磁铁间距对双稳态压电悬臂梁俘能器输出特性的影响研究

建立了双稳态压电悬臂梁俘能器的机电耦合动力学方程,基于磁偶极子模型进行了 2 个磁铁间磁力的计算,根据静态平衡点分析得到了系统发生双稳态运动时的磁铁间距范围。数值仿真分析了环境激励源振动频率发生变化时磁铁间距变化对系统平均输出功率的影响规律,设计制作了磁铁间距可调的双稳态压电悬臂梁俘能装置,并进行了环境激励频率变化条件下的压电悬臂梁振动能量捕获实验。实验结果与仿真分析具有较好的一致性,为提高双稳态压电悬臂梁俘能器的发电性能提供了一种有效途径。     

多场耦合多方向振动俘能器建模及响应分析

针对多方向振动俘能器对低频、低幅值激励的响应输出性能低等问题,在振动俘能结构中引入非线性磁吸力,提高俘能器的响应频带和能量转换效率。研究了非线性磁振子模型,建立了基于广义Hamilton变分原理的横、纵向振动系统机电耦合模型,对系统动力学方程进行无量纲化并数值求解。搭建了振动俘能器性能测试平台,开展了多场耦合振动俘能器频谱特性及响应输出的分析实验。结果表明,引入磁铁可显著提高系统能量转换效率,当磁铁间距15mm、激励幅值0.5m/s~2时,相比无磁力输入的情况,系统响应电压提高了6倍左右,谐振频率从18Hz降至9.5Hz左右,解决了压电俘能器频带窄、响应频率高及输出电压低等问题。     

单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验

为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收,提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器。建立了俘能器的动力学方程,采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响;设计制作了样机,并进行了试验测试。试验结果表明,俘能器的势能曲线随水平耦合距离d减小由单势阱变为双势阱,且存在较佳的磁铁水平耦合距离（d=11 mm）,使双势阱的阱深适中、俘能器的固有频率减小、有效频带变宽;竖直耦合距离h增大对有效频带的影响较小,h≤2 mm时,相较于无磁耦合（NMC）降低了固有频率;仅改变耦合角α时,存在最佳参数组合（d=14 mm、h=6 mm、α=67.5°）使俘能器获得较低的固有频率（16 Hz）和较宽的有效带宽（19.6 Hz）,较无磁耦合时的有效带宽拓宽了6 Hz,进而提高了俘能器的发电性能。     

旋磁激励式预弯梁压电俘能器建模仿真与试验

针对现有旋转式压电俘能器存在的问题以及旋转机械监测系统的自供电需求,提出一种旋磁激励式预弯梁压电俘能器。建立了俘能器动态响应模型,通过数值仿真和试验方法获得了转速、磁铁数量比、压缩比及负载电阻对其输出性能的影响规律。结果表明,磁铁数量比对激振力作用形式、最佳转速、谐振峰数及输出电压(振幅放大比)均有影响;激振力形式随磁铁数量比增大由脉冲激励逐渐变为正偏置的三角波激励;随着磁铁数量比的增加,谐振峰数量及最佳转速减小,存在最佳磁铁数量比使得输出电压(振幅放大比)最大;压电振子预弯装配后俘能器可实现等应变发电,适当增大压电振子的压缩比可降低俘能器轴向刚度提高俘能器在低转速域内的输出能力,最佳转速随压缩比的增加而减小,且相邻谐振峰的间距随着压缩比的增加而减小。压缩比为0.17时的最大输出电压是压缩比为0.02时的1.5倍;当磁铁数量比为0.26,压缩比为0.08,转速为448r/min时输出功率可达1.55mW。     

一种错位旋磁激励压电俘能器

为解决现有旋磁激励压电俘能器动磁铁与定磁铁正对激励时易发生碰撞的问题,提出一种错位旋磁激励的压电俘能器,并进行了磁力耦合仿真分析以及动磁铁转速/径向激励距离/压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能影响的测试试验。结果表明:动定磁铁错位配置可实现压电振子的有效激励,且存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速;径向激励距离对最佳转速无影响,但对峰值电压影响较大,正/负向分别存在不同的最佳激励距离使峰值电压最大;附加质量及动磁铁数量对俘能器性能影响较大,随着附加质量增大,各阶最佳转速降低、电压峰值增大;随着动磁铁数量增加,最佳转速的阶数、转速值及其所对应的电压值都依次减小。     

磁耦合式可调频压电振动俘能器

为提高压电振动俘能器的环境适应性,提出一种磁耦合式可调频压电振动俘能器,利用激励器上主动磁铁和组合换能器上被动磁铁间的耦合作用及横摆簧片实现压电振子的单向限幅激励。通过对俘能器及磁对的建模和仿真分析,获得了俘能器结构参数对俘能器输出性能的影响,在此基础上制作俘能器样机并进行实验研究,获得了俘能器纵摆质量m₁、横摆质量m₂、横向距离L_x、纵向距离L_y、竖向距离L_z及负载电阻对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：存在两阶谐振频率f₁和f₂使输出电压出现峰值U_n1和U_n2,调节m₁,m₂,L_x,L_y及L_z会影响f₁,f₂,U_n1及U_n2;其他条件一定时,存在最佳负载电阻2 200 kΩ使输出功率达到0....     

气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。     

基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动能量俘获机理与动力学特性研究

提出一种基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动俘能器，实现在宽频范围内有效地采集低能轨道振动能量。将质量块和弹簧组成的线性放大机构置于三稳态压电俘能器与基座之间，调节线性放大机构与俘能器之间的质量比和刚度比，使三稳态俘能器获得较大的输入动能从低能轨道运动跳转到高能轨道运动，从而获得更高的输出性能和更宽的工作频带。利用能量法建立了描述该复合压电振动俘能器系统动态响应的非线性机电耦合数学模型；采用动态分岔图仿真研究了系统质量比和刚度比对压电俘能器动态输出性能的影响及其能量俘获机理。实验验证了理论结果的正确性。研究结果表明：合理调节系统质量比和刚度比，复合俘能器可以在低能轨道振动时获得更宽的工作频带和更高的发电能力。与传统刚性基座三稳态压电俘能器相比，实验获得复合压电俘能器的阱间运动频率范围由3～14 Hz扩大到2～21.5 Hz，从低能轨道振动跳转到高能轨道振动所需的激励加速度由13.5m/s²降至5.8m/s²。     

基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器

提出一种基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器来实现低频、高强度振动能量回收.介绍了浮能器的系统构成及工作原理并进行了理论及试验研究.理论分析结果表明,压电液压俘能器的性能是由环境振动频率/振动强度、液压缸/压电振子的结构性能参数、流体容积/特性以及系统背压(蓄能器预置压力)等多种要素共同决定的,仅当各要素配置合理时才能实现压电液压俘能器的预期功能.采用外径为60 mm、厚度为0.9 mm的双晶压电振子及外径为16 cm,长度为100 cm液压缸制作了试验样机,并以水为工作介质进行了不同频率/背压/激振器振幅条件下的试验测试.试验结果表明,存在最佳工作频率(8Hz)使压电液压俘能器输出电压最大,且输出电压随系统背压及液压缸振幅的增加而增加.其它条件不变时,0.4 MPa背压下的输出电压是背压0.2 MPa时的1.65倍.     

并联磁力耦合式俘能器及其特性研究

传统双稳态悬臂梁压电俘能器存在效率低、频带窄的弊端.为了提高俘能频带,本文提出一种并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置,引入了磁力的耦合及压电片的并联.通过建立集中参数的的数学模型,使用龙格库塔数值仿真法对比分析了简谐激励下并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置与单悬臂梁双稳态俘能器的运动状态及俘能特性.最后搭建实验平台进行实验验证.结果表明,磁力耦合和并联的加入,使得并联耦合式压电俘能器较传统单悬臂梁俘能器分别在7 Hz与15 Hz具有两个谐振频率,增宽了俘能器的俘能频带,以输出功率大于8×10-6 W为有效频带,则俘能带宽提高约为19％.     

一种基于复杂永磁体阵列的悬浮式振动能量采集器的精确模型及验证

为提高振动能量采集器的输出性能和工作频带，基于永磁体阵列和多自由度器件受到广泛关注。然而这类器件存在磁场分布复杂，动态特性难以模拟等问题。以一种基于复杂永磁体阵列的可调频磁悬浮振动能量采集器为研究对象，建立器件解析模型和有限元模型的联合分析模型，理论模型显示系统具有非线性振动特性，其动力学模型可简化为Duffing方程形式，并通过有限元模型简化了对非线性系统的分析。利用COMSOL有限元仿真研究器件磁场分布、非线性磁力特性，分析磁力和线圈位置对器件输出特性的影响。搭建测试平台对研制的可调频磁悬浮振动能量采集器进行试验表征，以验证联合分析模型。试验结果表明，在20～35 mm的固定磁铁间距离变化范围内，器件谐振频率变化范围为8.6～13.1 Hz，0.35g加速度下输出电压峰峰值为352.9～658.2 mV，联合分析模型与试验之间具有一致性。     

限幅激励式压电发电机性能分析与试验

为提高旋转式压电发电机的可靠性及有效带宽,提出一种限幅激励式压电发电机,利用凸轮激励压电振子使其发生幅值可控的单向变形。从理论和试验两方面研究凸轮升程与升角、激振力及弹簧刚度等对发电机输出性能的影响规律。研究结果表明,利用移动凸轮限幅激励压电振子可获得无明显峰值、较平坦的电压幅频特性曲线;其他条件相同时,降低凸轮升程有助于降低最大输出电压、拓宽有效转速带宽,凸轮升角(30°~45°)增加对最大输出电压无影响、但可拓宽有效转速带宽,增加激振力可拓宽某一输出电压所对应的有效带宽,复位和缓冲弹簧刚度对有效转速带宽及转速值都有一定的影响,当复位弹簧刚度50 N/m、缓冲弹簧刚度20 N/m、激励距离8 mm、凸轮升程2 mm、升角为40°时,输出电压大于30 V所对应的有效转速范围为0~537.6 r/min,故通过合理匹配系统参数可有效提高发电机的可靠性及有效带宽;存在最佳电阻使发电机输出功率达到最大值,最佳电阻70 kΩ、转速392 r/min时的输出功率为10.88 mW。     

基于双稳态的振动能量收集系统的设计

利用外部永磁铁、悬臂梁和压电材料等构成了能量收集系统,并对该系统的影响因素进行了理论与实验探究。结果发现：只有在合适的磁铁距离下,系统才具有双稳态特性,而且这种特性拓宽了系统的频率响应范围,使系统获得更大的响应幅值。只有在适当的激励幅值和激励频率下,该非线性系统才能获得比线性系统更高的能量俘获效率。     

三稳态压电能量采集器的动态特性与实验

为了探究三稳态压电振动能量采集器的动力学特性,以磁-机-压电耦合型三稳态压电振动能量采集器(tristable piezoelectric vibration energy harvester,简称TPVEH)为研究对象,利用磁荷法、力平衡和基尔霍夫定律分别建立了采集器末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型和系统集总参数动力学模型。仿真分析了磁铁间距、激励加速度幅值和频率等参数对采集器动力学特性和采集电压的影响。研制了三稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验验证了仿真结果的正确性。研究结果表明,随着激励加速度幅值增大,能量采集器依次经历单稳态、双稳态和三稳态3种运动状态,且三稳态运动时的工作频带和输出性能(位移、速度和采集电压)比双稳态和单稳态时要高。     

DESIGN,MODELING, AND PERFORMANCE MEASUREMENTS OF A BROADBAND VIBRATION ENERGY HARVESTER USING A MAGNETOELECTRIC TRANSDUCER

This article presents a new broadband vibration energy harvester using a magnetoelectric (ME) transducer. In order for vibration energy harvesters to be efficiently applicable over a range of vibration frequencies, many techniques have recently been investigated to broaden the frequency ranges of the harvesters using piezoelectric, electromagnetic, or electrostatic transductions, but few have been studied in the harvesters using ME transducers. In this article, a new harvester using a ME transducer is proposed, which takes advantage of multi-cantilever beams and nonlinear behavior of the magnetic force to expand the working bandwidth in ambient low frequency vibration. A theoretical model is developed to analyze the nonlinear vibration of the harvester, and the effects of the structure parameters on the electrical output and the bandwidth of the harvester are analyzed to achieve the optimal vibration energy harvesting performances. The experimental results on the performances show that the harvester has bandwidths of 5.2 Hz, 6.3 Hz, and 7.2 Hz, and the maximum output power values of 0.21 mW, 0.6 mW, and 1.03 mW at the accelerations of 0.2 g, 0.4 g, and 0.6 g (with g = 9.8 ms^?2), respectively.     

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。