微型抗磁悬浮振动能量采集器结构研究与分析

针对微机电系统供电问题,提出一种新型的抗磁悬浮振动能量采集器结构。该结构消除了传统机械悬浮的能量损失,利用提升永磁体与悬浮永磁体之间的磁吸力抵消悬浮永磁体的重力,两个热解石墨薄板与悬浮永磁体之间的抗磁力作为回复力使悬浮永磁体回到平衡位置。通过有限元软件MAXWELL仿真计算,悬浮永磁体的最大活动范围1.3mm;同时,分析了在悬浮永磁体悬浮的范围内磁力的增量与抗磁力增量大小对比,得出了抗磁能量采集器的运动特性和稳定工作的范围为0.7mm。     

微型抗磁悬浮振动能量采集器结构分析与实验

研究了一种基于抗磁悬浮原理的微型振动能量采集器,自上而下主要由提升永磁体、上热解石墨板、悬浮永磁体和下热解石墨板组成,在上、下热解石墨板上电镀有铜线圈,利用电磁感应原理将悬浮永磁体的振动能量转化为电能。通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics TM对能量采集器整体结构尺寸进行仿真计算,并与实验结果进行对比,得到最大仿真误差为8.2%,可以作为能量采集器结构设计的依据,根据悬浮永磁体周围磁场分布情况,得到了铜线圈的最佳布置方案。通过对能量采集器的振动模型进行分析,得到能量采集器输出的峰值电压为22.5mV,为能量采集器的进一步应用打下坚实基础。     

微型抗磁悬浮振动能量采集器输出特性分析

针对目前研究的电磁式振动能量采集器都工作在较高频率的情况,文中研究了一种采集低频环境下振动的抗磁悬浮振动能量采集器。通过Ansoft Maxwell的仿真分析,得到悬浮永磁体周围磁感应强度B的变化规律,确定了感应线圈合理的分布位置,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。当热解石墨距离悬浮永磁体的位置不同时,系统对外界的频率响应不相同。仿真分析结果表明:当系统受到外界的加速度为6.25 m/s2,频率输入为2~12 Hz,线圈产生最大感应电动势145 m V,最大输出功率为19.7μW。     

同轴圆环永磁体磁力计算与实验对比研究

采用等效电流法对同轴圆环永磁体之间的磁力进行建模分析,得到含有广义完全椭圆积分的解析表达式,并使用数值方法对解析方程进行求解,得到模型在任意尺寸下磁力计算结果。通过有限元软件对磁力进行仿真计算,使用模型结果对仿真结果进行预测,得到R2值均大于0.995。最后将模型应用于一种抗磁悬浮能量采集器分析中,对悬浮磁体悬浮间隙进行研究,并将求解结果与实验结果进行对比,15组参数实验的模型计算误差均小于5%,验证了同轴磁体间相互作用力的有效便捷计算方法。通过Matlab求解磁体间磁力的方法,可用于基于磁力作用机理的驱动器和传感器分析与设计。     

抗磁悬浮石墨转子理论分析与实验

提出了一种由钕铁硼永磁体和高定向热解石墨转子组成的抗磁悬浮结构。石墨转子采用四个叶片结构,其重力与永磁体对它的抗磁力相等,从而实现转子稳定地悬浮在永磁体上方,并在外界驱动转矩的作用下发生转动。有限元软件中仿真得到石墨转子的悬浮高度为130μm,与实验测量值吻合较好,仿真误差为1.5%。实验中利用针孔喷嘴向转子叶片处施加切向气流作为驱动转矩,对转子的旋转速度与气流流速的相对关系进行了测试分析,发现转子最大转速可达500r/min。该抗磁悬浮结构有望用于非接触式的微型传感器和微型电机中。     

微型抗磁悬浮振动能量采集器静平衡研究

研究了基于抗磁悬浮原理的能量采集器的静平衡问题。该能量采集器自上而下由提升永磁体、上热解石墨板、悬浮永磁体、下热解石墨板以及两热解石墨板内侧的线圈组成。通过理论分析发现悬浮永磁体静平衡位置和两个热解石墨板间距有很大关系。利用有限元软件COMSOL Multiphysics TM对悬浮装置进行仿真计算,求得当热解石墨板间距L在时,悬浮永磁体所受合力存在1个零点,悬浮永磁体只有1个平衡位置;当时,悬浮永磁体所受合力有3个零点,分析其势能曲线,发现其中2个零点为其平衡位置。通过实验验证了平衡位置个数随热解石墨板间距变化而变化。分析了实验数据和理论曲线有偏差的原因,进而验证了理论分析的合理性,为能量采集器的设计和优化打下了基础。     

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。     

采用复合磁电换能器的宽带振动能量采集器

采用磁致伸缩/压电层合磁电换能器设计了一种新型的宽带振动能量采集器,采集器由多个悬臂梁、磁电换能器和永磁体组成,将磁电换能器和提供磁场的永磁铁分别与悬臂梁构成具有不同固有频率的弹性结构,从而响应不同频率的机械振动.推导了换能器和永磁体组间磁力作用下能量采集器的动力学方程及其电输出模型;借助磁场分析软件Ansoft's Maxwell研究了影响能量采集器的频率特性及电能输出的因素,为获得最优性能的能量采集器提供设计依据.根据分析设计了振动能量采集装置并进行了实验,实验结果表明:在振动加速度为0.2 g(g=9.8 ms-2)时,当两悬臂梁间频率差为3.6Hz时,振动能量采集器响应频带宽度从单梁结构的0.8 Hz增加到双梁结构的5.0 Hz,负载电阻为1 900Ω时,其上的功率达到最大0.22 mW.     

横向电磁式振动能量采集器的设计与制作

基于微机电系统(MEMS)设计了一种结构新颖的横向电磁式振动能量采集器,用于把周围环境中振动的机械能转化为电能.该能量采集器主要由两块长方形永磁体、螺旋铜线圈、质量块-弹性梁振动系统及衬底等构成.选用有限元分析软件对器件结构参数进行了仿真分析与优化,并利用电镀技术制作螺旋铜线圈,KOH湿法腐蚀和深反应离子刻蚀(DRIE)技术制作质量块-弹性梁振动系统,然后与永磁体一起组成了体积大约为100 mm3的能量采集器样机.对制作好的电磁式振动能量采集器样机的振动特性测试表明:质量块-弹性梁振动系统的一阶固有频率为241 Hz;在频率为241 Hz、加速度为2.8 ms-2的外界振动激励下,负载两端产生的交流电压峰峰值为9.2 mV.另外调节质量块和弹性梁的参数,还可以得到不同固有频率的能量采集器.该能量采集器实现了从机械能到电能的转化,对无线传感器件的发展和应用很有意义.     

一种采用复合磁电换能器的振动能量采集器

设计了一种由悬臂梁、磁电换能器和永磁体组成的新型振动能量采集器.环境振动引起换能器与永磁体相对运动,使得作用到换能器的磁场变化,变化的磁场引起换能器得到电输出.理论分析了影响换能器与永磁体相对运动的磁场力和永磁体的非线性运动情况.实验结果表明:在振动激励频率为33 Hz,振动加速度为0.5 g的条件下,输出电压峰峰值45.1 V,输出功率112.1 μW.     

三稳态压电能量采集器的动态特性与实验

为了探究三稳态压电振动能量采集器的动力学特性,以磁-机-压电耦合型三稳态压电振动能量采集器(tristable piezoelectric vibration energy harvester,简称TPVEH)为研究对象,利用磁荷法、力平衡和基尔霍夫定律分别建立了采集器末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型和系统集总参数动力学模型。仿真分析了磁铁间距、激励加速度幅值和频率等参数对采集器动力学特性和采集电压的影响。研制了三稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验验证了仿真结果的正确性。研究结果表明,随着激励加速度幅值增大,能量采集器依次经历单稳态、双稳态和三稳态3种运动状态,且三稳态运动时的工作频带和输出性能(位移、速度和采集电压)比双稳态和单稳态时要高。     

非线性压电式能量采集器

由于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,本文基于非线性振动研究了一种压电式能量采集器。基于Duffing模型测试得到了非线性压电能量采集器的振动方程,对其振动特性进行了仿真测试。在不同永磁体间距的条件下,测试了非线性压电式能量采集器的开路输出电压,结果表明,当激振台加速度为20m/s2时,该非线性压电式能量采集器的最大输出电压从线性系统输出时的131V提高到208V,最大输出功率为43.264mW,主共振频率变化范围达到18Hz。该Duffing模型的结构可以在小范围内改变非线性压电式能量采集器的共振频率,同时提高其输出电压。     

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。     

多方向宽频磁电式振动能量采集器

针对目前振动能量采集器只能拾取环境振动中一个方向的能量,以及响应频带较窄的问题,提出并设计了一种由弹性圆柱悬臂梁、环形磁路和复合磁电换能器组成的多方向宽频带振动能量采集器.圆柱悬臂梁具有在其横截面内沿任意方向振动的特性,同时,借助磁力耦合,使任意方向振动具有非线性的特点,从而采集器实现多方向宽频带振动能量拾取.理论推导了磁力作用下圆柱悬臂梁的非线性动力学方程,以及电压输出模型;借助磁场分析软件Ansoft Maxwell分析了矩形、圆形和环形永磁铁分别组成3种磁路的磁场分布,研究了不同磁路中磁力、磁场强度及其变化量等因素对动力学方程和电压输出的影响,为获得更优性能的采集器提供了设计依据.实验结果表明:在5.88 m/s2的加速度下,具有环形磁路的采集器能够拾取0°～ 180°多方向的振动能量,各个方向响应频带宽度达到4.4～5.6Hz;负载电阻为3 MΩ时,采集器输出0.5 mW的最大功率.     

基础振动对磁悬浮盘片系统动力学行为的影响研究

建立了基础-磁力轴承-盘片系统的动力学模型,仿真研究了磁力轴承的基础受不同频率、不同幅值正弦激励和阶跃激励时磁悬浮盘片系统的动力学行为,并对系统进行了激振实验。结果表明,磁力轴承的控制器对系统基础振动的抑制能力有限;当激励频率和振幅超过一定范围时,转子会失稳,因此当磁力轴承用于基础运动的场合时,控制器的设计应考虑基础振动的影响。     

基于惯性旋转结构的低频振动能量采集器研究

对周围环境一些常见振动源进行采样与频谱分析,结果表明,低频振动源分布广泛且通常具有较大的振动加速度,是振动能量采集的理想来源。针对低频振动源,提出一种基于惯性旋转结构的能量采集器,可以将直线运动转换为高速惯性旋转运动,并对其工作原理与动力学模型进行详细分析。试验结果表明,该能量采集器可以从成年人的一次踩踏中收集到85.2 mJ能量,瞬时输出功率最高可达32.2 mW。通过持续收集人体行走产生的能量,该能量采集器能够成功驱动一个无线传感健康监测系统正常工作。此外,通过优化器件的尺寸及结构,该能量采集器还可以被用于采集海洋波浪能量,其平均输出功率可达112.2 mW,功率密度为58.87 μW/cm³,并探究了器件结构参数、外界激励条件等因素对输出的影响。     

磁悬浮振动测试系统的混沌运动

磁悬浮振动测试系统在一定条件下存在混沌运动,直接影响系统正常工作.为了解磁悬浮振动测试系统的混沌特性,推导了磁悬浮球运动的动力学方程,并建立了磁悬浮振动测试系统的仿真模型.在光电增益、控制电路电压增益、电流增益和磁力系数不变的情况下,通过改变磁悬浮球控制系统微分参数、光电位移传感器安装位置和磁悬浮球初始位置项对振动测试系统的混沌运动特性进行了研究,得出了产生混沌的边界条件,最后得出了系统的最优参数.实验结果表明,在最优条件下,系统能够达到稳定工作.     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

多方向宽频带压电式振动能量采集器研究进展

本文介绍了压电振动能量采集器的工作原理,阐述了振动能量采集器中的单/双晶片、Rainbow型、Cymbal型、褶皱型等几种常见和新研发的压电换能元件的结构形式和相应特点。然后,针对如何提高压电振动能量采集器的环境适应能力,介绍了振动能量采集宽频带和多方向两个研究方向,以及国内外在这两个方面的最新研究进展。着重阐述了压电振动能量采集器的拓宽频带宽度、调整共振频率等宽频带能量收集的实现方法,以及非线性磁力耦合结构、立方体-球结构、蒲公英状结构等多方向能量收集的实现方式。最后,对多方向宽频带压电式振动能量采集器的发展趋势进行了展望。     

抗磁悬浮研究综述

抗磁悬浮技术利用物质的抗磁特性,无需外界能量输入即可实现常温被动静态稳定悬浮,获得众多学者的关注。尤其是近30年来,随着微细制造与强磁场技术的发展,抗磁悬浮相关研究持续增加。目前,国外众多研究机构基于抗磁悬浮原理已经开展了较为丰富的相关研究工作,但国内在该领域的研究成果相对较少,研究内容较为单一。针对国内该领域这一研究现状,从抗磁悬浮机理、抗磁悬浮特点及抗磁悬浮相关应用研究成果进行全面的综述。提出抗磁悬浮不仅具备无磨损、无需润滑、低能耗等优点外,还具有常温被动静态稳定悬浮、微纳米尺度应用、低刚度等特点;指出该技术在微纳旋转机械、振动能量捕获、高灵敏度传感器、生物细胞/微粒子操纵等领域具有非常广阔的应用前景。为国内学者开展相关抗磁悬浮研究提供了综述资料。