风致驰振型电磁俘能器输出性能仿真分析

对一种横风向驰振的电磁俘能器输出性能进行了研究。建立了风致驰振型电磁俘能器输出电流与输入风速关系数学模型,应用谐波平衡法求得了方程近似解析解。通过与龙格-库塔法数值解比较验证了解析解的正确性,随后仿真分析了激励风速和无量纲负载电阻r对驰振频率和切入风速的影响关系,并研究了机电耦合系数、线圈电感和电阻对切入风速和平均功率的影响关系。结果表明,低r值时,受高切入风速制约,俘能器不易发生驰振。俘能器驰振后,最优r值不低于1,最优功率会随着机电耦合系数的增加而增大并逐渐趋于饱和。当r取值范围为[0.01,100]时,低风速条件下,增加线圈电感值可以降低系统在低r值处的切入风速,拓宽可驰振的r值范围,改善低r值处输出功率。高风速条件下,低于49.3 mH的线圈电感对输出功率几乎无影响,随后增加的线圈电感值能明显降低俘能器在低r值处的输出功率。增加线圈电阻值能提高俘能器在低r值处的输出功率,但过量增加线圈电阻会导致系统最优功率大幅下降。研究结果为风致驰振型电磁俘能器的设计提供理论参考。     

随机振动激励下的压电俘能器发电性能模拟与分析

对一种悬臂梁结构车载压电俘能器发电性能进行了研究,建立了两自由度1/4车辆垂向振动模型,使用仿真软件MATLAB/Simulink分析了路面随机激励下的车体振动响应,并以此作为激励源作用于压电俘能器上,使用有限元法分析了俘能器基频、外接负载、车速、路面不平度对俘能器输出电压、电流和功率的影响关系。结果表明,当俘能器基频与车辆系统固有频率相匹配时,俘能器可以获得更高的输出电压,增加负载阻抗值,俘能器输出电压增加、输出电流减小,存在一个最优负载阻抗(约为200ｋΩ)使俘能器输出功率达到最大,负载阻值相同时,提高车速和增加路面不平度系数均可以使俘能器获得更高的输出功率。当车辆以10ｍ/ｓ速度行驶在B级路面上时,压电俘能器最大输出功率可到达0.5ｍＷ。     

具有时滞反馈控制的双稳态压电-电磁式俘能器的随机动力学

本文研究了色噪声激励下具有时滞反馈控制的双稳态压电-电磁混合式俘能器的动力学特性.首先,建立了非线性双稳态压电-电磁俘能器的集中参数型机电耦合运动方程,并基于能量包线随机平均法推导得到系统稳态概率密度函数和平均输出功率表达式,通过蒙特卡洛数值方法验证了理论解的正确性.其次,分析了时滞和反馈增益系数对系统输出功率的影响.研究结果表明：在一定参数范围内,随着位移时滞与速度时滞的增加,输出功率出现周期性变化,并在特定的时滞与反馈增益组合下达到最大值;调节反馈增益系数可以改变输出功率的相位和大小.说明通过合理地设置时滞反馈控制可以提高俘能器的采集功率,为随机激励下非线性振动俘能器的设计和优化提供一定的理论依据.     

基于滚压的压电叠堆压电转换特性仿真分析

本文提出一种基于滚压的压电俘能器结构,结合Cymbal压电换能器和压电振子叠堆,利用滚珠作为激励源,可以把机构的往复振动转换为对压电振子的单向压迫.使用仿真软件对俘能器结构中滚珠压迫压电单元的力,以及该俘能器结构在并联和串联模式下输出的电压和俘获的电能进行仿真分析,得到该结构的压电转换特性.仿真结果表明,滚珠对压电叠堆的压迫力与压电陶瓷层数并不是单向递减,1-5层时递增,5层以后压迫力逐渐减小.在压电陶瓷的总层数不变的情况下,并联和串联时压电叠堆所俘获的总电能是不变的.两种联接模式下总电能随层数的变化关系为5层以内时随层数的增加而减小,超过5层后逐渐增加.     

直角复合梁压电俘能器多方向能量收集

提出了一种可进行多方向能量收集的直角复合梁压电俘能器。使用有限元分析法得到了直角复合梁压电俘能器的功率频响曲线,并与常规复合梁压电俘能器进行了发电能力比较研究,随后参数化分析了金属主梁长度和附加质量对直角复合梁输出功率的影响关系。结果表明,相比于常规的复合梁,直角复合梁压电俘能器可以进一步减小两个谐振频率之间的距离,并且在两个激励方向（x向和z向）有较高的峰值功率密度。x方向激励时,通过合理调节金属主梁长度和末端质量,直角复合梁压电俘能器可以得到两个更接近的峰值功率密度;z方向激励时,随着金属主梁长度和末端质量的增加,直角复合梁压电俘能器的峰值功率密度增加。     

新型双方向压电俘能装置设计与实验研究

研究了一种新型的双方向压电俘能器,简化拾振器结构,利于压电俘能装置的产品化.采用矩形压电晶片和悬臂梁结构对双方向压电俘能器结构进行设计;研究了附加质量对压电俘能器发电性能的影响.通过实验方法测试了新型的双方向压电俘能器在不同环境激励下的发电性能,结果表明:压电振子的固有频率与自由端附加质量成反比,在进行主副压电振子附加质量选取时,根据外界环境激励的频率范围,选取最容易激发压电振子共振的附加质量,使得主压电振子与副压电振子分别与激励频率产生共振,实现产生电能最大化.     

基于田口法的压电振动俘能器尺寸优化

为了拓宽压电俘能器的工作频带和提高发电效率,设计了一种“己”字型压电振动俘能器结构。以俘能器输出电压最大为目标,采用田口法优化了压电振动俘能器结构的尺寸,建立了俘能器的有限元模型,讨论了输出电压和功率的负载阻抗匹配特性及加速度依赖性,通过实验验证了优化结果的准确性以及结构尺寸的合理性。结果表明,俘能器结构的最佳尺寸组合为A3(95mm)、B3（45mm）、C1(60mm)、D2(35mm)、E1(50mm),尺寸A对于俘能器响应影响最为明显,贡献率达到了26.013%,而尺寸B、C、D、E的影响依次降低,分别为19.062%、18.380%、18.294%、18.252%。研究结果可为压电俘能器结构的动力学优化提供参考。     

压电纤维复合材料悬臂梁发电性能分析

研究了压电纤维复合材料悬臂梁俘能器的电学特性,使用有限元法分析了叉指型电极结构尺寸、压电纤维和基板材料厚度对输出电压的影响,并将同等尺寸的d33和d31模式压电纤维材料悬臂梁俘能器发电能力进行对比分析.结果表明:叉指电极结构尺寸对工作于d33模式的压电纤维材料悬臂梁俘能器输出电压影响较大.d33模式俘能器具有能产生高电压、低电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.75时,俘能器产生电荷量最大.而d31模式俘能器具有能产生低电压、高电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.6时,俘能器的输出电压最大.相对于d33模式压电纤维材料,工作于d31模式压电纤维材料更适合作为发电材料使用.     

基于梯形回环的低频双晶压电俘能器特性分析

针对如何实现微机电系统器件长时间供能已成为亟待解决的问题,提出了一种基于梯形回环的低频双晶压电俘能器,建立了ANSYS有限元分析模型,对其进行了静态分析、模态分析和谐响应分析,将梯形回环俘能器的特性和矩形回环俘能器的特性进行比较。仿真结果表明,在相同发电面积和相同结构的情况下,基于梯形回环的压电俘能器的输出电压比传统的矩形回环的压电俘能器电压提高了115%;引入边峰抑制比(SPI)来衡量其宽频俘能能力,梯形回环双晶压电俘能器宽频能力较传统的矩形回环压电俘能器提高了5%。     

基于 ＦＮＯＶ￣ＭＰＰＴ 的多压电输入无整流桥的能量采集电路的研究

环境能量俘获中压电振动能量采集的接口电路设计已成为近几年研究的热点之一。串联同步开关电感S-SSHI(Series Synchronous Switch Harvesting on Inductor)接口电路作为一种常用的能量采集接口电路。只有当负载阻抗与压电元件(PZT)输出阻抗匹配时,才能获得最大能量转换效率。针对以上问题,本文提出了一种无分时开路电压法的最大功率跟踪Fractional Normal-Operation Voltage Maximum Power Point Tracking (FNOV-MPPT)控制电路用于S-SSHI接口电路的最大功率跟踪,与传统的分时开路电压法相比,无需断开PZT与负载端的连接,在S-SSHI接口电路正常工作期间进行最大功率跟踪,其效率最高可达97%。采用的极值检测电路只用四个三极管和一个检测电容,降低了电路功耗。同时本文所提出的电路具有很好的扩展性,可以通过一个FNOV-MPPT控制电路的方式进行多PZT能量同时采集。