L型压电振动能量采集器的有限元分析与特性仿真

单频悬臂梁式压电振动能量采集器存在工作频带窄、采集转换效率低等问题。通过在单频悬臂梁式压电振动能量采集器的水平悬臂梁末端增加一垂直悬臂梁,构造了一种L型宽频压电振动能量采集器;运用有限元法建立L型振动能量采集器的有限元分析模型,仿真分析了L型振动能量采集器的结构参数对其前两阶模态频率的影响,得到了结构最优尺寸。利用Hamilton原理建立了L型能量采集器的机电耦合分析模型,对其振动特性和电输出特性进行了数值仿真,结果表明L型结构能够提高能量采集器的工作频带和采集效率。     

磁悬浮式双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器研究EI北大核心CSCD

提出了一种适合采集轨道车辆轴箱振动能量的磁悬浮式双自由度振动能量采集器。基于单自由度磁悬浮振动能量采集器的基本原理,设计磁悬浮式双自由度振动能量采集器的基本构型。利用磁偶极子模型,推导了圆柱磁铁的磁力方程,建立了磁悬浮式双自由度能量采集系统的动力学方程。考虑到系统具有的强非线性特点,利用龙格⁃库塔方法,得到了系统的幅频响应曲线。根据轨道车辆轴箱实测时间历程和频率分布特点,设计了磁悬浮式双自由度振动能量采集器的核心参数。对比分析单自由度振动能量采集器和双自由度振动能量采集器的频率响应特性。研究结果表明:非线性双自由度振动能量采集器可以有效拓宽俘能装置的工作带宽,进而提高能量采集功率。在简谐振动激励下,双自由度振动能量采集器比单自由度振动能量采集器的输出功率增加了约1.1倍,且工作带宽可以拓宽约2.7倍;在实测的轨道车辆轴箱振动激励下,双自由度振动能量采集器在一站间可采集到31.5 mJ能量,峰值感应电流为14.6 mA,峰值输出功率为9.4 mW。     

基于双环永磁体结构的多稳态能量采集器建模及性能分析

宽频带能量采集已经成为当前国际上振动能量采集的研究热点之一.提出基于双环永磁体结构的非线性多稳态能量采集器.采用库伦模型建立双环永磁体磁力数学模型,分析外环永磁体结构参数对能量采集装置势能函数的影响规律,确定能量采集器在单稳态、双稳态到三稳态之间变化时外环永磁体结构参数范围.通过数值仿真分析能量采集器处于双稳态和三稳态...     

多稳态压电振动能量采集器的动力学模型及其特性分析

提出了一种双线性弹性元件耦合的多稳态压电振动能量采集器,利用线性弹性元件的大变形引起采集器结构几何构型的变化,使采集器产生单稳态、双稳态和三稳态等非线性振动特性,达到提高能量采集器输出性能的目的。建立了双线性弹性元件耦合压电振动能量采集器的非线性恢复力模型,基于该模型,利用Rayleigh-Ritz模态分析法和能量守恒原理建立了能量采集器的集总参数机电耦合动力学模型,通过对动力学模型无量纲化处理后,仿真分析了系统参数对能量采集器的静力学特性(如非线性恢复力、势能、静态平衡点及其分岔)和动力学特性(振动位移、速度、相图、采集电压等)的影响。有限元计算结果验证了该仿真分析结果的正确性。研究结果表明:系统参数α=β≠0时能量采集器表现出光滑连续的单稳态、双稳态和三稳态等动力学特性,其中双稳态和三稳态振动时的能量采集输出功率比线性能量采集器高。     

一种带有可滑动可旋转质量环的宽频带压电振动能量采集器（英文）

报道了一种基于谐振器自我调频机理设计并制作的宽频带压电振动能量采集器(PVEH).该能量采集器主要包括一个双端固定梁结构、两个压电传感单元和一个可动金属质量环.在该结构中,利用可动质量环代替传统能量采集器中的固定质量块.在外界振动作用下,该可动质量环不仅可以滑动而且可以旋转.实验表明,在外界振动加速度分别为0.2g、0.4g、0.6g的情况下,该能量采集器的带宽分别为16.0 Hz、16.9 Hz和22.6 Hz.与固定质量环、一个压电传感单元的相同结构PVEH相比,该能量采集器的带宽分别增加了416!、463!和653!.因此,该可滑动可旋转质量环的引入可以有效增加能量采集器的带宽,从而为宽频带能量采集器的设计提供了一种简单易行的方法.     

周期荷载作用下拱式振动能量采集器的压电分析

能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限元计算模型,分析周期荷载作用幅值、激励频率、负载电阻、压电片位置和基础层材料等参数对能量采集器压电性能的影响,确定采集器的最优设计参数。     

预应力式压电能量采集器的模型和试验分析EI北大核心CSCD

为提高振动能量的采集效率,设计了一种基于预应力梁的压电能量采集器。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了基础激励条件下含预应力压电陶瓷悬臂梁的动力学模型,并利用数值仿真的方法对其输出功率、电压等性能进行分析。最后搭建了试验平台对上述预应力能量采集器的样品进试验测试,对其输出电压、输出功率和自由端位移与预应力大小关系进行分析和研究。试验结果显示在相同条件下,5.9 N轴向预拉力作用下的压电能量采集器的开路电压比无预应力条件下提高了11.6 V。对相同容量的电容的充电试验结果表明,含5.9 N轴向预拉力的压电能量采集的平均充电电压比无预应力情况下提高了1.55 V。数值仿真和试验结果均显示含预应力的PEH的能量采集效率得到明显提高。     

基于双ZnO薄膜单元并联结构的微型压电振动能量采集器(英文)

报道了一种基于ZnO压电薄膜双单元结构的压电式微型振动能量采集器,其中的双压电元件是并联结构.采用射频磁控溅射技术制备ZnO压电薄膜,同时,该压电式振动能量采集器采用微加工技术制作.测试表明该器件的共振频率为1 300 Hz,基于ZnO薄膜双单元并联结构的压电式振动能量采集器比起具有同样尺寸的传统型压电振动能量采集器有更高的输出性能.在频率为1 300 Hz,加速度为10 m/s2的外界振动激励下,该压电式振动能量采集器在1 MΩ负载电阻上产生的电压为2.06 V;当负载电阻为0.6 MΩ时,输出功率最大为1.25μW.     

高体积优值系数振动能量采集器的设计与性能测试

小尺寸振动能量采集器通常难以高效采集低频振动能量。为提高能量采集效率,设计了一种高体积优值系数磁电式能量采集器。采用集总参数等效磁路模型对其换能系统的部分结构参数进行了优化,以提高感应线圈运动区域中运动方向上的磁链梯度,通过有限元分析验证了解析模型和理论结果。最后分别制作了3台不同参数的样机进行实验。实验结果表明,振动激励频率22.5 Hz、加速度幅值为100 mg时,经过参数优化的振动能量采集器能够在匹配负载上输出0.748 mW的平均功率,相应的体积优值系数达到了1.11%,优于其他两台样机在各自共振状态下的0.31%和0.77%。研究表明,通过合理优化磁电换能系统磁路,能够提高能量采集器的体积优值系数,是低频振动能量采集器小型化的一种实现途径。     

微型电磁式振动能量采集器的研究进展

随着低功耗无线传感网络和微机电系统的迅速发展,供电问题正成为它们进入实用化、产业化的一大障碍。现有的一个解决方案是微型电磁式振动能量采集器。首先给出电磁式振动能量采集器的工作原理、物理模型和设计原则,然后详细介绍目前国内外各研究小组研制的电磁式振动能量采集器的几何模型、结构参数、输出结果和技术特点,最后简单分析电磁式振动能量采集器面临的困难、挑战和发展趋势。     

磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器发电性能试验研究EI北大核心CSCD

针对线性的压电振动俘能器俘能频带过窄,输出较低等问题,提出了一种磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器。俘能器由带永磁铁的I型压电梁和L型压电梁组成,可通过调节两永磁铁间的水平距离,得到不同的非线性磁力耦合效应。试验结果表明:存在最优电阻使压电俘能系统的输出功率最大;对比无磁力系统,磁力耦合的I-L组合压电梁俘能器共振频率发生了明显的偏移:I型压电梁向左偏移,L型压电梁向右偏移,拓宽了系统的俘能频带;当激励加速度为0.2 g水平距离为20 mm、激振频率为18.4 Hz时,俘能器最大可得到1.2 mW的输出功率。     

A new piezoelectric energy harvesting design concept: multimodal energy harvesting skin

This paper presents an advanced design concept for a piezoelectric energy harvesting (EH), referred to as multimodal EH skin. This EH design facilitates the use of multimodal vibration and enhances power harvesting efficiency. The multimodal EH skin is an extension of our previous work, EH skin, which was an innovative design paradigm for a piezoelectric energy harvester: a vibrating skin structure and an additional thin piezoelectric layer in one device. A computational (finite element) model of the multilayered assembly - the vibrating skin structure and piezoelectric layer - is constructed and the optimal topology and/or shape of the piezoelectric layer is found for maximum power generation from multiple vibration modes. A design rationale for the multimodal EH skin was proposed: designing a piezoelectric material distribution and external resistors. In the material design step, the piezoelectric material is segmented by inflection lines from multiple vibration modes of interests to minimize voltage cancellation. The inflection lines are detected using the voltage phase. In the external resistor design step, the resistor values are found for each segment to maximize power output. The presented design concept, which can be applied to any engineering system with multimodal harmonic-vibrating skins, was applied to two case studies: an aircraft skin and a power transformer panel. The excellent performance of multimodal EH skin was demonstrated, showing larger power generation than EH skin without segmentation or unimodal EH skin.     

基于宽频-多模态的复合俘能器的解析模型与实验研究

为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量和非线性。基于此混合振动俘能器建立了改进型连续体机电耦合解析模型,并由龙格-库塔算法进行了求解。在此基础上,研制了振动俘能器原理样机,并搭建了实验系统,通过实验和解析评估方法完成了单一式和复合式俘能器性能比对和评估;研究表明,所研究的混合型振动俘能器相对常规振动能量俘集原理可实现较宽的频率范围及多模态振动能量俘集,且能量俘集效率明显提高,具有较好的应用前景。     

多方向压电振动能量收集装置及其优化设计

摘要：为实现对不同方向环境振动能量的收集,提出了一种新颖的多方向振动能量收集装置的设计结构,装置的换能部分采用了一种Rainbow型压电结构。为提高多方向振动能量收集装置收集能量的效果,以多方向振动能量收集装置输出的总电能为目标函数,综合考虑金属弹性基片的强度、装置振动的固有频率及装置的尺寸空间要求等多种因素,采用序列二次规划法对能量收集装置的结构参数进行了优化。该多方向振动能量收集装置经过优化后,在Y向激励时,其输出的总电能为37.146μJ,比优化前提高了30.82%,当沿装置体对角线方向激励时,结构装置输出的总电能为58.715μJ,比优化前提高了29.24%,装置的能量收集效果得到了明显提高。分析结果为多方向振动能量收集装置的设计、制造及应用提供了技术依据。     

压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势

摘要：随着无线技术及微机电技术的日益发展,以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。本文从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手,从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。在结构设计方面,以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线,详细介绍了国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面,以能量收集效率的提高为主线,介绍了电路结构的优化改进。最后,总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向,为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考。     

三角形状压电振子压电特性分析与仿真

(压电振子的几何形状是影响其振动发电的重要因素之一。在相同压电材料体积下,三角形压电振子相比于矩形和梯形压电振子具有更大的发电能力。选用悬臂梁式三角形状压电振子作为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS进行仿真研究。建立有限元模型;通过静力学和模态分析,研究压电振子的几何形状对其输出电压、固有频率的影响规律,然后在满足原来输出电压不下降的前提下对其进行尺寸优化,提高单位体积的发电能力。在相同边界条件和外力作用下,优化尺寸模型的体积是原来的0.94倍,输出电压是原来的1.03倍,取得了很好的优化效果。     

碰撞式微型压电风能采集器实验研究(英文)

为提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低风速下的输出功率,设计了一种新型的碰撞式微型压电风能采集器.采集器主要由圆柱形钝体、铰接分隔板、压电悬臂梁和支架组成.通过铰接分隔板和压电悬臂梁的碰撞有效降低了采集器的工作风速.加工制作了采集器的原理样机并在小型风洞内进行了实验测量.通过实验发现分隔板与压电片横向间距对采集器的工作风速和输出功率有很大的影响.压电悬臂梁自由端添加质量块可以提高输出功率.风速15 m/s、外接200 kΩ优化负载时,采集器最大输出功率为64μW.     

Nano piezoelectric/piezomagnetic energy harvester with surface effect based on thickness shear mode

BackgroundEnergy harvesters with piezoelectric materials are widely discussed for the new kinds of smart structures. However, reports on the energy harvesters at the nano scale which have large potential applications in the future are rather limited.MethodsIt’s well known that the surface or interface stress can affect the mechanical properties of nanostructures. This work proposes the nano energy harvester with piezoelectric/piezomagnetic structure, in which the thickness-shear mode is considered by the surface stress model.ResultsThe vibration motion and output power density are derived and calculated. The peak value of the power density can be enlarged by increasing the residual surface stress and the surface effect on the nano-plate energy harvester can be influenced by both the surface piezoelectric and piezomagnetic elastic constants. Moreover, the harvesting ability can be improved by increasing the thickness of the piezoelectric layer.ConclusionThe capability of the energy harvester depends on the residual surface stress and the surface material constants. The proposed model provides the possibility of applying nano composite structures to the energy harvester.     

A spiral-shaped harvester with an improved harvesting element and an adaptive storage circuit

A piezoelectric energy harvester consists of a spiral-shaped piezoelectric bimorph to transfer mechanical energy into electric energy, an electrochemical battery to store the scavenged electric energy, and a rectifier together with a step-down dc-dc converter to connect the two components as an integrated system. A spiral-shaped harvesting structure is studied in this paper because it is very useful in the microminiaturization of advanced sensing technology. The aim of employing a step-down dc-dc converter in the storage circuit is to match the optimal output voltage of the piezoelectric bimorph with the battery voltage for efficient charging. In order to raise the output power density of a harvesting element, moreover, we apply a synchronized switch harvesting on inductor (SSHI) in parallel with the piezoelectric bimorph to artificially extend the closed-circuit interval of the rectifier. Numerical results show that the introduction of a dc-dc converter in the storage circuit or a SSHI in the harvesting structure can raise the charging efficiency several times higher than a harvester without a dc-dc converter or an SSHI.