采集器的质量效应问题,通过幅值修正方法建立了能量采集器的集总参数修正模型,利用阻抗分析和导纳圆法对模型参数进行了识别,得到了采集器在简谐基础激励作用下的机电耦合输出传递函数表达式;建立了悬臂梁压电振动能量采集器的实验系统,实验与仿真分析了悬臂梁末端质量、负载电阻等对能量采集器输出特性的影响,结果表明理论仿真结果与实验结果具有很好的吻合度,证明本文模型有利于提高压电振动能量采集器输出性能的分析预测精度。     

复合式压电振动能量收集器的研究

为解决无线传感器网络和便携式电子产品的自供能问题,研究了基于电磁耦合的压电悬臂梁式振动能量收集器.理论分析表明,通过增加压电悬臂梁的所受外力,可以按平方关系提高其产生的发电量.即采用PZT4压电元件及铍青铜作为金属基板,以固定于基板末端的永磁铁作为质量块制作了基于电磁耦合的悬臂梁式压电振动能量收集器.实验表明,压电悬臂梁附加永磁铁后其最大输出电压增加了222％,压电悬臂梁在磁场强度分别为0T与1T的作用力下,电压值的增幅分别为0.38％和2.12％.     

基于GMM的轨道无线传感网络能量收集装置研究

随着轨道无线传感器网络技术的推广,改善无线传感器的供电问题显的刻不容缓。研究一种基于超磁致伸缩材料（GMM）的轨道振动能量收集器,将收集器安装于钢轨与轨道板之间,收集钢轨的振动能。建立车辆轨道垂向耦合模型,将钢轨垂向位移和支反力作为能量收集器的激振源。利用超磁致伸缩材料的维拉里效应,将振动能转换为电能。经过MATLAB理论分析,能量收集器大致能收集到能量大约237.1584 J。收集的电能足以解决无线传感器的供电问题。     

基于振动能量收集的传感器自供能技术研究

复合式能量收集技术是一种基于压电和电磁的传感器自供电技术.对复合式能量收集系统进行分析,给出系统的数学模型,讨论系统共振频率与系统结构参数的关系;设计了一种压电和电磁复合式能量收集装置,并进行实验验证.结果表明:给出的数学模型基本反映了系统的输出特性,在共振频率为18 Hz时,与单一型电磁技术实验在共振频率处得到的3.2 mW负载功率相比,复合式能量收集技术获得的最大负载功率3.8mW,增加了19％.     

全方向振动能量收集系统

为解决微电子设备的能源供给问题,设计了一种全方向振动能量收集系统。该系统中的振动能量收集装置将外界任意方向的振动能量转化为电能,并通过基于LTC3588-1和LTC4071的能量收集电路,一方面将振动能量收集装置输出的电能转化为稳定的直流电压输出供负载使用,另一方面将剩余的收集能量储存在电池中,当能量不足时通过电池放电给负载供能。仿真结果验证了该系统的有效性和可行性。     

一种新型压电俘能器的振动特性分析及性能研究

基于压电效应设计了一种包含屈曲梁、质量块和非线性弹簧的新型压电俘能器结构,并对其进行了振动响应分析.首先基于Euler-Bernoulli梁理论,利用Hamilton原理建立了压电俘能器结构的非线性动力学方程,通过Galerkin离散后数值分析了结构参数对系统一阶固有频率的影响;进一步利用多尺度法对系统进行摄动分析,研究了系统的稳态幅频特性,数值分析了各系数对幅频响应曲线的影响,结果表明该结构在简谐激励作用下会存在多种跳跃现象;最后数值分析了压电俘能器的发电性能,讨论了激励幅值和初始静挠度对发电电压的影响.     

基于振动能量采集器的无源无线传感节点技术研究

随着以MEMS技术为依托,结合压电效应的振动能量采集技术的日臻完善,如何利用振动能量采集器构成高效的无源无线传感节点成为近期研究热点,而能量采集器输出的电能储存控制和低功耗发射技术是实现该节点的难点。在设计出对储能电容电压具有双阈值检测与控制功能的低功耗电路基础上,给出了一种自报警、无源无线低功耗传感节点。实验表明,在频率52 Hz正弦振动、振动加速度幅值为5 gn激励下,经过125 s的能量储存,节点能够以+10 dBm功率在16 ms内完成发射及无线报警,发射距离可达1.31 km。该节点构成的无线传感网络可广泛应用于石油管线、桥梁和军事侦察等外部供电极度受限环境的现场监控等用途。