振动式压电发电机及其在无线传感器网络中的应用

为了预测基于悬臂梁结构的振动式压电发电机的固有频率、输出电压和输出功率等关键参数,通过理论分析得到了悬臂梁式压电发电机的理论模型,该模型比Roundy模型与试验结果更加吻合。针对故障诊断无线传感节点瞬时功率大、平均功率小的特点,设计了基于多振子的功率调节电路,当主回路超级电容器储存的电能可以使无线传感节点正常工作时,将主回路打开,开始进行测量和向监测中心传送数据。在轮船发动机上进行的现场试验表明振动式压电发电机可以为无线传感器节点供电。     

线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真

悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。同时,线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率,而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。因此,为了在实际应用中提高俘能效率,就需要研究这些参数对悬臂梁式压电俘能系统性能的影响规律。现针对悬臂梁式压电振子结构进行了相关的理论分析,并通过COMSOL Multiphysics有限元软件,对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析,从而为优化悬臂梁式压电振子结构,降低系统固有频率提供了参考。     

用于RWMS的旋磁式压电悬臂梁发电机

为了满足列车轮对监测系统(railway wheelset monitoring system,简称RWMS)自供电需求,提出一种通过旋转磁铁非接触轴向激励悬臂梁压电振子构成的压电发电机(即旋磁式压电悬臂梁发电机),介绍了其结构原理,研究了磁力(磁铁数量与配置方式)及其转速对发电机性能的影响。结果表明,在0~1 360r/min转速范围内存在多阶最佳转速,使发电机输出电压出现峰值。当压电悬臂梁端磁铁数固定,增加旋转磁铁数量时,各阶最佳转速值不变,但其所对应的电压增加。当转速为1 042.5r/min时,转盘同一位置安装2,4,8,12个磁铁所对应的最大电压分别为13.2,16.6,23.8,27.8V。当旋转磁铁数量固定、压电悬臂梁端部磁铁数量增加时,各阶最佳转速值降低,而其所对应的峰值电压增加。当转盘上安装2个磁铁,悬臂梁端安装1,3,5,7个磁铁时,第9阶最佳转速及电压分别为1 056.4,861.8,750.6,611.6r/min和13.2,34.4,48,64V。此外,其他参数确定时,1次激励所生成的电能(电压及其波形数量)还与转速有关,低转速(264.1r/min)时仅生成1个电压波形,而高转速(1 024.5r/min)时生成4个电压波形。     

拨动式压电旋转发电机设计与测试

设计了一种拨动式压电旋转发电机，旋转的压电振子在万向球的拨动作用下产生形变，进而实现发电功能。首先对压电旋转发电机的结构与工作机理进行了说明，对系统进行了理论仿真分析，得出了发电机在不同的激励力、不同数量的压电振子和万向球时与输出电压的关系。最后进行了实验测试，实验结果表明，当压电振子质心旋转半径为45 mm时，自由端位移为6 mm,压电振子个数为8、万向球个数为4时，压电发电机最佳瞬态电压为99.6 V,输出功率为40.36 mW。该微型发电机可为微电子和低功率设备提供电能。     

旋磁激励式压电悬臂梁发电机性能分析与试验

为满足旋转机械监测系统的自供电需求,提出一种由旋转磁铁与压电梁端磁铁耦合激励(简称旋磁激励)的新型压电悬臂梁发电机。建立磁力冲击载荷作用下压电梁动态响应模型,通过数值分析方法获得转速、载荷作用时间以及周期比(载荷作用时间与振动周期之比)对压电梁动态响应特性(响应波形及放大比)的影响规律。结果表明,低速时属于脉冲激励,压电梁不发生共振,而高速时属周期激励且存在多个最佳转速使放大比最大。此外,周期比给定时存在最佳转速使放大比最大,转速固定时存在最佳周期比使放大比最大、且最佳周期比随转速增加而增加。在此基础上,测试分析旋转磁铁转速/磁铁厚度以及压电梁端附加质量对发电机发电能力及特性的影响规律,证明旋磁激励式发电机原理的可行性及理论分析结论的合理性;此外,通过确定合理的冲击载荷或采用多个具有不同谐振频率压电梁同步工作的方法可有效提高发电机的速带宽度,实现较大转速范围的实时供电。     

双晶悬臂梁压电发电装置发电能力的仿真

针对双晶片悬臂梁式压电振子的理论模型,分析了压电振子的结构参数对压电发电装置发电能力的影响。运用ANSYS有限元软件建立了压电振子的压电耦合模型,研究了压电振子的配重质量、悬臂梁长度和金属基板厚度等结构参数对压电振子的固有频率以及压电发电装置发电量的影响规律。为了验证有限元模型的正确性,对典型结构参数压电悬臂梁的一阶固有频率和发电电压进行了实验测量。仿真结果表明,增加悬臂梁的配置质量和长度、减小悬臂梁基板的厚度都可以降低结构的固有频率,选择恰当的结构参数匹配可以使发电装置的固有频率接近外界的激振频率,从而实现最佳的发电性能。     

可调频旋磁激励式压电发电机的设计与试验

为提高旋转式压电发电机的安全性与有效带宽,提出一种可调频旋磁激励式压电发电机,并从理论、仿真与试验三个方面对发电机的工作特性进行了研究。建立了压电梁在端部外载荷作用下的刚度/频率偏移模型,并通过仿真获得了刚度、动磁铁数量对发电机响应特性的影响规律。结果表明,压电梁刚度随端部拉/压力的增大而线性增大/减小,固有频率相应地提高且趋于平缓/降低且速率增大,而动磁铁数量将影响发电机的谐振峰数量与放大比。在此基础上进行了相关试验,试验表明,压电梁受拉伸/压缩都将提高发电机的固有频率并降低输出电压幅值,且受压时减幅更大;此外,动磁铁数量除仿真中影响因素外对发电机的固有频率也具有一定影响;通过改变动磁铁数量与调节量,实现了发电机固有频率在39.2～112Hz内的调整,最大频率偏移为185.7%。     

基于双压电悬臂梁的交变梯度磁力计

针对机械和环境扰动对交变梯度磁力计精密测量的影响,文中开发了一种抵抗强振动干扰的采用双压电悬臂梁结构的交变梯度磁力计。通过施加一定频率及振幅的外部激励对双压电悬臂梁结构的抗干扰能力进行测试,结果显示,当外部激励振幅为12μm、以165 Hz的频率(共振频率)平行于压电双晶片振动方向施加时,双压电悬臂梁与单压电悬臂梁相比,输出电压的相对标准误差降低了53.16%,这表明双压电悬臂梁结构能有效减少机械以及环境扰动的干扰。研制的交变梯度磁力计在强振动环境中的材料磁特性评估方面具有一定的应用前景。     

双晶压电悬臂梁发电装置的建模与有限元仿真分析

基于压电原理和热力学平衡方程,建立了双晶压电悬臂梁的数学模型,并运用有限元分析软件ANSYS对双晶压电悬臂梁的结构进行了模态分析和谐响应分析,对梁的各个尺寸参数以及激励方式对输出电压的影响进行了静力分析,分析结果与数学模型的预测是一致的.研究表明:在梁的固有频率附近输出电压最大.在固定的激励条件下为提高双晶压电悬臂梁的放电能力,应该在保证可靠度和固有频率的前提下,尽量增加梁的长度、减小梁的宽度,并选取合适的金属板与压电陶瓷的厚度.     

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。     

基于压电简支梁拉伸调频的旋磁发电机

为提高旋转式压电发电机的可靠性以及拓宽其有效转速带宽,提出了一种基于压电简支梁拉伸调频的旋磁发电机。介绍了所提发电机的结构原理,研究了动磁铁数量、压电振子预压量等因素对发电机发电性能及固有频率的影响规律。试验结果表明：发电机在转速范围内存在多个使电压出现峰值的最佳转速,各个最佳转速的数值随预压量的增大而增大,且最佳转速的数量随动磁铁数的增加而减少;调节预压量可拓宽发电机的有效转速范围,如动磁铁数为8时,当预压量为0时,发电机仅在几个谐振点达到电压要求,当预压量为1 mm、3 mm、5 mm时,有效转速范围分别扩大至321~768 r/min、160~1 000 r/min、123~1 000 r/min;该发电机固有频率可在37.33~89.60 Hz范围内进行调整,对应的转速调节范围为280~2 632 r/min。     

磁力调频压电电磁复合发电设计与实验

开展了基于环境振动发电作为微电源弥补传统化学电池供能缺陷的研究。基于非线性磁力调频开发了低宽频振动能采集压电电磁复合发电系统。介绍了发电装置工作原理;利用ANSYS和Ansoft Maxwell有限元分析软件仿真分析了压电和电磁发电的输出特性;最后,搭建了压电电磁复合宽频发电装置实验测试系统,测试了发电系统在磁力自调过程中的输出特性。实验结果显示:复合发电系统在谐振频率60Hz时输出开路电压峰值为5.8V,高于压电系统(5.5V)和电磁系统(410mV)独立发电的开路电压峰值。施加磁力拓宽装置后,当压电悬臂梁沿竖直方向上下移动0~15mm时,系统适应谐振频带拓宽为45~76Hz;悬臂梁沿水平方向平移0~30mm时,谐振频带拓宽为51~70 Hz。结果表明仿真分析与实验测试结果吻合很好。该宽频带能量采集技术可用于低频振动环境的能量采集,可在频变环境中为微型低功耗系统提供低电能。     

遥控器用压电发电装置的供电特性

提出利用压电发电装置替代电池为遥控器提供实时的能量供应。针对遥控器的操作方法和负载特性,提出采用脉冲激励和按压激励压电振子的实施方案,通过试验的方法研究了压电振子在两种激励方式下对恒流负载的供电特性。结果表明,脉冲激励可获得更多的电能,适合于较大负载的工作场合。压电振子固有频率一定时,其有效的工作时间随电流负载增加而缩短;电流负载一定时,存在最佳的压电振子固有频率使其有效供电时间最长。利用尺寸为50x50x0.5mm的悬臂梁型压电振子为汽车遥控器供电,1次脉冲激励生成的电能可满足汽车遥控器信号发射的功率需求,信号传输距离达到15米以上。     

通过增大转速与磁通提高旋转发电机反应速度

气动式旋转发电机的反应速度不仅是其作为引信电源的一项重要指标。而且也是其作为速度传感器的一项重要的灵敏度指标。采用降低发电机的启动风速的措施来提高发电机的反应速度不仅效果有限,而且还会影响引信的安全性。通过对气动式旋转发电机的组成、工作机理、运动方程的分析,得出发电机输出电压幅值的数学表达式;通过对该表达式的讨论分析,提出采用增大转速ω(t)与增加磁路磁通m的方法来提高气动式旋转发电机反应速度,并给出了增大ω(t)与增加m的措施以及算例和试验结果。     

两自由度悬臂梁压电发电装置的宽频发电性能

研究一种两自由度悬臂梁压电发电装置,以提高悬臂梁式压电发电装置在环境振源振动频率波动情况下的发电能力。建立了两自由度悬臂梁压电发电装置的频率特性理论模型,并对该理论模型进行了有限元仿真验证,结果显示理论计算与有限元仿真结果基本一致。对两自由度悬臂梁压电发电装置的频率特性模型进行了数值模拟,模拟显示:装置的前两阶模态频率比随着长度比、宽度比、厚度比及质量块的质量比的增大均出现一个最小值,且在长度比为0.8,宽度比为2.0,厚度比为1.0,质量块的质量比为0.5时,装置的前两阶模态频率比最小,结果表明通过合理设计两自由度悬臂梁压电发电装置的结构参数,可以使得装置的前两阶模态频率最接近。最后,实例设计了两自由度悬臂梁压电发电装置,并进行了试验测试,证实了优化后的两自由度悬臂梁压电发电装置具有宽频带发电能力。     

MEMS复合式振动能量采集器

介绍了一种结合了压电式能量采集与静电式能量采集原理的复合式振动能量采集器。其结构通过有限元分析软件的优化设计,得到了期望的低频共振频率。为了预测这个复合式振动能量采集器的性能,建立了解析模型,在此基础上使用MATLAB/SIMULINK进行了数值模拟。模拟结果显示,在某些特定的频率范围内,这种复合式振动能量采集器能够提供比其他两种能量采集器更高的输出功率。对于固有频率为282 Hz的器件结构,仿真发现复合式设计的输出功率可达4.85 μW,两倍于电容式设计的输出功率2.11 μW。     

多振子压电发电机的输出特性

为提高多振子压电发电机的输出能力及有效频带宽度,从理论及试验两方面研究了各压电振子直接串/并联及经整流桥串/并联时的输出电压特性.结果表明,压电振子结构及数量相同时,经整流桥串/并联输出的电压及频带宽度均优于直接串/并联输出的电压及频带宽度,且压电振子经整流桥串联输出方式优于并联输出方式,其电压波动也较小.最后,制作了...     

一种旋转压电陶瓷驱动器的设计和研究

为发挥压电陶瓷分辨率高、频响高、功耗低及抗电磁干扰能力强等优点,进一步简化压电旋转驱动器的结构,提高压电驱动工作效率,设计和研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器以压电陶瓷双晶片为原动件,通过联接机构联接定子和转子,选用滚子结构的超越离合器驱动机构,将双晶片扭转位移运动转化为输出轴的连续旋转运动。驱动器结构简单,体积小。通过理论分析、有限元仿真和试验研究表明,驱动器的转速与驱动信号的频率、电压近似呈线性关系,具有良好的输出特性,步进精确,运行平稳可靠,适于在微驱动领域应用。