气动高压激励的阵列式盘型压电俘能器

提出了利用气动高压激励的阵列式盘型压电俘能器实现气体能量的转化,以满足低功耗传感器的自供能需求。通过压电单晶片将气缸内部高压气体能量转化为电能,设计了阵列式盘型压电俘能器的样机结构;结合气缸的正常工作状态,分析了压电阵列的工作原理并进行了相应的实验。理论分析显示:盘型压电阵列具有较高的电荷量与良好的电容性,适合对具有交变载荷的高压气体能量进行收集。采用外径为12 mm、厚度为0.2 mm的压电单晶片及缸径为63mm、行程为150mm的气缸制作了实验样机,利用气动组件模拟气体环境搭建了测试系统。分别调节压力、周期、流量等参数进行了实验测试。结果表明:在交变的气动高压激励下,阵列式盘型压电俘能器可较好地收集交变高压气体载荷能量,其最佳匹配电阻为600kΩ,最大的瞬时功率为1 052μW,输出功率可满足低功耗传感器的能量需求。     

从人体行走中收集能量的鞋上压电俘能器

设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH),用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励,并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式;然后,建立仿真模型,对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后,加工了实验样机,并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明,当受到沿胫骨方向的激励时,压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压;受到沿胫骨和脚面两个方向激励时,压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8km/h时,每根压电梁的峰值电压可达到10V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量,并能够同时收集两个方向的加速度能量,提高了压电梁的发电性能。     

磁力增强涡激振动压电俘能器仿真及实验

为了提高低流速水流环境的俘能特性,基于涡激振动原理和压电振动能量采集技术,提出一种磁力增强涡激振动俘能器。该俘能器由压电层合悬臂梁、尾端圆柱绕流体和磁铁组成。首先,通过流?固?电耦合有限元仿真,分析了无附加磁力涡激振动压电俘能器的俘能特性,可知其低流速环境下俘能效率较低;其次,搭建流致振动俘能器实验平台,研究了磁力增强俘能器的俘能特性。实验结果表明：在横斥纵吸磁铁布置情况下,压电俘能器结构的固有频率较低,在较低流速下更容易起振,且达到涡激共振所需的流速范围较低;在磁场力的作用下其振动变形较大,输出电压较高,振动频带较宽;当水流流速为0.5 m/s时,磁力增强压电俘能器的输出功率均方根值达到120 μW,较无附磁情况的压电俘能器提高了57.8%,这表明横斥纵吸附磁式涡激振动压电俘能器在较低流速流场环境中具有更高的俘能效率。     

基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动能量俘获机理与动力学特性研究

提出一种基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动俘能器，实现在宽频范围内有效地采集低能轨道振动能量。将质量块和弹簧组成的线性放大机构置于三稳态压电俘能器与基座之间，调节线性放大机构与俘能器之间的质量比和刚度比，使三稳态俘能器获得较大的输入动能从低能轨道运动跳转到高能轨道运动，从而获得更高的输出性能和更宽的工作频带。利用能量法建立了描述该复合压电振动俘能器系统动态响应的非线性机电耦合数学模型；采用动态分岔图仿真研究了系统质量比和刚度比对压电俘能器动态输出性能的影响及其能量俘获机理。实验验证了理论结果的正确性。研究结果表明：合理调节系统质量比和刚度比，复合俘能器可以在低能轨道振动时获得更宽的工作频带和更高的发电能力。与传统刚性基座三稳态压电俘能器相比，实验获得复合压电俘能器的阱间运动频率范围由3～14 Hz扩大到2～21.5 Hz，从低能轨道振动跳转到高能轨道振动所需的激励加速度由13.5m/s²降至5.8m/s²。     

基于神经网络的压电能量收集器性能预估模型

设计了一款双稳态聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,简称PVDF）梁压电振动能量收集器,并介绍了该款收集器结构特点和工作原理。为了解决传统理论模型预测与能量收集器实际输出性能的偏差,利用人工神经网络对其结构参数、激励频率和收集电能之间的非线性关系进行建模。基于误差反向传播训练的多层前馈网络建立了双稳态PVDF梁压电能量收集器的人工神经网络模型。以质量块质量、PVDF压电梁的压缩距离以及外激振力频率作为输入变量,收集器输出电压均方根（root mean square,简称RMS）值作为输出变量,采集了不同条件下压电能量收集器的实验数据。通过将仿真预测结果与实验结果对比,验证了所设计的人工神经网络能有效地预测压电能量收集器的输出特性,且无需复杂的收集器理论建模。     

钹型阵列式压电俘能器的参数优化设计与实验

基于参数优化理论,对钹型阵列式压电俘能器进行结构参数的优化设计。首先确定钹型堆叠阵列的结构形式并建立其参数化有限元模型,选择结构参数作为设计变量,并以压电陶瓷电极面上产生的电压作为目标函数。然后采用ANSYS优化设计模块中的子问题近似法,利用ANSYS的参数化语言APDL编程以实现对模型的结构优化。最后根据优化结果制作了钹型阵列式压电俘能器。实验结果表明：在外部激励不变的情况下,优化后压电俘能器产生的电压幅值提高了87%。     

磁性液体振动能量收集器输出电压特性的研究北大核心CSCD

文中基于磁性液体的磁特性和流动性,提出了一种利用磁性液体的晃动将机械运动直接转化为电能的振动能量收集器。理论推导了磁场作用下能量收集器输出感应电动势的数学表达式,借助有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立了磁性液体振动能量收集器磁场分布和流体运动的仿真模型,设计了振动结构在正弦激励下的能量收集测试实验,探究了外部激振频率、磁性液体种类和外磁场强度等因素对电阻两端输出电压的影响规律。实验结果表明:磁性液体振动能量收集器可以在低频激励水平作用下有效地收集能量,且具有较宽的工作频带。     

基于涡致振动的T型悬臂梁压电俘能结构的仿真与实验研究

为了解决微型传感器等低功耗产品稳定持续的供能问题,提出了一种基于涡致振动的小型单自由度T型悬臂梁压电俘能结构。通过流固耦合和压电耦合仿真,对风速、前置阻流体形状和尺寸以及间距直径比等参数与俘能结构输出电压的关系进行了研究,并与风洞实验数据进行了对比。仿真与实验结果表明,T型悬臂梁压电俘能结构产生的电压随风速的增大而增大。当风速为6.5 m·s~(-1),阻流体为直径0.02 m、高0.05 m的圆柱体,与压电悬臂梁的间距直径比为2时,实验测得俘能结构产生的电压和输出功率最大分别为1.02 V和1.04μW。仿真和实验结果为实际研制风中涡致振动压电能量收集结构提供了重要参考。     

线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真

悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。同时,线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率,而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。因此,为了在实际应用中提高俘能效率,就需要研究这些参数对悬臂梁式压电俘能系统性能的影响规律。现针对悬臂梁式压电振子结构进行了相关的理论分析,并通过COMSOL Multiphysics有限元软件,对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析,从而为优化悬臂梁式压电振子结构,降低系统固有频率提供了参考。     

基于压电悬臂梁振动能量收集器的摩擦自激振动能量收集

针对机械装备滑动摩擦副广泛存在的高强度摩擦自激振动,设计了结构简单的压电悬臂梁振动能量收集器并安装在滑动摩擦副上,以实现将摩擦自激振动能量转换为电能。通过在CETR摩擦磨损试验机上开展摩擦自激振动能量收集试验以及进行相应的有限元和数值仿真分析,验证设计的压电悬臂梁振动能量收集器的效果并分析其机理。结果表明,压电悬臂梁振动能量收集器输出电压的时域演变规律和频域特性与相应的摩擦自激振动信号一致,故设计的压电悬臂梁振动能量收集器可有效地将摩擦自激振动能量转换为电能,实现了摩擦自激振动能量的收集;法向载荷的增大使得输入摩擦系统的能量显著增强,导致摩擦副界面摩擦自激振动强度增大,从而增加了压电悬臂梁振动能量收集器的激励源强度,使其输出电压显著增大;在较大的法向载荷作用下压电悬臂梁振动能量收集器的输出电压最大值达到近4 V且频率较高,可为低功率传感器提供电能供应。     

Generation of electrical energy using lead zirconate titanate (PZT-5A) piezoelectric material: Analytical,numerical and experimental verifications

Energy harvesting is the process of attaining energy from the external sources and transforming it into usable electrical energy. An analytical model of piezoelectric energy harvester has been developed to determine the output voltage across an electrical circuit when it is forced to undergo a base excitation. This model gives an easy approach to design and investigate the behavior of piezoelectric material. Numerical simulations have been carried out to determine the effect of frequency and loading on a Lead zirconate titanate (PZT-5A) piezoelectric material. It has been observed that the output voltage from the harvester increases when loading increases whereas its resonance frequency decreases. The analytical results were found to be in good agreement with the experimental and numerical simulation results.     

密闭环境气流冲击式压电阵列发电性能实验研究

为实现高压密闭环境的气体能量收集并提高能量转化效率,提出了一种气流冲击式压电阵列发电机。利用压电材料的正压电效应并结合压电本构方程对压电发电机理进行分析,结果表明在高压气体环境下可采用盘型压电片进行气体能量收集,且压电片外圆周需进行机械夹紧固定。设计并制作了一种压电发电阵列实验样机,搭建了实验测试系统。以高压气体为激励源对不同流量、周期及负载条件的改变进行了实验测试。实验结果表明,峰值电压与流量成正比,随着周期的增加峰值电压有小幅度的增长趋势,压电阵列在电学并联的情况下具有最佳的功率输出性能,当周期为0.8 s、流量为200 L/min、压力为0.3 MPa时最佳的输出功率是0.99 mW。     

磁铁间距对双稳态压电悬臂梁俘能器输出特性的影响研究

建立了双稳态压电悬臂梁俘能器的机电耦合动力学方程,基于磁偶极子模型进行了 2 个磁铁间磁力的计算,根据静态平衡点分析得到了系统发生双稳态运动时的磁铁间距范围。数值仿真分析了环境激励源振动频率发生变化时磁铁间距变化对系统平均输出功率的影响规律,设计制作了磁铁间距可调的双稳态压电悬臂梁俘能装置,并进行了环境激励频率变化条件下的压电悬臂梁振动能量捕获实验。实验结果与仿真分析具有较好的一致性,为提高双稳态压电悬臂梁俘能器的发电性能提供了一种有效途径。     

微型压电单晶俘能器研究

建立了一曲梁压电单晶MEMS压电俘能器的分析模型.利用曲梁理论建立该矩形截面梁的动力学方程.采用ANSYS软件对该曲梁的结构参数进行了初步的分析.分析结果表明压电曲梁的第一阶谐振频率与其结构尺寸之间存在较复杂的关系.该仿真结果可为压电俘能器的设计提供参考.     

气体动载荷下压电振子能量转化特性实验研究

针对当前利用化学电池为传感器供能具有的使用时间短及污染环境等问题，提出了一种可应用于气动系统中气体动载荷环境的能量转化与收集装置。利用压电材料的正压电效应对压电振子发电机理进行分析，分析结果表明，在气体动载荷激励下输出电能与压力变化量呈正比。仿真分析了压电振子所在容腔的内部流场变化，并分析了腔内压力及压力变化量随时间的变化规律。结合理论研究与仿真分析设计并制作了一种压电振子能量转化实验样机，搭建了实验测试系统。以动态气体载荷为激励源对不同流量、周期及负载条件的改变进行了实验测试。实验结果表明随着距离的增加，压电振子的输出电压逐渐下降；随着流量的增加峰值电压增加，当周期为1.2 s、流量为200 L/min、压力为0.3 MPa时最大的输出电压为79.60 V。     

一种基于复杂永磁体阵列的悬浮式振动能量采集器的精确模型及验证

为提高振动能量采集器的输出性能和工作频带，基于永磁体阵列和多自由度器件受到广泛关注。然而这类器件存在磁场分布复杂，动态特性难以模拟等问题。以一种基于复杂永磁体阵列的可调频磁悬浮振动能量采集器为研究对象，建立器件解析模型和有限元模型的联合分析模型，理论模型显示系统具有非线性振动特性，其动力学模型可简化为Duffing方程形式，并通过有限元模型简化了对非线性系统的分析。利用COMSOL有限元仿真研究器件磁场分布、非线性磁力特性，分析磁力和线圈位置对器件输出特性的影响。搭建测试平台对研制的可调频磁悬浮振动能量采集器进行试验表征，以验证联合分析模型。试验结果表明，在20～35 mm的固定磁铁间距离变化范围内，器件谐振频率变化范围为8.6～13.1 Hz，0.35g加速度下输出电压峰峰值为352.9～658.2 mV，联合分析模型与试验之间具有一致性。     

双磁耦合式压电振动俘能器的性能分析与试验

为满足远程监测系统的自供电需求,针对现有压电振动俘能器存在的问题,提出一种双磁耦合式压电振动俘能器,通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器,使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真,获得了定磁铁间距与水平耦合间距对系统势能的影响规律,以及不同激励条件下的系统动力学响应特性。为验证俘能器原理的可行性与仿真结果的正确性,制作了样机并测试了不同条件下俘能器的输出特性。结果表明：激励频率对俘能器输出波形影响较大;选取适当的定磁铁间距和水平耦合间距(11 mm≤d≤12 mm,10 mm≤l≤16 mm),可有效降低俘能器固有频率、拓宽频带且幅频特性曲线较为平坦,进而提高了俘能器的环境适应性和可靠性;激励频率为12 Hz、16 Hz及20 Hz时,试验所获得的最大输出功率分别为1.27 mW、2.88 mW及5.31 mW,其所对应的最佳匹配电阻约为70 kΩ。     

多场耦合多方向振动俘能器建模及响应分析

针对多方向振动俘能器对低频、低幅值激励的响应输出性能低等问题,在振动俘能结构中引入非线性磁吸力,提高俘能器的响应频带和能量转换效率。研究了非线性磁振子模型,建立了基于广义Hamilton变分原理的横、纵向振动系统机电耦合模型,对系统动力学方程进行无量纲化并数值求解。搭建了振动俘能器性能测试平台,开展了多场耦合振动俘能器频谱特性及响应输出的分析实验。结果表明,引入磁铁可显著提高系统能量转换效率,当磁铁间距15mm、激励幅值0.5m/s~2时,相比无磁力输入的情况,系统响应电压提高了6倍左右,谐振频率从18Hz降至9.5Hz左右,解决了压电俘能器频带窄、响应频率高及输出电压低等问题。     

高效压电能量回收系统的优化设计

提出了一种新型的压电能量回收器件,通过一个开关功率变换器的辅助,系统的能量转换效率可提高400%.该功率变换器原型为Buck-Boost变压器,本项研究通过低功耗的控制电路对其进行了优化.利用Pspice软件对整个系统电路进行了建模和仿真,仿真结果显示,优化后的能量回收器件输出功率提高了3.4倍.