基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器

提出一种基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器来实现低频、高强度振动能量回收.介绍了浮能器的系统构成及工作原理并进行了理论及试验研究.理论分析结果表明,压电液压俘能器的性能是由环境振动频率/振动强度、液压缸/压电振子的结构性能参数、流体容积/特性以及系统背压(蓄能器预置压力)等多种要素共同决定的,仅当各要素配置合理时才能实现压电液压俘能器的预期功能.采用外径为60 mm、厚度为0.9 mm的双晶压电振子及外径为16 cm,长度为100 cm液压缸制作了试验样机,并以水为工作介质进行了不同频率/背压/激振器振幅条件下的试验测试.试验结果表明,存在最佳工作频率(8Hz)使压电液压俘能器输出电压最大,且输出电压随系统背压及液压缸振幅的增加而增加.其它条件不变时,0.4 MPa背压下的输出电压是背压0.2 MPa时的1.65倍.     

压电-气动隔振器的能量回收特性

为实现低频／高强度振动能量回收以及基于能量回收的主动振动控制,提出一种压电-气动隔振器,介绍了其系统构成原理,并进行了其能量回收特性的理论与试验研究。理论分析结果表明,压电-气动隔振器的发电能力是由环境振动强度、气缸／压电振子的结构性能参数、气体容积／背压等多种要素共同决定的。其他条件确定时,发电量／电压随背压增加呈指数规律递增,且存在最佳的压电振子的厚度及厚度比(基板厚度／总厚度)使发电能力最大。采用Φ60×0.9mm3双晶压电振子及Φ16×100mm3气缸制作了试验样机,测试了频率／背压／振动强度对输出电压的影响规律。结果表明,在给定试验条件下,压电 气动隔振器输出电压随背压及气缸活塞振幅的增加线性递增,0.4MPa背压时输出电压约为无背压时的5倍。此外,还存在最佳工作频率(5 Hz)使其输出电压最大。     

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。     

双磁耦合式压电振动俘能器的性能分析与试验

为满足远程监测系统的自供电需求,针对现有压电振动俘能器存在的问题,提出一种双磁耦合式压电振动俘能器,通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器,使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真,获得了定磁铁间距与水平耦合间距对系统势能的影响规律,以及不同激励条件下的系统动力学响应特性。为验证俘能器原理的可行性与仿真结果的正确性,制作了样机并测试了不同条件下俘能器的输出特性。结果表明：激励频率对俘能器输出波形影响较大;选取适当的定磁铁间距和水平耦合间距(11 mm≤d≤12 mm,10 mm≤l≤16 mm),可有效降低俘能器固有频率、拓宽频带且幅频特性曲线较为平坦,进而提高了俘能器的环境适应性和可靠性;激励频率为12 Hz、16 Hz及20 Hz时,试验所获得的最大输出功率分别为1.27 mW、2.88 mW及5.31 mW,其所对应的最佳匹配电阻约为70 kΩ。     

简易压电晶片式液压发电装置的设计及试验

为实现低频率,高强度的振动能量回收和利用,提出一种基于压电流体耦合作用的压电晶片式液压发电装置。通过理论分析设计结构,采用直径60mm,厚度1.6mm的压电晶片以及直径16mm,高度50mm的液压缸制作样机,用水作为工作介质,测试了装置在不同激励频率、激励电压、系统背压及加载质量等条件下的电压输出情况。试验结果表明:当激励频率(工作频率)在27Hz左右时,该压电晶片式液压发电装置的输出电压达到最大,且在一定的范围内,发电装置输出电压随着激励电压、系统背压及加载质量的增加而增加,验证了液压-压电发电的可行性。     

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。     

一种错位旋磁激励压电俘能器

为解决现有旋磁激励压电俘能器动磁铁与定磁铁正对激励时易发生碰撞的问题,提出一种错位旋磁激励的压电俘能器,并进行了磁力耦合仿真分析以及动磁铁转速/径向激励距离/压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能影响的测试试验。结果表明:动定磁铁错位配置可实现压电振子的有效激励,且存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速;径向激励距离对最佳转速无影响,但对峰值电压影响较大,正/负向分别存在不同的最佳激励距离使峰值电压最大;附加质量及动磁铁数量对俘能器性能影响较大,随着附加质量增大,各阶最佳转速降低、电压峰值增大;随着动磁铁数量增加,最佳转速的阶数、转速值及其所对应的电压值都依次减小。     

基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动能量俘获机理与动力学特性研究

提出一种基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动俘能器，实现在宽频范围内有效地采集低能轨道振动能量。将质量块和弹簧组成的线性放大机构置于三稳态压电俘能器与基座之间，调节线性放大机构与俘能器之间的质量比和刚度比，使三稳态俘能器获得较大的输入动能从低能轨道运动跳转到高能轨道运动，从而获得更高的输出性能和更宽的工作频带。利用能量法建立了描述该复合压电振动俘能器系统动态响应的非线性机电耦合数学模型；采用动态分岔图仿真研究了系统质量比和刚度比对压电俘能器动态输出性能的影响及其能量俘获机理。实验验证了理论结果的正确性。研究结果表明：合理调节系统质量比和刚度比，复合俘能器可以在低能轨道振动时获得更宽的工作频带和更高的发电能力。与传统刚性基座三稳态压电俘能器相比，实验获得复合压电俘能器的阱间运动频率范围由3～14 Hz扩大到2～21.5 Hz，从低能轨道振动跳转到高能轨道振动所需的激励加速度由13.5m/s²降至5.8m/s²。     

磁耦合式可调频压电振动俘能器

为提高压电振动俘能器的环境适应性,提出一种磁耦合式可调频压电振动俘能器,利用激励器上主动磁铁和组合换能器上被动磁铁间的耦合作用及横摆簧片实现压电振子的单向限幅激励。通过对俘能器及磁对的建模和仿真分析,获得了俘能器结构参数对俘能器输出性能的影响,在此基础上制作俘能器样机并进行实验研究,获得了俘能器纵摆质量m₁、横摆质量m₂、横向距离L_x、纵向距离L_y、竖向距离L_z及负载电阻对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：存在两阶谐振频率f₁和f₂使输出电压出现峰值U_n1和U_n2,调节m₁,m₂,L_x,L_y及L_z会影响f₁,f₂,U_n1及U_n2;其他条件一定时,存在最佳负载电阻2 200 kΩ使输出功率达到0....     

旋磁激励式预弯梁压电俘能器建模仿真与试验

针对现有旋转式压电俘能器存在的问题以及旋转机械监测系统的自供电需求,提出一种旋磁激励式预弯梁压电俘能器。建立了俘能器动态响应模型,通过数值仿真和试验方法获得了转速、磁铁数量比、压缩比及负载电阻对其输出性能的影响规律。结果表明,磁铁数量比对激振力作用形式、最佳转速、谐振峰数及输出电压(振幅放大比)均有影响;激振力形式随磁铁数量比增大由脉冲激励逐渐变为正偏置的三角波激励;随着磁铁数量比的增加,谐振峰数量及最佳转速减小,存在最佳磁铁数量比使得输出电压(振幅放大比)最大;压电振子预弯装配后俘能器可实现等应变发电,适当增大压电振子的压缩比可降低俘能器轴向刚度提高俘能器在低转速域内的输出能力,最佳转速随压缩比的增加而减小,且相邻谐振峰的间距随着压缩比的增加而减小。压缩比为0.17时的最大输出电压是压缩比为0.02时的1.5倍;当磁铁数量比为0.26,压缩比为0.08,转速为448r/min时输出功率可达1.55mW。     

压电阵列径向分布的二维振动能量采集器

为了有效采集多个方向的振动能量,本文提出了一种圆柱形的压电阵列径向分布的二维(2D)振动能量采集器。通过将柔性弧形压电阵列径向分布在圆柱体上,该采集器可以收集到二维(2D)平面内任意方向的振动能量。同时,引入了角度带宽来描述采集器获取二维振动能量的能力。实验结果表明:这种新型结构采集器的角度带宽接近180°;而且,通过把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件进行反向串联,采集器的最大输出电压可以达到11.6V;当把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件反向并联时,最大输出功率达到13.5μW。与传统的悬臂式压电振动能量采集器相比,该二维(2D)采集器具有更好的多方向振动能量采集性能。     

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。     

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.     

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...     

压电振动电阻尼与能量转换特性研究

根据压电构造方程和振动原理,建立压电振动能量收集的耦合场动力学模型。详细推导电阻尼与外接电阻和机电耦合系数之间的数学关系,并揭示外接电阻对系统固有弹性的作用效果。通过数值模拟研究电阻尼特性对谐振频率、振动幅值和功率的影响关系,并从能量转换效率的角度分析优化电阻与最大输出功率的关系。分别对多种外接电阻条件下压电梁的输出电压及功率进行实验测试,实验结果表明,电阻尼导致压电梁的谐振频率发生偏移,其大小与外接电阻值成正比,而且在外接优化电阻时输出功率最大。     

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。