三稳态压电振动能量采集器的动力学建模、仿真与实验研究

为探究磁－机－压电耦合型三稳态压电能量采集器的非线性动力学行为,利用磁偶极子点荷方法计算得到了能量采集器末端受到的非线性磁力,基于欧拉－伯努利梁理论和拉格朗日方程建立了三稳态压电振动能量采集器的分布参数机电耦合动力学模型,仿真分析了系统参数(d、dg)对能量采集器的势能、磁力以及非线性动力学输出特性的影响,研制了磁－机－压电耦合型三稳态振动能量采集器原理样机,搭建了样机实验平台,实验验证了理论模型与仿真结果的正确性。研究结果表明:适当调整d后和dg可使压电振动能量采集器分别作单稳态、双稳态和三稳态运动,其中三稳态运动存在3个势能阱,势能阱的深度和宽度均小于双稳态压电振动能量采集器的势能阱深度和宽度,这有利于提升振动能量采集器的工作频带和采集输出效率。     

基于卡门涡街的水下振动能量采集器的设计与研究

针对传统的单自由度压电能量采集器工作带宽窄的现状,提出了在水下流激振动环境下的一种基于卡门涡街的二自由度宽频压电能量采集器来提高压电能量采集器的带宽,3 种二自由度压电能量采集器分别被设计、制造,并且测试了能量采集性能。结果表明,采用二自由度能量采集器比采用传统的单自由度能量采集器具有更好的采集效率,根据仿真和实验结果,H型压电能量采集器具有更好的振动能量采集效率。     

非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究

为了提高线性压电振动能量采集器的输出特性,在线性压电振动能量采集器悬臂梁末端引入Duffing非线性磁力,构造了一种双稳态非线性压电振动能量采集器;综合考虑能量采集器的动态振型与轴向应变分布情况,建立了系统非线性机电耦合集总参数运动控制模型,并利用4阶、5阶Runge-Kutta算法对能量采集器的非线性振动特性进行了数值模拟;利用谐波平衡法计算获得了能量采集器的幅频响应方程,数值分析了激励频率、激励幅值以及磁铁间距等对系统非线性振动特性的影响,发现双稳态运动可以极大地提高能量采集器的频率响应范围和能量采集效率,并且能量采集器在低频、低幅值激励情况下可以产生大幅值周期运动;最后,通过实验对数值计算结果进行了验证.     

双梁磁力压电振动能量采集器的实验和仿真

基于非线性技术改善能量采集器的能量采集效果作用,本文研究了非线性磁力耦合的双悬臂梁压电振动能量采集器,该采集器由两条不同的固有频率悬臂梁与永磁体组成.本文给出双梁磁力耦合压电能量采集器模型并建立了动力学方程式,通过实验测试获取相关参数与拟合磁力公式,数值仿真分析了双梁固有频率比1∶1.2与1∶1.5和永磁体初始间距40mm与30mm的4种结构能量采集器的电压输出性能与频率特征.根据数值分析设计实验:外激励加速度3m/s2作用下,双梁磁力结构能量采集器比单梁线性结构多一个电压共振峰;双梁固有频率比为1∶1.5比双梁固有频率比1∶1.2的电压响应带宽宽;初始磁距30mm共振峰值分别为(12Hz,39.4V)与(18Hz,13.4V)比初始磁距40mm两电压共振峰高且电压共振峰峰之间的电压输出比其他组合结构高.     

带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器

针对带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器,利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法建立了压电振动能量采集器的机电耦合分布参数模型.重点分析了激励频率Ω≥1时系统质量比、刚度比、磁铁对间距等参数对系统输出性能的影响.研制了压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验测试了压电振动能量采集器的输出性能.研究结果表明带弹性放大器的压电振动能量采集器是一个非线性双自由度系统,具有两个双稳态运动区域;在激励频率Ω≥1时压电振动能量采集器需要较大的激励能量才能进入大幅值周期振动状态.     

悬臂梁式压电双晶片振动能量采集器的模型与实验研究

针对悬臂梁式双压电晶片振动能量采集器的质量效应问题,通过幅值修正方法建立了能量采集器的集总参数修正模型,利用阻抗分析和导纳圆法对模型参数进行了识别,得到了采集器在简谐基础激励作用下的机电耦合输出传递函数表达式;建立了悬臂梁压电振动能量采集器的实验系统,实验与仿真分析了悬臂梁末端质量、负载电阻等对能量采集器输出特性的影响,结果表明理论仿真结果与实验结果具有很好的吻合度,证明本文模型有利于提高压电振动能量采集器输出性能的分析预测精度。     

等强度梁式压电振动能量收集器特性研究

为了提高微型悬臂梁式压电振动能量收集器的压电材料利用率,增强其能量转换效率,基于等强度梁理论设计了一种微型压电式振动能量收集器.分析了该能量收集器的力学特性及机电耦合特性,并且与等截面悬臂梁式振动能量收集器进行了对比.研究结果表明:微型等强度梁式压电振动能量收集器的固有频率低、表面应力分布合理、压电材料利用率高、能量输出密度大,其性能明显优于等截面梁式压电振动能量收集器.     

复合式压电振动能量收集器的研究

为解决无线传感器网络和便携式电子产品的自供能问题,研究了基于电磁耦合的压电悬臂梁式振动能量收集器.理论分析表明,通过增加压电悬臂梁的所受外力,可以按平方关系提高其产生的发电量.即采用PZT4压电元件及铍青铜作为金属基板,以固定于基板末端的永磁铁作为质量块制作了基于电磁耦合的悬臂梁式压电振动能量收集器.实验表明,压电悬臂梁附加永磁铁后其最大输出电压增加了222％,压电悬臂梁在磁场强度分别为0T与1T的作用力下,电压值的增幅分别为0.38％和2.12％.     

抗磁悬浮能量采集器振动与输出特性分析

对抗磁悬浮振动能量采集器中悬浮永磁体的非线性振动特性进行了分析,并在此基础上分析了感应线圈结构参数对输出特性的影响.利用MATLAB软件的Simulink组件仿真分析采集器的非线性振动特性,利用有限元分析软件COMSOL对能量采集器的输出特性进行了仿真分析.通过改变线圈参数发现,在线圈体积一定时,输出功率变化很小,电压随着铜线直径减小增加很快,所以可以通过微细加工减小铜线直径的方法来提高线圈的输出电压.最终在线圈总体积约为6.4 mm3,铜线直径为0.02 mm,匝数为500匝时,得到的电压峰值达到约93.8 mV.     

基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器模型与实验研究

针对刚性支撑压电振动能量采集器工作频带窄、采集效率低等问题,提出了一种基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器.利用有限元方法建立了宽频压电振动能量采集器的机电耦合模型,通过Ansys软件仿真分析了能量采集器结构参数对其频域输出特性的影响;根据力学和电学平衡方法建立了宽频压电振动能量采集器的集总参数机电耦合运动微分方程,利用4-5阶龙格库塔算法对方程进行了时域求解,仿真分析了能量采集器在不同结构参数下的振动位移、速度、输出电压和功率等性能.研制了弹性支撑和放大的宽频压电振动能量采集器原理样机,建立了样机系统实验平台,并对理论研究结果进行了实验验证,结果表明本文所提的宽频压电振动能量采集器具有工作频带宽、输出性能高等优点,适合为微电子器件进行供电.     

双稳态压电振动能量采集器的时-频域动力学特性及实验研究

为揭示双稳态压电振动能量采集器系统参数对其时－频域动力学特性的影响,利用等效磁荷法和拉格朗日方程及基尔霍夫电流定律分别建立了双稳态压电振动采集器的非线性磁力模型和系统分布参数动力学方程。基于谐波平衡法对双稳态压电悬臂梁振动能量采集器的动力学响应特性进行了解析,并分别从频域和时域角度仿真分析了系统参数对采集器动力 学响应特性的影响规律,实验验证了仿真结果的正确性。研究结果有利于对双稳态压电振动能量采集器的结构优化设计和综合性能的提高。     

超声液体环境下压电式振动能量采集的研究

针对在液体环境下工作的器件不利于直接供能这一难题,制作了一种可在液体环境下工作的振动能量采集器,采用压电悬臂梁结构在液体环境中采集水中的超声能量,在32 kHz超声频率激励下,最高获得了5.04V的输出电压.通过改变超声波与悬臂梁的相对方向及液体盐分质量分数,发现能量采集器在超声液体环境下工作的发电效率随盐分质量分数的...     

一种宽频的磁式压电振动能量采集器

基于环境能量采集的压电振动能量采集器为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案.目前研制的压电式振动能量采集器存在工作频率高,且频带窄的问题.给出了一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器,并搭建了测试系统对器件进行分析测试.在压电悬臂梁上放置永磁铁取代传统的质量块,同时在悬臂梁的上...     

不同频带宽度的振动能量收集器研究进展

振动能量收集器由于具有体积小、寿命长、高能量密度等特点,被广泛用于微机电系统设备的供电.从频率角度出发,介绍了单谐振频率、宽频式、频率可调式三种不同频带宽度的振动能量收集器,并系统介绍了上述结构优缺点、国内外现状和发展趋势.其中,单谐振频率能量收集结构最为简单,研究较早,技术比较成熟.而宽频式和频率可调式由于更加符合外界环境振动条件,成为研究热点.     

压电振动能量采集器的力电耦合模型及其功率优化*

为提高传统压电振动能量采集器集总参数模型的性能预测精度,考虑悬臂梁的振型信息与轴向应变分布情况,提出了一种改进的力电耦合模型,该模型引入无因次幅值修正因子,通过曲线拟合方法确定了修正因子与振型函数和振动幅值之间的关系表达式;利用Rayleigh-Ritz模态分析法确定了力电耦合模型中的集总等效参数(如质量、刚度等),并根据弹性动力学原理建立了能量采集器的运动控制方程,得到了稳态时能量采集器的力、电输出响应表达式;最后,利用改进的模型对能量采集器的负载电阻和输出功率进行了优化,得到了负载短路和负载开路时能量采集器的最优输出特性。仿真结果与实例对比验证了提出模型的正确性,表明改进的力电耦合模型具有较高的预测精度。     

基于MEMS的多模态电磁式能量采集器设计与仿真

提出了一种磁铁层和线圈层均能振动的电磁能量采集器方法,设计了磁铁、线圈、支撑层组成的“三明治”结构,并用COMSOL软件对其进行了模态、静态和谐响应仿真,结果表明:设计的结构可实现400 Hz以下6个振动模态,5个方向振动能量的采集,为进一步工艺生产奠定了基础.     

基于圆柱梁的多向驰振风能采集器仿真分析

为了实现多向风能的采集,提出一种基于压电圆管和末端钝体的驰振风能采集器。通过多物理场耦合仿真分析了采集器模态以及压电圆管输出性能与振动频率、电阻及激振力的关系;模态及输出特性仿真结果显示,方柱钝体采集器的一阶和二阶固有频率均为14.26 Hz,工作在固有频率附近时可获得较高输出;存在最优负载电阻,为3.16 MΩ;压电圆管输出电压随激振力的增加而增加。方柱钝体的二维流场仿真结果显示,在各角度下,方柱结构均能受到相应横向气动力作用,实现多向风能的转换。三维流固耦合仿真分析结果显示,由于圆柱梁的对称特性,采集器受到二维平面不同方向风作用时均能产生振荡,验证了采集器的多向性能。     

压电折叠梁微执行器的低电压优化设计

采用理论分析和有限元数值模拟相结合的方法,对压电折叠梁微执行器在低电压下工作时的器件结构进行优化设计。首先通过理论分析获得优化的器件结构参数,再通过有限元模拟验证理论分析结果。在器件设计中,通过综合考虑制造工艺、工作条件、器件应用的可靠性,对压电悬臂梁长度、单晶硅层厚度、折叠梁级数,以及工作电压进行折衷优化,获得低电压应用时最佳的器件参数。     

基于抗磁悬浮的气流能量采集器

研究了一种由外壳、提升磁体、上热解石墨板、线圈、永磁体转子和下热解石墨板构成的气流能量采集器,自由悬浮于两热解石墨板之间的永磁体转子可在外界气流的作用下转动,并在线圈中产生感应电压。采用有限元软件COMSOL Multiphysics 5.3和ANSYS Maxwell 16.0建立仿真模型,对能量采集器的悬浮特性、驱动特性和输出特性进行仿真分析通过实验验证,发现当喷嘴为83°时转子所受的气流驱动力矩最大;实验测试永磁体转子悬浮高度56.5 mm,与仿真高度57.5 mm误差仅为1.77%;能量采集器稳定工作的气流量范围为137 sccm^733 sccm,最大输出电压可达160 mV。     

基于非线性磁力的压电式旋转能量采集器

旋转机械能广泛存在于生产生活中,为了提高能量采集效率,解决现有旋转能量采集器结构复杂的问题,拟提出一种基于非线性磁力的压电式旋转能量采集器。首先推导了使用n组磁铁的能量采集器的非线性动力学方程。并基于MATLAB对其能量采集性能进行了数值仿真,最后通过实验对系统的输出特性进行验证。结果表明：随着外部激励幅值的增大,系统的响应幅值随之增大。当使用n组磁铁时,达到最大输出功率所需的转速与n成反比。在转速530 rpm时,开路输出电压达到43.6 V,输出功率达8 mW。使用单个磁铁对3.3μF电容充电,功率达到322.21μW,使用两个旋转磁铁时达到483.32μW。