复合型悬臂梁压电振子振动模型及发电试验研究

单悬臂梁压电振子俘获环境中振动能时,对环境振动频率敏感且频带有限,在谐振频率与环境振动频率不匹配的情况下,会导致压电振子俘能效率低下。基于此,设计复合型悬臂梁压电振子并建立其振动模型,采用激光测振仪对复合型悬臂梁压电振子进行扫频测试。研究结果表明,复合型悬臂梁压电振子谐振频率范围为56～72Hz,与理论分析结果基本吻合,试验验证了理论模型的正确性。相比于单悬臂梁压电振子,复合型悬臂梁压电振子有效地拓宽了其谐振频带,易于实现与环境振动源振动频率匹配以提高压电发电效率。在此基础上,进行复合型悬臂梁压电发电装置的发电能力测试,在负载为820?,工作频率为60Hz时最大输出功率达到4.9mW,产生的能量能够满足网络传感器等低耗能微电子产品的供能需求。     

多组多层宽频压电发电装置的发电性能

为了改善单层压电发电装置的发电性能和适应更宽范围的振动频率,提出了一种多组多层宽频悬臂梁压电发电结构。运用ANSYS软件建立了每组多层压电发电装置的有限元分析模型,并进行了静力和模态分析,得到了各组的固有频率。由静力分析可知,每组结构中各层悬臂梁的变形和应力分布规律几乎相同。建立了单层压电悬臂梁的耦合分析模型,计算得到其固定端在受到外界激励作用下的发电电压。为了验证有限元计算结果的正确性,制造了其中一组多层悬臂梁结构,并通过实验测试了固有频率和发电电压,实验测试结果和计算结果一致。最后,研究了每一组单层悬臂梁在不同振动频率下的发电能力,研究结果表明:当外界振动振幅为1 mm,频率在35 Hz到55 Hz之间变化时,该多组多层压电发电装置的发电性能较好,三组中至少有一组单层悬臂梁的发电峰值电压在2.8 V以上。     

Z型压电振动能量收集装置

为解决压电振动能量收集结构难以同时满足宽频带、三维、高效采集等要求的问题,提出一种以Z型梁代替集中质量块的压电振动能量收集结构。通过Z型梁引入非线性质量,使收集器在低频范围内集中更多模态,拓宽采集频带。利用Z型梁结构的纵向和横向不稳定性实现收集器的三维度能量采集功能。分析了Z型梁在宽度增加后的动力学特性,探讨了压电片阵列排布的采集性能,并建立仿真模型和搭建实验平台,与螺旋形梁结构和经典悬臂梁质量块结构的动力学特性进行了对比。仿真及实验结果表明:当梁折叠层数为7层时,频率在50 Hz以内的模态数量达到了9个,在1～100Hz间隔1Hz的谐波激振下,Z型压电梁正向的采集电压-频率曲线峰值多达4个,且主要集中在0～40Hz,最大开路电压达到16V,大大拓宽了采集频带;横向和纵向的最大开路电压峰值均在10V以上,横向和纵向的采集电压-频率曲线峰值数量均大于4个,实现了三维度能量采集,负载10kΩ时最大输出功率达到了0.18mW;在Z型梁宽度增加到100mm时,在200Hz范围内模态数大于30个,双贴片串联采集电压曲线峰值多达4个,最大电压达到了14V,验证了Z型梁适用于压电片阵列排布。     

新型多层悬臂梁压电发电装置发电性能研究

为了提高压电发电装置的发电能力,设计一种新型蝴蝶式多层悬臂梁压电发电装置。基于ANSYS 12.0有限元软件,建立三层悬臂梁压电发电装置的有限元模型,对装置进行了静力分析以及模态分析。有限元分析结果表明,该多层发电装置每一层的应力和变形规律基本一致,符合悬臂梁结构的典型特征。在此基础上,建立单层悬臂梁的压电耦合有限元模型,分析每一层悬臂梁模型的固定端(基座)在承受外界激励载荷作用时的电压分布和电压响应曲线。制作了三层压电发电装置,并对装置的应力、固有频率和开路输出电压进行了试验测试,试验测试结果与仿真结果基本吻合。对单层压电悬臂梁在不同外界激振频率和振幅作用下的发电性能影响规律进行了试验与仿真研究。结果表明:该蝴蝶式多层悬臂梁压电发电装置在受到频率为38 Hz,振幅为1.25 mm的环境振动载荷作用时,具有最佳的发电性能。     

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

压电材料在外力的作用下可以产生电荷,将这部分电荷收集起来可以为微功率电器提供电能。在对单层悬臂梁压电发电装置进行实验研究的基础上,设计并制作出多层悬臂梁压电发电装置;对两种装置的实验结果进行研究分析,不仅拓宽了悬臂梁压电发电装置的谐振频带,更有效地提高了其发电能力。     

并联磁力耦合式俘能器及其特性研究

传统双稳态悬臂梁压电俘能器存在效率低、频带窄的弊端.为了提高俘能频带,本文提出一种并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置,引入了磁力的耦合及压电片的并联.通过建立集中参数的的数学模型,使用龙格库塔数值仿真法对比分析了简谐激励下并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置与单悬臂梁双稳态俘能器的运动状态及俘能特性.最后搭建实验平台进行实验验证.结果表明,磁力耦合和并联的加入,使得并联耦合式压电俘能器较传统单悬臂梁俘能器分别在7 Hz与15 Hz具有两个谐振频率,增宽了俘能器的俘能频带,以输出功率大于8×10-6 W为有效频带,则俘能带宽提高约为19％.     

基于压电发电的隧道环境中能源的利用

通过对隧道环境内可利用能源进行测试研究,设计了一种适用于隧道环境的压电悬臂梁发电装置.针对地下隧道环境的振动频谱特征,选择高性价比的压电材料,通过有限元方法进行仿真研究,设计合适尺寸与材料的压电悬臂梁.设计采集系统外围电路,实现低能耗收集利用压电装置转化得到的振动能量.     

高性能多方向双圆弧形压电能量收集系统

为了解决传统压电能量收集系统通频带窄、功率密度低的问题,本文采用线性多模态共振法,提出一种双圆弧悬臂梁内 外反向拼接的压电能量收集系统。 两根梁上各覆盖一个压电层,压电层之间串联连接。 建立二自由度系统集总参数模型和机 电耦合模型来分析频率响应和输出性能。 对比压电层弧度不同的压电能量收集系统的输出性能,根据测试结果,当弧度为 0. 5π 时输出性能最佳。 设置激励加速度为 0. 1 g,一阶模态下,谐振频率为 82. 19 Hz,开路电压为 49. 65 V,最大输出功率为 3. 74 mW;二阶模态下,谐振频率为 119. 14 Hz,开路电压为 44. 74 V,最大输出功率为 3. 54 mW。 测试结果表明,该结构可有效 拓宽通频带宽度至 52 Hz,且功率密度高。 该压电能量收集系统结构简单易于制备,工作频带宽,可在频率波动大的环境下供 电,同时体积小、功率密度大,能在多方向激励下高效率收集能量,可应用于可穿戴设备、低功率设备等多个领域。     

MEMS低频压电振动能量采集器

设计了基于微机电系统（MEMS）的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频（小于200 Hz）振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁,二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示：采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势;传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽;而二阶传动梁可以在1g加速度条件下,获得10.98 Hz和44.52 Hz两个超低频率的电压峰值（分别为3.18 V/g和1.33 V/g）,使系统工作频率降得更低,50 Hz以下的有效工作带宽更宽,更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。     

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。     

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。     

DESIGN,MODELING, AND PERFORMANCE MEASUREMENTS OF A BROADBAND VIBRATION ENERGY HARVESTER USING A MAGNETOELECTRIC TRANSDUCER

This article presents a new broadband vibration energy harvester using a magnetoelectric (ME) transducer. In order for vibration energy harvesters to be efficiently applicable over a range of vibration frequencies, many techniques have recently been investigated to broaden the frequency ranges of the harvesters using piezoelectric, electromagnetic, or electrostatic transductions, but few have been studied in the harvesters using ME transducers. In this article, a new harvester using a ME transducer is proposed, which takes advantage of multi-cantilever beams and nonlinear behavior of the magnetic force to expand the working bandwidth in ambient low frequency vibration. A theoretical model is developed to analyze the nonlinear vibration of the harvester, and the effects of the structure parameters on the electrical output and the bandwidth of the harvester are analyzed to achieve the optimal vibration energy harvesting performances. The experimental results on the performances show that the harvester has bandwidths of 5.2 Hz, 6.3 Hz, and 7.2 Hz, and the maximum output power values of 0.21 mW, 0.6 mW, and 1.03 mW at the accelerations of 0.2 g, 0.4 g, and 0.6 g (with g = 9.8 ms^?2), respectively.     

压电阵列双相能量收集器的有限元分析模型

文中基于压电阵列双相能量收集器的压电效应和磁–力–电耦合效应,提出了一种宽频的能量收集结构.该结构可同时俘获环境中广泛存在的机械振动和磁场能量,从而实现低功耗电子设备的自供电.利用有限元软件COMSOL建立了压电阵列双相能量收集器的几何模型并进行数值仿真,分析了不同载荷以及组份材料参数对俘能器性能的影响.研究结果表明,...     

基于钢轨吸振器的多模态复合式俘能器性能研究

针对现有的轨道振动俘能器效率低的问题,设计了一种钢轨吸振器和多模态压电电磁复合式俘能器结合的复合吸振器,在有效减轻轮轨系统振动的前提下回收振动能量,为低能耗轨旁设备供电.建立了车轮钢轨复合吸振器系统的摩擦耦合振动模型,与现场实测数据进行对比验证了模型的正确性.在此基础上,分析了多模态复合式俘能模块对轮轨系统振动特性的影...     

压电悬臂梁采收低频振动能的理论分析与仿真

采收环境振动能量为无线网络传感器供电是近年来研究的热点,目前还没有一个完整的理论和解决方案.文中设计了一种压电悬臂梁结构的环境振动能量采收装置,研究了悬臂梁压电振子结构受激励后产生电荷量与频率的关系,并进行了ANSYS仿真,得出了最佳的机电耦合模型和压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响的关系.为采收环境低频振动能量,实现网络传感器自供电装置提供了设计的理论依据.     

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.     

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。     

悬臂梁单晶压电发电机的实验研究

建立了悬臂梁单晶压电振子的发电测试系统,对压电晶体与磷青铜基板材料的厚度比对单晶压电振子输出电压的影响进行了有限元分析,得出了压电晶体与磷青铜基板材料的最佳厚度比并进行了实验验证,同时对具有最佳厚度比的单晶压电振子进行了压电发电能力测试。研究结果表明,当压电晶体与磷青铜金属基板的最佳厚度比为0.5,单晶压电振子的输出电压最大,有限元分析与实验结果基本吻合。单晶压电振子输出电压随着负载的增大而随之增大,而输出功率并不随负载的增大而增大。压电振子存在一个最佳负载,当负载与压电振子内阻匹配时,此时的输出功率最大,能量转化效率最高。单晶压电振子在负载为50 时,输出电压最大可达5.4 ;当负载电阻为 时,负载与压电振子内阻匹配较好,输出功率达到最大为1.18 ,产生的能量能满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。