永磁直线振动发电机的输出特性分析及实验研究

设计了一种永磁直线振动发电机,探索了发电机的输出特性。由振动发电机的结构和工作原理,利用仿真软件仿真了发电机在正弦激励下的空载输出电动势。制作样机并进行实验研究,分析了不同线圈组合方式下的输出电动势和输出功率。振动发电机在频率16 Hz、振幅2 mm的正弦位移激励下,测得全部线圈串联的输出电动势有效值为9.153 4 V,可输出最大功率为0.523 7 W;线圈先并联后串联的输出电动势有效值为4.207 6 V,可输出最大功率为0.442 6 W;全部线圈并联的输出电动势有效值为0.823 V,可输出最大功率为0.338 7 W。对比得实验结果与仿真结果规律一致。     

永磁振动发电机的输出功率分析及实验研究

针对多线圈的振动发电机,分析了其不同模块的不同联接方式对输出功率的影响,以及能够输出的最大功率。通过软件仿真分析了在正弦激励下,线圈串联和混联的输出电动势与最大输出功率,并在频率8 Hz、振幅8 mm的正弦激励下对样机进行了实验。对比实验与仿真结果,其数值近似,波形变化规律相同,根据该研究,可以合理选择振动发电机的联接方式,来提高振动发电机的机电转换效率。     

永磁振动发电机的机电耦合分析与实验研究

为了预测振动发电机的响应规律,采用弹簧-质量-阻尼构建系统模型,并结合电磁感应定律,分析输入振动位移与系统响应的耦合规律。磁场分布和磁力采用有限元法计算,在机电耦合仿真过程中将磁力采用三次多项式拟合,确定系数可达0.9976。正弦振动激励下的计算结果表明,由于磁力的非线性,动子位移和输出电动势出现了明显的谐波。在振幅和频率分别为5 mm和10 Hz的正弦振动激励下对样机进行测试,输出电动势的峰峰值和有效值分别为3 V和0.7 V。实验结果与仿真结果规律一致。     

振动发电机的系统建模与频率特性分析

采用两自由度振动模型对振动发电机进行描述,由于非线性磁力的影响,该模型表明电磁式振动发电机是非线性非自治系统。基于该模型,对正弦振动激励下的系统响应进行仿真分析,结果表明,动子与定子的相对位移响应出现了明显的倍频现象,而输出电动势的频率分布更加复杂,不但有对应激励频率的主振动解和亚谐振动解,而且还有对应固有频率的亚谐振动解和超谐振动解,表明系统具有较强的非线性,且随着输入振动能量增大,系统的非线性特征更加明显。在10Hz正弦振动激励下的测试发现,输出电动势的幅频特性在10Hz、20Hz和30Hz处出现峰值,表明输出电动势出现了明显的倍频信号,实验结果与仿真结果的频率特性一致。     

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。     

一种新型Halbach阵列永磁振动发电机的设计与输出特性分析

给出了一种永磁振动发电机感应电动势的计算公式,设计了一种新型Halbach阵列永磁振动发电机,机体两侧分别固定了两组永磁体,内部6个线圈串联。采用有限元法,与普通Halbach阵列和传统永磁振动发电机进行了对比分析,新型Halbach阵列的应用大幅度提升了振动发电机的性能。正弦规律振动的振源频率为10 Hz,振幅为3 mm时,新型振动发电机的最大输出功率为355.85 m W,开路电压有效值为6.402 9V。最后,对线圈相对永磁体的位置进行了优化,最大输出功率达到了414.81 m W,进一步提升了16.57%,此时开路电压有效值为7.036 6 V。     

磁轭永磁振动发电机的设计与实验研究

为了采集环境中的振动能量,设计了一种适用于低频环境下的永磁振动发电机。发电机采用极靴型磁轭作为闭合导磁路径,提高了磁场的利用率。设计、制作了发电机样机并进行实验研究,得到了发电机输出电压有效值U_e与频率f和振幅Z之间的关系。对发电机正弦激励振动条件下进行测试,发电机的输出电压有效值U_e达到了18. 46 V,能够在工程实际中应用。     

宽频激励下双稳态压电振动发电机供电能力分析

为了探讨双稳态压电振动发电机在宽频激励下的供电能力问题,建立了宽频激励下双稳态压电振动发电机系统的动力学模型,仿真了双稳态压电振动发电机系统的输出响应特性和不同运动状态的输出电压特性,研究了双稳态压电振动发电机系统运行在高能量轨道上的激励条件,据此优化双稳态压电振动发电机结构参数,并对传感器网络节点的用电需求和双稳态压电振动发电机的供电能力进行分析。仿真和实验结果表明:双稳态压电振动发电机在宽频激励下,其输出平均功率为3.8 m W,能够满足实际振动环境下无线传感器网络节点的用电需求。     

激励环境下悬臂梁式压电振动发电机性能分析

为了提高有限体积内压电振动发电机的发电能力,针对外力和位移激励环境,通过数学模型及ANSYS仿真分析了单、双晶压电发电机结构参数与输出电压及谐振频率之间的关系并进行了实验验证。研究结果表明,在外力激励环境下,应尽量增加压电梁的长度,减小宽度;在位移激励环境下,应尽量降低压电梁的长度。同时,在两种激励环境中,均应优先选用小厚度比的双晶压电梁。     

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。     

低耦合电磁式电导率测量系统的传感器优化设计

针对电磁式电导率传感器在低电导率测量下的优化设计问题,分析了电磁式电导率传感器的工作原理并构建了物理模型,考虑激励信号参数、磁芯尺寸、磁芯间距、激励线圈匝数和接收线圈匝数对输出电压的影响,改进现有的电磁式电导率测量模型,同时考虑激励频率的多重性,即激励频率直接影响输出电压,又通过磁致伸缩效应改变磁芯磁导率来影响输出电压。采用实验与理论相对比的方法,对频率、间距、匝数等主要参数进行理论分析,得知存在最佳频率段使得输出电压不随频率的波动产生较大的变化,通过改变间距降低两个磁芯间的耦合电压,提高有效信号占比,实现更高的精确度。并通过实验验证证明了理论模型的准确性。采用优化后的参数来设计电导率探头,配置了电导率标准液用于数据拟合,与德国宝德电导率仪进行对比实验,计算Pearson相关系数,证明了优化模型的准确性与高可靠性。     

一种悬臂压电发电机的研究

简述了悬臂式PZT-金属复合结构在力作用下产生电荷的机理,设计并制备了一种压电式发电机,构建了试验平台,进行了器件弯曲振动时电能输出效果的实验研究。实验时,进行单频的稳态正弦激振实验:由激振器产生输出正弦激振力,作用于器件端部使其产生弯曲振动。结果表明,在所给的实验条件下,使用研制的器件实现了对弯曲振动能量的转换,输出电功率88.8μW。     

基于永磁振动发电的微功耗电能处理电路

永磁振动发电机的输出功率较小,且输出特性受振动环境影响明显,因此开发了一种低功耗电能处理电路,提高供电效率。在人体甩臂运动时,对永磁振动发电机输出的电动势进行测量,计算功率谱密度,确定振动发电机的能量输出集中的频段。以此为基础,计算永磁振动发电机的输出阻抗并设计整体电路,包括与发电机阻抗匹配的整流滤波电路、储能电路、升压供电电路。仿真和实验研究,证明电路的工作损耗低于30μW。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统中线圈谐振特性研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统中激励线圈与发射线圈是否谐振、接收线圈与负载线圈是否谐振,建立了4种结构模型;采用电路理论,详细分析了4种结构模型下的等效阻抗,并通过Pspice仿真重点分析了在相同参数下4种模型的输出功率。仿真结果表明,激励线圈与发射线圈谐振且接收线圈与负载线圈不谐振时的结构输出功率最大,且在大负载情况下,仍具有高效率。在电源频率为13.56 MHz,发射线圈与接收线圈的距离为26.8cm,耦合系数为0.2,负载为32Ω的情况下采用此模型,输出功率达到136.25 W。     

电磁式振动能发电机寄生阻尼因数测定新方法

寄生阻尼因数的确定对基于惯性耦合的谐振式振动能捕获微型发电机的模型求解、性能优化等至关重要。针对电磁式(electromagnetic,EM)振动能发电机,提出利用发电机空载时惯性质量块的阻尼自由衰减振荡过程,采用有限元分析(finite element analysis,FEA)、模型数值求解来获得线圈空载电压的仿真值,将所得仿真值与实验测量结果比对,在最小均方误差(least mean square error,LMSE)准则下确定出寄生阻尼因数的新方法。结果表明,此方法是可行的,且与常规方法相比具有更好的普适性。     

单方向电磁式振动能量采集结构的设计与优化

为在尽量小的空间产生足够大的电能,设计了一种基于Halbach永磁阵列的单方向电磁式振动能量采集器。利用Ansoft Maxwell软件对Halbach阵列的磁场进行了初步分析,分析显示Halbach阵列相对于传统的永磁阵列可以有效增强单边磁场。建立模型并对其中的拾振结构进行动力学分析,对换能结构提出3种方案并进行了优劣比较,根据换能结构方案对模型的结构参数进行了优化,得出优化后的仿真输出电压约为1.4V。最后搭建实验平台,得出实验结果约为1.2V,与仿真结果基本吻合,验证了本结构设计的合理性及正确性。     

煤矿井下涡轮发电机设计与试验分析

设计了一种用于煤矿井下供电的外转子涡轮发电机。在发电机外径尺寸约束下,通过电磁计算得到了发电机参数和尺寸大小,对发电机进行电磁场仿真,得到发电机在额定转速为2 000 r/min时的磁通分布和输出电压。制作样机进行实验,实验数据与仿真结果基本相同,证明了所设计外转子发电机模型的合理性。带载20Ω时涡轮发电机在额定转速下输出电压为9. 5 V、输出功率为13. 5 W,发电机输出波形稳定,趋于正弦波,可满足了供电要求。     

变刚度双稳态电磁式振动发电机的AMESim仿真分析

为了提高拾振机构在微弱激励下的响应振幅,实现双稳态振动,采用变刚度拾振机构,通过AMESim建立一种变刚度双稳态电磁式振动发电机的完整模型,仿真结果表明,对比单一刚度拾振机构,增大了响应振幅,拓宽了频带,提高了发电功率.     

电磁式振动能量采集电路关键技术研究进展

电磁式振动能量采集电路是低压振动发电在微机电系统应用与研究的重点。对电磁式振动能量采集电路的整流升压结构、自启动运行及实现振动发电机最大功率输出三个方面进行了归纳与总结,介绍了近年来国内外不同类型的电磁式能量采集电路,并按上述三方面对电路进行系统的分析。最后展望了电磁式振动能量采集电路在今后的研究方向和应用前景。     

悬臂梁压电发电机输出特性及其影响因素分析

为研究悬臂梁压电发电机的输出特性及其影响因素,设计搭建了悬臂梁物理实验模型。通过空载、负载和短路实验测试了振动频率、振动位移和负载大小对其输出电压的影响,对比了不同尺寸压电陶瓷的发电能力,为压电式发电技术的发展和改进提供详细的数据基础和实验依据。研究表明:当振动频率接近压电振子的谐振频率时,发电机有较高电压输出,而随着振动位移的增大,输出电压会线性增加,二者相比,振动位移对输出电压的影响更显著。发电机直接带负载的能力较弱,当外界负载与发电机内阻匹配时才能保持稳定的电压输出。对于不同尺寸的压电陶瓷来说,其长宽比越接近1,发电能力越强。