基于压电悬臂梁振动能量收集器的摩擦自激振动能量收集

针对机械装备滑动摩擦副广泛存在的高强度摩擦自激振动,设计了结构简单的压电悬臂梁振动能量收集器并安装在滑动摩擦副上,以实现将摩擦自激振动能量转换为电能。通过在CETR摩擦磨损试验机上开展摩擦自激振动能量收集试验以及进行相应的有限元和数值仿真分析,验证设计的压电悬臂梁振动能量收集器的效果并分析其机理。结果表明,压电悬臂梁振动能量收集器输出电压的时域演变规律和频域特性与相应的摩擦自激振动信号一致,故设计的压电悬臂梁振动能量收集器可有效地将摩擦自激振动能量转换为电能,实现了摩擦自激振动能量的收集;法向载荷的增大使得输入摩擦系统的能量显著增强,导致摩擦副界面摩擦自激振动强度增大,从而增加了压电悬臂梁振动能量收集器的激励源强度,使其输出电压显著增大;在较大的法向载荷作用下压电悬臂梁振动能量收集器的输出电压最大值达到近4 V且频率较高,可为低功率传感器提供电能供应。     

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。     

基于双稳态磁耦合效应的瓦级高功率电磁振动能量收集器

提出一种基于双稳态磁耦合效应的高密度电磁振动能量收集器,通过引入导磁铁心绕组对中间悬浮磁铁产生非线性磁力,可以产生双稳态势能阱实现低频段工作频带的拓宽。同时,导磁铁心与悬浮磁铁之间的强磁耦合作用能够增强线圈内部的磁通量变化进而提高输出功率。针对双稳态磁耦合振动能量收集器进行动力学建模仿真和试验测试分析,结果表明悬浮磁铁与导磁铁心之间的非线性磁耦合效应促使磁铁在两个势能阱之间进行大振幅的混沌或周期性振动,将工作频率范围拓宽至8～18 Hz。在受到加速度为4g的正弦振动直接激励时,能量收集器的输出功率为1.082 W,达到瓦级高功率输出,有望实现工业物联网传感节点的自供电,助力万物互联。     

Z型压电振动能量收集装置

为解决压电振动能量收集结构难以同时满足宽频带、三维、高效采集等要求的问题,提出一种以Z型梁代替集中质量块的压电振动能量收集结构。通过Z型梁引入非线性质量,使收集器在低频范围内集中更多模态,拓宽采集频带。利用Z型梁结构的纵向和横向不稳定性实现收集器的三维度能量采集功能。分析了Z型梁在宽度增加后的动力学特性,探讨了压电片阵列排布的采集性能,并建立仿真模型和搭建实验平台,与螺旋形梁结构和经典悬臂梁质量块结构的动力学特性进行了对比。仿真及实验结果表明:当梁折叠层数为7层时,频率在50 Hz以内的模态数量达到了9个,在1～100Hz间隔1Hz的谐波激振下,Z型压电梁正向的采集电压-频率曲线峰值多达4个,且主要集中在0～40Hz,最大开路电压达到16V,大大拓宽了采集频带;横向和纵向的最大开路电压峰值均在10V以上,横向和纵向的采集电压-频率曲线峰值数量均大于4个,实现了三维度能量采集,负载10kΩ时最大输出功率达到了0.18mW;在Z型梁宽度增加到100mm时,在200Hz范围内模态数大于30个,双贴片串联采集电压曲线峰值多达4个,最大电压达到了14V,验证了Z型梁适用于压电片阵列排布。     

振动能量回收装置在电动物流车悬架系统的设计与应用

设计了一种安装于钢板弹簧和车桥之间的压电能量收集装置,用于收集悬架系统中损耗的振动能量.建立了四分之一车辆压电馈能悬架系统模型,并进行随机路面试验,通过拟合对比试验数据和仿真数据,验证了所建模型的准确性和可信性.分别在随机路面与脉冲路面输入下分析了不同工况下压电发电装置输出功率的均方根值(RMS),结果表明,在随机路面输入下,输出功率RMS与车辆行驶速度、载货状态成正比.在脉冲路面输入下,输出功率RMS随车辆行驶速度先增大后减小,车辆空载以30km/h速度行驶时,输出功率最大,为102.24W.     

圆弧螺旋型压电振动能量收集系统的设计

为了实现低频、多方向能量收集和高输出性能,提出了一种圆弧螺旋结构的压电能量收集系统。该圆弧螺旋压电能量收集系统不仅可以降低谐振频率,减少系统体积,而且圆弧型悬臂梁具有不对称性,因此可以进行多方向收集。理论分析不同弧度下能量收集系统的应力分布、谐振频率以及输出性能。加工制备了2π、3π和4π圆弧螺旋压电振动能量收集系统并进行了性能测试对比。研究结果表明,4π圆弧螺旋压电能量收集系统具有更好的输出性能,谐振频率为47 Hz,输出电压达到23 V,输出功率达到353μW。该圆弧螺旋压电振动能量收集系统可应用于人体健康检测、环境控制系统、嵌入式系统、军事安全等应用领域。     

基于振动能量流的含呼吸裂纹悬臂梁非线性振动特性研究

裂纹是重大悬臂梁结构中常见的一种损伤形式,尽早识别损伤裂纹对于提高安全性、避免事故发生等具有重要意义,但传统基于位移的振动分析方法对小裂纹并不敏感。为此,引入振动能量流分析方法,建立了含呼吸裂纹的悬臂梁振动能量流模型,重点仿真分析了裂纹深度和位置对系统瞬时耗散和输入能量的影响,揭示了微小裂纹产生的亚谐波和超谐波非线性振动现象。结果表明,论文所研方法比传统方法对小裂纹更敏感,从而为裂纹早期识别提供了一种新途径。     

压电式摩擦振动能量收集的试验研究与仿真分析

针对机械系统中普遍存在的摩擦振动现象,结合试验分析和数值模拟的方法,提出采用压电材料进行摩擦振动能量收集的新思路.本研究搭建了一种既能产生摩擦振动,同时又能利用压电材料将振动能量转化为电能的试验装置,摩擦学试验结果验证了利用压电材料实现摩擦振动能量收集的可行性.利用有限元软件ABAQUS对试验过程进行模拟,首先采用复特...     

压电陶瓷人体能量收集系统的设计与实验

为利用压电材料收集人体能量,设计了一种人体能量收集系统,可以在人行走过程中产生电能,该机构被安装在人腿的膝盖部位,选择性地在腿部摆动结束阶段连续地按压压电陶瓷片参与发电,另外还设计了压电发电装置的能量存储与控制电路,并实验了其发电特性,该装置非常适合给假肢或者其它便携式医学设备充电。     

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。     

基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望

分析了压电式振动能量捕获原理;针对提高振动能量捕获量和捕获效率这两个目标,对当前国内外在新型压电材料、压电振子性能研究与结构配置及高效电路等方面所作的研究进行了详细论述;指出向微能源器件、集成自供电系统发展和从旋转机械中捕获能量是压电陶瓷振动能量捕获技术的研究前景。     

风向自适应型涡激振动压电俘能器的试验研究

风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点,提出一种新颖的风向自适应型涡激振动压电俘能器。本俘能器可以根据风向的变化,自主调节迎风角度,从而使得俘能器能够在不同方向来风激励时拥有良好的输出性能。其主要由两个L型压电俘能梁、轴承底座、旋转固定座、导向翼等部分组成。通过搭建的小型风洞测试系统,对俘能器样机进行了测试和分析：受不同方向来风激励时,俘能器的输出功率绝对积分面积的平均相对偏差不大于6.1%;俘能器的风向自适应开启状态相对关闭状态,两个压电俘能梁的输出功率绝对积分面积平均值分别提升了468.2%和492.3%。自适应型压电俘能器的研究结果对提高俘能器的环境适应能力和增强输出性能有良好的参考价值。     

基于惯性旋转结构的低频振动能量采集器研究

对周围环境一些常见振动源进行采样与频谱分析,结果表明,低频振动源分布广泛且通常具有较大的振动加速度,是振动能量采集的理想来源。针对低频振动源,提出一种基于惯性旋转结构的能量采集器,可以将直线运动转换为高速惯性旋转运动,并对其工作原理与动力学模型进行详细分析。试验结果表明,该能量采集器可以从成年人的一次踩踏中收集到85.2 mJ能量,瞬时输出功率最高可达32.2 mW。通过持续收集人体行走产生的能量,该能量采集器能够成功驱动一个无线传感健康监测系统正常工作。此外,通过优化器件的尺寸及结构,该能量采集器还可以被用于采集海洋波浪能量,其平均输出功率可达112.2 mW,功率密度为58.87 μW/cm³,并探究了器件结构参数、外界激励条件等因素对输出的影响。     

宽频压电振动能量采集器的实验研究

为改善线性单频谐振式压电振动能量采集器的输出性能,研制了双自由度宽频压电振动能量采集器样机模型,搭建了样机实验测试平台,研究了系统刚度比和负载电阻等参数对能量采集器输出性能的影响。通过调节系统刚度比,不仅可以拓宽压电振动能量采集器的工作率带,还提高了压电振动能量采集器的输出电压和输出功率。结果表明:在基础振动加速度为40m/s~2和负载电阻为471kΩ条件下,双自由度宽频压电能量采集器的工作频带是单频系统的7倍,最大输出功率是单频系统的4.5倍。     

基于滚压的悬架振动俘能装置设计与特性分析

振动能量俘获装置能够回收路面不平引起的汽车悬架振动能量,为主动悬架提供动力,可有效降低主动悬架的能耗和使用成本。基于滚压原理,提出一种用于电动汽车自供能智能悬架的滚动压迫振动能量俘获装置概念设计。该装置通过滚珠滚压凸起金属片的方式将上下的随机振动转换为幅值相对稳定的单向压力,使其中的压电材料受压变形,从而输出电压。笔者建立了滚动压迫俘获振动能量的理论模型,并对其在随机路况下的振动俘能效果进行了仿真分析。结果显示,该俘能装置占用空间小,在悬架的各种运动状态下,都能俘获振动能量,具有较高的俘能效率,能满足悬架实际应用。     

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。     

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。     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

振动能量收集技术的研究现状与发展趋势

随着无线电通讯与微机电系统技术的快速发展,振动能量收集技术被广泛应用于微机电系统设备的供电.振动能量收集技术可分为电磁式、静电式、压电式、磁致伸缩式和复合式等类型,其中超磁致伸缩材料应用在能量收集方面是最新的研究热点.综述了这5种类型振动能量收集技术的基本原理,简述各自能量收集装置所使用的材料和结构形式.比较了这5种类型的振动能量收集技术各自的优势与不足,系统地介绍国内外的主要研究成果和研究进展,以及所面临的困难和发展趋势.