非线性压电-电磁复合式俘能器的结构设计

非线性技术可使压电式能量采集获得较宽的振动频率和较高的输出电压,该文基于非线性振动研究提出了一种新型的非线性压电-电磁复合式俘能器,将非线性压电-电磁复合式俘能系统等效为含有非线性刚度的质量-弹簧-阻尼振动系统,推导出俘能器的总输出平均功率公式。在0.6g简谐激励下,磁铁间距为2.5 mm,3mm,4mm时,对非线性压电-电磁复合式俘能器进行了实验测试,结果表明,随着磁铁间距的减小,引力增大,非线性俘能器的谐振频率降低,3dB带宽升高。     

磁力调控驰振压电-电磁复合俘能器设计与研究

为避免驰振俘能器高流速下PZT损坏,使其能在复杂工作环境中具有稳定的输出特性,该文提出了一种利用磁力控制悬臂梁振动幅值的压电-电磁复合俘能器(GPEEH)。引入的非线性磁力可以调控钝体的振幅,提高驰振压电俘能器(PEH)的输出稳定性,改善其对高风速环境的适应性,且能够增加复合俘能器的输出电压。在搭建风洞实验平台和制作实验样机的基础上,研究不同负载电阻、风速、关键结构参数d₀和d₁对俘能器输出特性的影响规律。实验结果表明,当PEH钝体的振幅被磁力限制在一定区间时,钝体的振动频率和速度随着风速的升高而逐渐增加。风速为11.5 m/s时,PEH振动主频率(6.3 Hz)是风速为8.4 m/s时PEH振动主频率(4.3 Hz)的1.4倍。当风速为12 m/s, GPEEH的输出功率为6.18 mW,相较于单一驰振压电俘能器的输出功率提高了47%。其中当风速达到10.5 m/s时,PEH和电磁俘能器(EEH)的输出功率均趋于稳定。     

压电-电磁复合式俘能器设计及能量收集测试

设计了一种压电-电磁复合式俘能器,利用机电耦合状态方程推导了输出功率表达式。应用试验测试对比分析了压电式、电磁式、复合式俘能器的输出特性,结果表明,复合式俘能器的3dB带宽比压电式、电磁式俘能器分别增大了67%、25%,最大功率提高了38%、118%。设计了压电-电磁复合式俘能器能量收集电路,分别利用LTC3588、LTC3108芯片收集压电俘能单元、电磁俘能单元输出的电能,并用超级电容存储。分别应用3种俘能器进行超级电容充电测试,结果表明,复合式俘能器的充电时间比压电式、电磁式俘能器分别减少了29%和52%。     

压电俘能器研究现状及新发展

压电俘能器以其微型、环保、自供能的特点在微电子设备应用领域得到广泛关注。从压电俘能器常用的压电材料出发,简单总结了目前应用最广泛的压电陶瓷PZT、压电复合材料PVDF、1-3型压电纤维复合材料的性能和制备方法;阐述了压电俘能器的结构设计,在此基础上从提高压电能量俘获的效率和功率的角度重点介绍了接口电路的类型和俘获能量的效果,总结了压电俘能技术未来的研究趋势和方向。     

压电俘能器阻抗匹配分析及实验研究

为了研究负载电阻对压电悬臂梁振动俘能性能的影响,使用有限元法对直接与负载相连的悬臂梁压电振子进行压电-电路耦合分析,得到了负载电阻对压电俘能器谐振频率、输出电压和功率的影响关系,并进行实验验证.研究结果表明,随着外接负载电阻的增大,俘能器谐振频率有所增加,从短路谐振频率到开路谐振频率变化范围可达到2 Hz.此外,负载阻值的大小也会影响俘能器的发电能力,负载电阻越大,输出电压越高,但存在匹配电阻使压电俘能器的输出功率达到最大.因此,通过合理选用负载电阻可实现固有频率微调谐和增加发电能力的目的.     

拨动式上变频压电俘能器的设计与研究

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器,解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关,解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力,建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后,选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明,在1g(g=9.8 m/s²)、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW,具有很强的低频能量收集性能。     

一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验

为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率,提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。该俘能器包括多个悬臂梁压电振子,可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子,通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率,同时提高了输出功率。测试结果显示在频率约为21Hz的方波冲击信号下,外接电阻为50kΩ时,单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达0.28mW;当频率分别为5Hz、8.5Hz时,还可分别输出0.07mW和0.17mW的功率,俘能器出现多个峰值电功率。研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。     

一种悬臂曲梁压电俘能器研究

提出了一种基于压电悬臂曲梁式能量采集器。采用曲梁式结构能在较小空间范围内提高压电体的表面积从而提高了能量采集效率,同时曲梁结构还能较好的适应微机电系统对压电俘能器严格的尺寸限制。该文假设该悬臂曲梁式压电俘能器仅处于面内振动状态,并定义了其位移模式。仿真结果表明,随着曲率半径的增大,压电俘能器的俘能性能随之提高,当基底材料的弹性常数和密度均较小时,即使没有集中质量的调节,该曲梁式压电俘能器仍能在较低的谐振频率下俘获周围的振动能量。     

双端磁耦合式压电振动俘能器结构设计

现有的非线性压电俘能器的输出功率提升主要通过改变俘能器的结构或引入非线性元素,但这些方法在提高俘能结构的输出功率,拓宽俘能器的俘能频带方面能力受限。该文设计了一种双端磁耦合式悬臂梁结构压电俘能结构,在利用永磁体引入非线性元素的基础上优化俘能结构,进一步提高系统的输出电压,拓宽俘能频带。通过将悬臂梁俘能结构等效为复杂边界条件的悬臂梁,推导磁耦合式悬臂梁结构的工作状态方程,并得到磁耦合式悬臂梁俘能结构的输出电压与永磁铁间距的关系,并通过实验测试进行验证。结果表明,在永磁体间距为5mm时,压电俘能结构获得最大的输出功率,在最佳的永磁铁间距和负载电阻下,双端压电磁耦合式悬臂梁的输出功率可达传统悬臂梁式压电俘能结构的1.5倍,谐振频率下降约7Hz。     

压电悬臂梁俘能器输出特性仿真分析

为了研究压电俘能器的振动频率、内阻抗、负载及输出功率之间的耦合关系,基于ANSYS APDL软件,对单、双晶串联、双晶并联等多种不同配置方式的压电悬臂梁俘能器进行了压电 电路耦合分析。研究表明,俘能器内阻抗随振动频率呈现非线性变化,在短路谐振频率处达到最小值,在开路谐振处达到最大值;俘能器内、外阻抗匹配时,俘能器输出功率达到最优值;俘能器阻尼较小时,最优输出功率出现在短路谐振与开路谐振处,随着阻尼比逐渐增加,最优输出功率出现在两者之间,且只有一个峰值。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

风动压电发电机的结构设计及实验研究

物体在空中飞行时,或物体静止于流动的气体中,气体相对于物体进行流动,该流动的动能可使涡轮发生转动,运用涡轮转动时产生的力迫使压电振子进行振动,进行机械能与电能的转换,产生电能,通过桥式整流电路与贮存电路把该电能存贮下来,进行稳压后给一些电路进行供电.因空气流动的频率具有不确定性,研究了压电振子在非谐振环境下产生电能的原理与特点,进行了压电振子产生的电能作为电路电源可行性验证,设计了发电机的结构,进行了模拟实验.实验结果表明,运用强迫振动的方式可保证压电振子产生电能,利用该原理制成的压电发电机,具有无污染,活动部件少,激发时间短,产品易于小型化的特点.     

新型组合螺旋压电能量收集器的设计与研究

提出了一种新型组合螺旋压电能量收集器。该收集器的底部是直角螺旋结构,顶部是圆弧螺旋结构,圆弧螺旋结构固定在直角螺旋结构的质量块上。通过旋转圆弧螺旋结构90°,可以得到四种结构,角度分别为0°,90°,180°,270°。直角螺旋结构的设计可以降低谐振频率,而圆弧螺旋结构的设计不仅可以降低谐振频率,还可以使整体结构进行多方向能量收集,从而提高输出。文章所提到的单个悬臂梁结构的厚度为1 mm,宽度为6 mm。通过计算及仿真可得,当两种结构的组合角度为180°时,可以得到最大输出电压为13 V,最大输出功率为1.3 mW。     

基于圆盘压电振子的声能采集器研究

为有效的采集声能,该文提出了一种基于Helmholtz共鸣器和圆盘压电振子的声能采集器。入射声波的声压经Helmholtz共鸣器放大后作用于圆盘压电振子使其产生振动,通过压电效应将声能转化成电能。建立了Helmholtz共鸣器和圆盘压电振子的理论模型,分析了声能采集器的声电转换原理,研究了入射声压、声波频率和负载阻抗对声能采集器的输出功率的影响。仿真结果表明,当入射声压为100dB(2Pa)、声波频率为809 Hz时,声能采集器的最大输出功率为22.86μW,对应的最优负载为578Ω。     

非线性压电耦合对L型梁俘能器性能的影响

以二自由度的L型梁双稳态压电俘能器为研究对象,研究了非线性压电耦合关系中的一、二次非线性系数对俘能器输出功率和主梁运动的影响。通过对无量纲动力学方程的数值进行了仿真分析,结果表明,当激励幅值较大时,非线性压电耦合对俘能器输出功率和主梁运动有明显的影响;非线性压电耦合系数越大,输出功率越大,而俘能器的振动位移越小。非线性压电耦合的一次非线性系数取正值时,俘能器的响应优于线性耦合时的俘能器响应,取负值,则反之;而无论二次非线性系数取何值,非线性耦合时俘能器的响应都优于线性耦合时俘能器的响应。     

压电传声器的设计与改进

用多孔压电驻极体薄膜替代传统驻极体电容式传声器(ECM)的声电转换单元,制作出压电传声器。利用压电驻极体超薄的优势和对结构进行改进,将压电传声器的厚度从3mm降低到了1mm。为了解决压电传声器灵敏度低的问题,在后端电路采用了30dB增益的管芯。同时,为了减小寄生电容对灵敏度的影响,采用了单面布铜的印刷线路板(PCB),但将该传声器接入手机使用时会有电磁干扰(EMI)。改进PCB的设计,采用双面布铜的PCB,加强了电磁屏蔽,成功解决了压电传声器的EMI问题。最后,利用压电驻极体薄膜的防水性,并对压电传声器的电路进行了防水保护,使得压电传声器达到了IPX7防水标准。     

可穿戴式筒壳型压电能量收集器的研究与设计

针对可穿戴设备电源的供电及续航问题,采用了筒壳结构的压电能量收集器.探究了可穿戴筒壳结构压电能量收集器俘能的本质,并提出结构优化设计方案.首先指出筒壳结构的承载能力和初始能量与厚度成正比,且随着跨度的增大而减小;其次通过有限元仿真研究了基底和聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜尺寸与应力、应变的关系,指出PVDF的尺寸应尽...     

基于材料疲劳的压电俘能器结构设计

现有的压电俘能器是通过增加振幅来提高俘能器的输出功率,但这种方法增加了压电材料的疲劳负担,使锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)表面产生裂纹并迅速扩展,这使得整个俘能器的固有频率显著降低,对于俘能带宽本就很窄的压电俘能器来说无疑是毁灭性的。该文通过线性弹簧来拟合PZT的表面裂纹,建立了等效模型并推导出表面裂纹对结构固有频率影响的理论公式。理论推导得到了裂纹不扩展时的压电俘能器结构与环境的限制条件,并通过实验进行了验证。实验结果表明,当俘能器的振幅小于外加电场为1.5倍矫顽电场所等效的振幅时,系统的固有频率几乎不发生改变;而当俘能器的振幅大于此等效振幅时,系统的固有频率明显降低,而且振幅越大,下降速度越明显。