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。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得：随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17 mW增加至31 mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得:随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17mW增加至31mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

自适应宽频振动压电电磁复合发电系统分析

为提高微型环境振动能量收集微电源能量转换效率,采用一对磁极产生的磁力自动调节拾振系统刚度,实现系统固有频率与环境振动频率相匹配的自适应压电电磁复合宽频发电系统,同时增强电磁发电系统磁力线密度。该文研究了系统磁力对压电悬臂梁刚度的影响因素,确立自适应宽频系统的理论模型。压电电磁宽频发电数值计算结果表明,未施加磁力调节时,环境振动频率偏离系统固有频率47Hz时输出功率急剧降低;施加自适应磁力调节后,发电系统可调固有频率范围为42~51Hz,最大输出功率范围6~10mW,拓宽拾振频带。     

一种回折梁结构低频压电能量采集器

为满足振动频率在一定范围内变动,且在空间有限的环境下无线传感器系统的自供能需求,设计了一种具有3个自由度的回折梁振动压电能量采集器。基于系统结构和工作原理,进行了理论分析及建立了回折梁结构有限元模型,并对该模型进行了有限元分析和模态仿真。制作回折梁压电能量采集器的原理样机,搭建试验平台,在振动台上进行试验。试验结果表明,理论分析、有限元模拟结果与实验结果吻合,在3.5～8.5 Hz低频振动下能产生大于5 V的电压,最高输出电压约为17.5 V,是传统单梁结构的1.4倍,且具有3个输出电压峰,工作带宽为传统单梁结构的4.5倍,实现了宽频效果。所提出的回折梁结构压电能量采集器在低频、振动频率变化的环境中有效且自适应。     

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。     

直管谐振式低频压电声能量回收系统

为了高效回收环境中的声能,基于阵列式压电换能器、直管谐振腔以及能量回收电路提出了一种声能量回收系统.当声波进入直管谐振腔,管中产生谐振驻波作用于压电换能器,将声能转换为电能.本文设计了能量回收电路并且进行理论、仿真分析实验研究了压电振子数量、声波频率、声压级对输出电压的影响,分析了负载电阻对输出电压及功率的影响.实验结果表明,该装置可回收不同频率的声能量,在声波频率为96Hz时发电效果最优.当入射声压级为110dB时,不使用能量回收电路,输出交流电压有效值最高达12.9V,输出交流功率最高达到799μW;使用设计的能量回收电路,最高输出直流电压为64.2V,最高输出直流功率为473μW.该声能量回收系统不仅可以作为声能量采集器,还能对无线传感节点等独立工作的微型电子系统供能.     

阵列式压电俘能拓宽频带的研究

压电俘能器只有在谐振频率附近较窄的频率范围才可获得最佳的功率输出。多个压电俘能器采用阵列连接可实现频率拓宽。该文定义了组成阵列的悬臂梁谐振频率之差Δf_r(即│f_1-f_2│)与单个梁带宽BW(即半功率点对应的带宽)之比,即Δf_r/BW,以其大小来探究阵列悬臂梁的频率差在什么范围内能拓宽阵列频带BWa。并对串、并联阵列进行了理论和实验研究,结果表明,悬臂梁的谐振频率差在一定范围内时,阵列连接既可提高输出功率也可拓宽频带。悬臂梁在该文设计的尺寸和材料内,单个梁的带宽为3.5 Hz时,对于3个梁的并联阵列,Δf_r/BW<0.657;而串联阵列,Δf_r/BW<2.571。     

锯齿型压电梁的电响应分析

压电振子的工作频带宽度是影响压电振动能量收集器发电效率的关键指标。该文旨在分析一种锯齿型阵列式压电振动能量收集器结构模态频率,为压电振子的动力学设计提供参考。首先,基于弹性梁振动理论,推导了锯齿型压电梁的动力学方程,并分析了影响压电梁模态频率的因素。然后,通过COMSOL建立锯齿形压电梁的有限元模型,分析了其频响特性、功率与负载阻抗匹配特性及加速度依赖性。最后,通过实验研究测试了锯齿型压电梁的电压幅频特性曲线,验证了理论分析与仿真模拟结果的合理性。结果表明,锯齿型阵列式压电振动能量收集器能够有效地拓宽工作频带,进而提高发电效率。     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

Energy Harvesting from Ambient Vibrations with Arbitrary In-Plane Motion Directions Using a Magnetostrictive/Piezoelectric Laminate Composite Transducer

A magnetoelectric (ME) vibration energy harvester has been designed to scavenge sufficient energy from ambient vibration with arbitrary motion directions in a plane and over a range of frequencies. In the harvester, a circular-cross-section cantilever rod is adopted to extract the vibration energy due to its ability to host accelerations in arbitrary in-plane motion directions. The magnetic coupling between the magnet and the ME transducer results in nonlinear oscillation of the cantilever rod with increased frequency bandwidth. To achieve optimal vibration energy harvesting performance, the effects of the nonlinear vibration and the harvester parameters including the magnetic circuit and the separation distance on the electrical output and the?working bandwidth are analyzed. The experimental results show that the harvester can scavenge vibration energy in arbitrary in-plane directions, exhibiting a bandwidth of 4.0 Hz and maximum power of 0.22 mW at acceleration of 0.6g (with g = 9.8 m s^?2).     

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。     

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。     

MSMA振动能量采集器的设计与实现

采用智能材料磁控形状记忆合金(MSMA)将机械振动能量转换成电能为无线电子设备供电已备受关注。该文利用MSMA的维拉利效应(逆磁致伸缩效应)分析了MSMA振动能量采集器工作原理,计算并确定了振动能量采集系统的磁轭、线圈、保护系统、固定装置的尺寸和性能参数。利用ANSYS软件对系统进行了仿真,验证了各部分结构参数和材料选型的正确性。在此基础上,设计制作了MSMA振动能量采集器样机,搭建了MSMA振动能量采集器实验平台,进行了振动力激振实验,得到了在不同输入频率和应力大小条件下感应电压的输出曲线,实验和仿真结果表明,利用MSMA材料可将机械振动能量转化为电能,为振动能量收集利用提供了参考依据。     

路面振动压电俘能器的性能分析

建立路面振动压电俘能的数学模型,提出压电俘能器的性能要求,分析结构参数及埋设深度对俘获电能及路面变形的影响.结果表明,压电俘能器埋设越深,俘获电能越多,路面变形越小;压电陶瓷片直径和厚度越大,俘获性能虽提高,路面的变形却增大.一个直径φ30 mm、厚5 mm的压电俘能器,埋设40 mm路面下,在15 Hz、0.7 MPa标准轮载作用下,可俘获0.42 mW的电能.     

压电振动能量收集器的建模与响应分析

以多方向压电振动能量收集器为对象,建立系统的简化机电耦合动力学模型。利用COMSOL软件构建能量收集装置的有限元模型,分析了系统的振动模态,讨论了系统不同结构参数对其电压频域响应及负载功率阻抗匹配的影响。引入非线性磁力,探究了不同磁间距对电学响应的作用。结果表明,能量收集器在y方向1g(g=9.8 m/s²)加速度载荷激励下,负载电压和负载功率峰值分别达到37 V、6.9 mW,减少压电陶瓷、弹簧基底厚度及增加附加质量块的质量有利于能量收集,并且能量收集装置在磁力作用下具有自主调谐功能,增强了环境适应性。     

线性三自由度低频压电振动能量采集器

基于线性多自由度振动的概念,提出并设计了一种线性三自由度(3DOF)振动能量采集器。该能量采集器包括一、二阶传动梁及传统单悬臂梁。数学建模及有限元仿真结果表明,多阶传动梁垂直相接构成的线性多自由度系统可有效调节并降低系统的工作频率。实验结果表明,线性三自由度能量采集器在0~100 Hz频率范围内,具有3个电压峰值,有效带宽15Hz,与理论分析相吻合。另外,与传统单悬臂梁能量采集器相比,工作频率降低,频带扩增275%。     

悬臂梁双晶压电片不同连接方式发电性能

为了更加有效提高双压电振动能量采集器的发电效率,以双晶压电片为研究对象,设计了一种可收集电动机机械振动能量的双压电振动能量采集器。探究了电动机不同转速下,双晶压电片不同连接方式的内阻和发电特性;分析了电动机在不同转速下,双晶压电片不同连接方式时双压电振动能量采集器输出电压和输出功率的特性。理论计算与实验结果进行对比,选择一种最优的双晶压电片连接方式。     

Fabrication and characterization of a low frequency electromagnetic energy harvester

This paper presents the fabrication and characterization of an AA size electromagnetic energy transducer based on vibration. A magnetic spring technique is used to scavenge energy from low frequency external vibration. The output of the harvester is maximized by optimizing the mass of moving and fixed magnets, coil width, coil position and load resistance through a comprehensive experimental analysis. The prototype can generate an open circuit voltage of 3.961 V and 1.18 mW average power at a load resistance of 97 Ω with 9 Hz resonance frequency and 0.5 mm displacement.