微型抗磁悬浮振动能量采集器结构分析与实验

研究了一种基于抗磁悬浮原理的微型振动能量采集器,自上而下主要由提升永磁体、上热解石墨板、悬浮永磁体和下热解石墨板组成,在上、下热解石墨板上电镀有铜线圈,利用电磁感应原理将悬浮永磁体的振动能量转化为电能。通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics TM对能量采集器整体结构尺寸进行仿真计算,并与实验结果进行对比,得到最大仿真误差为8.2%,可以作为能量采集器结构设计的依据,根据悬浮永磁体周围磁场分布情况,得到了铜线圈的最佳布置方案。通过对能量采集器的振动模型进行分析,得到能量采集器输出的峰值电压为22.5mV,为能量采集器的进一步应用打下坚实基础。     

微型振动能量采集器的抗磁悬浮结构分析

抗磁悬浮结构是微型振动能量采集器的核心结构,其由提升永磁体、悬浮永磁体以及上、下热解石墨板组成。该能量采集器主要通过悬浮永磁体的运动使感应线圈中的磁通量改变,从而将振动能转化为电能。为了研究悬浮永磁体对外界激励的响应情况,利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysic ~(TM)4.4计算出悬浮永磁体在不同空间位置时所受的磁力与抗磁力,通过Matlab拟合工具箱得到磁力与抗磁力关于距离的非线性方程,结合磁力与抗磁力方程建立悬浮永磁体对外界激励响应的SIMULINK仿真模型,进而得到悬浮永磁体在外界激励下的运动规律,确定了悬浮永磁体的共振频率,同时对抗磁悬浮结构的倾斜状态进行了分析,得到了抗磁悬浮结构正常工作时所允许的最大倾斜角度。     

多方向宽频磁电式振动能量采集器

针对目前振动能量采集器只能拾取环境振动中一个方向的能量,以及响应频带较窄的问题,提出并设计了一种由弹性圆柱悬臂梁、环形磁路和复合磁电换能器组成的多方向宽频带振动能量采集器.圆柱悬臂梁具有在其横截面内沿任意方向振动的特性,同时,借助磁力耦合,使任意方向振动具有非线性的特点,从而采集器实现多方向宽频带振动能量拾取.理论推导了磁力作用下圆柱悬臂梁的非线性动力学方程,以及电压输出模型;借助磁场分析软件Ansoft Maxwell分析了矩形、圆形和环形永磁铁分别组成3种磁路的磁场分布,研究了不同磁路中磁力、磁场强度及其变化量等因素对动力学方程和电压输出的影响,为获得更优性能的采集器提供了设计依据.实验结果表明:在5.88 m/s2的加速度下,具有环形磁路的采集器能够拾取0°～ 180°多方向的振动能量,各个方向响应频带宽度达到4.4～5.6Hz;负载电阻为3 MΩ时,采集器输出0.5 mW的最大功率.     

微型抗磁悬浮振动能量采集器结构研究与分析

针对微机电系统供电问题,提出一种新型的抗磁悬浮振动能量采集器结构。该结构消除了传统机械悬浮的能量损失,利用提升永磁体与悬浮永磁体之间的磁吸力抵消悬浮永磁体的重力,两个热解石墨薄板与悬浮永磁体之间的抗磁力作为回复力使悬浮永磁体回到平衡位置。通过有限元软件MAXWELL仿真计算,悬浮永磁体的最大活动范围1.3mm;同时,分析了在悬浮永磁体悬浮的范围内磁力的增量与抗磁力增量大小对比,得出了抗磁能量采集器的运动特性和稳定工作的范围为0.7mm。     

非线性压电式能量采集器

由于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,本文基于非线性振动研究了一种压电式能量采集器。基于Duffing模型测试得到了非线性压电能量采集器的振动方程,对其振动特性进行了仿真测试。在不同永磁体间距的条件下,测试了非线性压电式能量采集器的开路输出电压,结果表明,当激振台加速度为20m/s2时,该非线性压电式能量采集器的最大输出电压从线性系统输出时的131V提高到208V,最大输出功率为43.264mW,主共振频率变化范围达到18Hz。该Duffing模型的结构可以在小范围内改变非线性压电式能量采集器的共振频率,同时提高其输出电压。     

采用复合磁电换能器的宽带振动能量采集器

采用磁致伸缩/压电层合磁电换能器设计了一种新型的宽带振动能量采集器,采集器由多个悬臂梁、磁电换能器和永磁体组成,将磁电换能器和提供磁场的永磁铁分别与悬臂梁构成具有不同固有频率的弹性结构,从而响应不同频率的机械振动.推导了换能器和永磁体组间磁力作用下能量采集器的动力学方程及其电输出模型;借助磁场分析软件Ansoft's Maxwell研究了影响能量采集器的频率特性及电能输出的因素,为获得最优性能的能量采集器提供设计依据.根据分析设计了振动能量采集装置并进行了实验,实验结果表明:在振动加速度为0.2 g(g=9.8 ms-2)时,当两悬臂梁间频率差为3.6Hz时,振动能量采集器响应频带宽度从单梁结构的0.8 Hz增加到双梁结构的5.0 Hz,负载电阻为1 900Ω时,其上的功率达到最大0.22 mW.     

一种采用复合磁电换能器的振动能量采集器

设计了一种由悬臂梁、磁电换能器和永磁体组成的新型振动能量采集器.环境振动引起换能器与永磁体相对运动,使得作用到换能器的磁场变化,变化的磁场引起换能器得到电输出.理论分析了影响换能器与永磁体相对运动的磁场力和永磁体的非线性运动情况.实验结果表明:在振动激励频率为33 Hz,振动加速度为0.5 g的条件下,输出电压峰峰值45.1 V,输出功率112.1 μW.     

间隔排布型盘式磁力耦合器的输出转矩特性分析

针对间隔排布型盘式磁力耦合器的输出转矩特性问题，在考虑感应电流产生的感应磁场对原磁场影响的基础上，运用等效磁路法，建立其磁路计算模型，引入卡特系数，推导磁力耦合器的输出转矩公式。运用有限元模拟获得磁力耦合器的磁场分布、转矩变化曲线和机械特性曲线，分析感应磁场对原磁场的影响，并确定了最大转矩处的转差率不随耦合器气隙的改变而改变。最后，搭建试验平台，进行磁力耦合器的输出转矩测量试验。研究表明，最大转矩点的转速差不随气隙厚度的变化而变化；转速差小于120 r/min时，试验结果与理论计算结果、仿真结果基本一致，进一步验证间隔排布型盘式磁力耦合器输出转矩模型的准确性。     

横向电磁式振动能量采集器的设计与制作

基于微机电系统(MEMS)设计了一种结构新颖的横向电磁式振动能量采集器,用于把周围环境中振动的机械能转化为电能.该能量采集器主要由两块长方形永磁体、螺旋铜线圈、质量块-弹性梁振动系统及衬底等构成.选用有限元分析软件对器件结构参数进行了仿真分析与优化,并利用电镀技术制作螺旋铜线圈,KOH湿法腐蚀和深反应离子刻蚀(DRIE)技术制作质量块-弹性梁振动系统,然后与永磁体一起组成了体积大约为100 mm3的能量采集器样机.对制作好的电磁式振动能量采集器样机的振动特性测试表明:质量块-弹性梁振动系统的一阶固有频率为241 Hz;在频率为241 Hz、加速度为2.8 ms-2的外界振动激励下,负载两端产生的交流电压峰峰值为9.2 mV.另外调节质量块和弹性梁的参数,还可以得到不同固有频率的能量采集器.该能量采集器实现了从机械能到电能的转化,对无线传感器件的发展和应用很有意义.     

微型抗磁悬浮振动能量采集器输出特性分析

针对目前研究的电磁式振动能量采集器都工作在较高频率的情况,文中研究了一种采集低频环境下振动的抗磁悬浮振动能量采集器。通过Ansoft Maxwell的仿真分析,得到悬浮永磁体周围磁感应强度B的变化规律,确定了感应线圈合理的分布位置,理论分析得到感应线圈匝数及导线横截面半径的最优尺寸。当热解石墨距离悬浮永磁体的位置不同时,系统对外界的频率响应不相同。仿真分析结果表明:当系统受到外界的加速度为6.25 m/s2,频率输入为2~12 Hz,线圈产生最大感应电动势145 m V,最大输出功率为19.7μW。     

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。     

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。     

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.     

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。     

Physics based modelling and analysis of IPMC vibration energy harvester

Advancement in smart materials and decrease in power requirement of electronic devices motivates researchers to use smart materials for energy harvesting applications. In this study, a physics-based modelling approach by considering the effect of convective transport on cation migration and the effect of local deformation on anion concentration is used to model IPMC based vibration energy harvester and solved with the help of COMSOL Multiphysics 5.5 finite element method. The present harvester model voltage and power output under fixed load resistance, and power output under variable load resistance for both excitation frequencies (2 Hz and 5 Hz) and both excitation amplitudes (3 mm and 5 mm) are analysed by both FEM and experimental results. At 5 Hz and 5 mm excitation amplitude and frequency, the peak voltage is 171.9 mV, and the peak power is 60.48 nW for 2 Hz excitation and 5 mm amplitude of mechanical vibration. According to the findings, physics-based modelling can be utilized to develop and analyse IPMC vibration energy harvesters. It will also be useful for analyzing IPMC-based sensors and actuators.

     

磁力调频压电电磁复合发电设计与实验

开展了基于环境振动发电作为微电源弥补传统化学电池供能缺陷的研究。基于非线性磁力调频开发了低宽频振动能采集压电电磁复合发电系统。介绍了发电装置工作原理;利用ANSYS和Ansoft Maxwell有限元分析软件仿真分析了压电和电磁发电的输出特性;最后,搭建了压电电磁复合宽频发电装置实验测试系统,测试了发电系统在磁力自调过程中的输出特性。实验结果显示:复合发电系统在谐振频率60Hz时输出开路电压峰值为5.8V,高于压电系统(5.5V)和电磁系统(410mV)独立发电的开路电压峰值。施加磁力拓宽装置后,当压电悬臂梁沿竖直方向上下移动0~15mm时,系统适应谐振频带拓宽为45~76Hz;悬臂梁沿水平方向平移0~30mm时,谐振频带拓宽为51~70 Hz。结果表明仿真分析与实验测试结果吻合很好。该宽频带能量采集技术可用于低频振动环境的能量采集,可在频变环境中为微型低功耗系统提供低电能。     

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。     

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。     

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。     

压电阵列双相能量收集器的有限元分析模型

文中基于压电阵列双相能量收集器的压电效应和磁–力–电耦合效应,提出了一种宽频的能量收集结构.该结构可同时俘获环境中广泛存在的机械振动和磁场能量,从而实现低功耗电子设备的自供电.利用有限元软件COMSOL建立了压电阵列双相能量收集器的几何模型并进行数值仿真,分析了不同载荷以及组份材料参数对俘能器性能的影响.研究结果表明,...