非线性压电-电磁复合式俘能器的结构设计

非线性技术可使压电式能量采集获得较宽的振动频率和较高的输出电压,该文基于非线性振动研究提出了一种新型的非线性压电-电磁复合式俘能器,将非线性压电-电磁复合式俘能系统等效为含有非线性刚度的质量-弹簧-阻尼振动系统,推导出俘能器的总输出平均功率公式。在0.6g简谐激励下,磁铁间距为2.5 mm,3mm,4mm时,对非线性压电-电磁复合式俘能器进行了实验测试,结果表明,随着磁铁间距的减小,引力增大,非线性俘能器的谐振频率降低,3dB带宽升高。     

压电-电磁复合式俘能器设计及能量收集测试

设计了一种压电-电磁复合式俘能器,利用机电耦合状态方程推导了输出功率表达式。应用试验测试对比分析了压电式、电磁式、复合式俘能器的输出特性,结果表明,复合式俘能器的3dB带宽比压电式、电磁式俘能器分别增大了67%、25%,最大功率提高了38%、118%。设计了压电-电磁复合式俘能器能量收集电路,分别利用LTC3588、LTC3108芯片收集压电俘能单元、电磁俘能单元输出的电能,并用超级电容存储。分别应用3种俘能器进行超级电容充电测试,结果表明,复合式俘能器的充电时间比压电式、电磁式俘能器分别减少了29%和52%。     

压电曲梁俘能器的机电耦合方程及其研究

使用哈密顿原理,建立了纯弯曲压电曲梁俘能器的机电耦合偏微分方程,对悬臂边界条件下的压电曲梁俘能器进行了模态分析,得到了俘能器在基础两向振动激励下的模态坐标方程;求解了俘能器在激励下电压与模态响应的稳定解。数值计算实例分析了激励频率、负载电阻对俘能器的电压及功率响应的影响。结果表明,曲梁俘能器与直梁俘能器的电压、功率响应规律具有相似之处,负载电阻不仅对曲梁俘能器的输出功率、输出电压有影响,也会影响其共振频率。     

收集人体动能的压电俘能器研究

提出了一种基于压电效应的人体动能转换装置(压电俘能器),并对其发电能力进行了理论和试验分析。结果表明,在一定变形范围内,压电俘能器的输出电能随着激励力的增加而增大;当激励频率和压电俘能器结构尺寸确定时,压电俘能器的输出功率随着负载电阻的变化而变化,且存在最佳的负载使其输出功率达到最大值,最大输出功率是压电俘能器开路时电压和电容的函数,最大输出功率与外接滤波电容无关。在2Hz(行走频率)激振频率下,压电俘能器最大输出功率为0.31mW。     

拨动式上变频压电俘能器的设计与研究

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器,解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关,解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力,建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后,选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明,在1g(g=9.8 m/s²)、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW,具有很强的低频能量收集性能。     

非线性压电耦合对L型梁俘能器性能的影响

以二自由度的L型梁双稳态压电俘能器为研究对象,研究了非线性压电耦合关系中的一、二次非线性系数对俘能器输出功率和主梁运动的影响。通过对无量纲动力学方程的数值进行了仿真分析,结果表明,当激励幅值较大时,非线性压电耦合对俘能器输出功率和主梁运动有明显的影响;非线性压电耦合系数越大,输出功率越大,而俘能器的振动位移越小。非线性压电耦合的一次非线性系数取正值时,俘能器的响应优于线性耦合时的俘能器响应,取负值,则反之;而无论二次非线性系数取何值,非线性耦合时俘能器的响应都优于线性耦合时俘能器的响应。     

压电-电磁复合式俘能器的设计与实验研究

针对现有压电、电磁俘能器不能同时输出大电压和大电流,设计了一种压电-电磁复合式俘能器。根据设计的复合式俘能器结构进行了理论建模,推导出了电压、电流、振幅和输出功率的表达式,并利用Ansys和Ansoft仿真软件对复合式俘能器的输出特性进行了仿真分析。最后通过实验对比分析了压电、电磁与压电-电磁复合式俘能器的输出特性,分析得到在0.6 g(g=10m/s2)加速度作用下,压电-电磁复合式俘能器的最优输出功率比电磁、压电俘能器分别提高了118%、38%,同时3dB带宽可增大67%、25%。     

压电层厚度对d_(15)模式PZT-51悬臂梁俘能特性影响

设计并制作了压电层厚度分别为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm的d15模式层合串联结构PZT-51压电悬臂梁俘能器。测量了开路和1.0 MΩ负载下,俘能器的振动频率与输出电压和输出功率的关系曲线,以及1.0 MΩ负载时的振动激励电压与输出峰-峰值电压关系曲线。结果表明,随着压电层厚度的减少,压电俘能器的谐振频率降低,输出电压和功率增大。压电层厚度为0.6 mm的压电俘能器具有最大开路输出电压1.69 V,在1.0 MΩ负载下最大输出功率为0.708μW。     

双端磁耦合式压电振动俘能器结构设计

现有的非线性压电俘能器的输出功率提升主要通过改变俘能器的结构或引入非线性元素,但这些方法在提高俘能结构的输出功率,拓宽俘能器的俘能频带方面能力受限。该文设计了一种双端磁耦合式悬臂梁结构压电俘能结构,在利用永磁体引入非线性元素的基础上优化俘能结构,进一步提高系统的输出电压,拓宽俘能频带。通过将悬臂梁俘能结构等效为复杂边界条件的悬臂梁,推导磁耦合式悬臂梁结构的工作状态方程,并得到磁耦合式悬臂梁俘能结构的输出电压与永磁铁间距的关系,并通过实验测试进行验证。结果表明,在永磁体间距为5mm时,压电俘能结构获得最大的输出功率,在最佳的永磁铁间距和负载电阻下,双端压电磁耦合式悬臂梁的输出功率可达传统悬臂梁式压电俘能结构的1.5倍,谐振频率下降约7Hz。     

一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验

为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率,提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。该俘能器包括多个悬臂梁压电振子,可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子,通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率,同时提高了输出功率。测试结果显示在频率约为21Hz的方波冲击信号下,外接电阻为50kΩ时,单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达0.28mW;当频率分别为5Hz、8.5Hz时,还可分别输出0.07mW和0.17mW的功率,俘能器出现多个峰值电功率。研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

用于胎压监测系统的微型能量收集器研究进展

基于轮胎振动的微型能量收集器具有寿命长、免维护、重量轻等优点,能实现对胎压监测系统的供电。介绍了用于胎压监测系统的压电式、电磁式、静电式三种能量收集器的研究进展,比较了三种能量收集器的性能。研究结果表明,压电式能量收集器最适宜为胎压监测系统供电。对于设计影响因素,除了考虑安装位置、适用车速、能量需求等主要因素,还要考虑温度、成本等其他因素。     

悬臂梁基底对压电俘能器输出响应的影响分析

悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了 研究在1.5~5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响,该文选择聚氯乙烯（PVC）、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯（PVDF）压电悬臂梁结构,并进行了对比实验与分析。结果表明,以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现,在低风速工况下,梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下,梁的结构刚度越小,接触式压电俘能器的启动风速越低,风致振动的激振力频率越高;减幅因数越小,悬臂梁的输出功率越大。     

Effects analysis of bias and excitation conditions on power output of an environmental vibration energy harvesting device using Fe-Ga slice

With the advent of low power VLSI designs and the mass manufacture of CMOS, the power consumption of wireless sensor nodes has been significantly reduced from mW to μW. This opens up a new and interesting research field, that is, the possibility of converting environmental vibration energy to electrical energy for supplying power to the sensors. In this paper, using magnetostrictive materials slice, that is Fe-Ga alloy, a device for harvesting environmental vibration energy is designed and tested. Compared with piezoelectric materials and Terfenal-D alloy, Fe-Ga alloy offers excellent properties for surviving in tough ambient vibration conditions, including higher energy conversion efficiency, longer life cycles, excellent toughness, reduced depolarization and higher flexibility, etc. The designing of vibration energy harvesting process is based on the coupling characteristics of magnetostrictive inverse effect and Faraday electromagnetic induction. The device consists of a Fe-Ga alloy cantilever beam with a magnetostrictive direction throughout the length. It has magnetostrictive inverse effect during vibration and the internal magnetization state will change. A cantilever beam is surrounded by a pickup coil and voltage is induced due to the magnetic field according to Faraday's law. The energy conversion principle among mechanical, magnetic and electric energy is described through a dynamic equation of motion and in conjunction with an electromagnetic conversion equation. The influence law of bias and excitation conditions on output voltage, power and other characteristics of device are investigated in comprehensive experiments. By knowing these influence laws, it is possible to choose an appropriate number of pick up coil for a definite load resistance, to set an appropriate working frequency range, pre-tightening force and pre-magnetized magnetic field such that a maximum power can be harvested. The results derived here can be used as a design guideline for future studies in optimal design and the modeling of vibration energy harvester and force sensor.     

低频高功率振动能量采集器研究进展

从振动能量采集器的低频、高功率特点出发,分析了电磁式、磁电式、静电式、压电式这四种结构的优缺点。详细介绍了这些振动能量采集器的发展现状与趋势,并比较了它们的性能与实用性。压电式振动能量采集器的研发时间最早,各项性能参数较均衡。设计时可以优先选择压电式振动能量采集器。     

带异形孔的双稳态压电能量采集器研究

针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题,该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型,并制作了实验样机,研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下,磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明,随着磁极对间距减小,带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱,由此确定最佳磁极对间距为12 mm,谐振频率为18 Hz,最大输出均方根电压达到12.01 V,采集器有效工作频率为15.5～22.5 Hz,工作带宽达到7 Hz,带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带,在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。