改进的双稳态涡激振动能量收集器的发电性能研究

随着低功耗传感器的出现,利用流致振动为传感器提供自供电是研究环境监测中的热点。本文将改进的非线性恢复力与涡激振动相结合,提出改进的双稳态涡激振动能量收集器,建立力学模型及控制方程,借助数值仿真得出改进的双稳态涡激振动能量收集器在能量收集方面优于双稳态涡激振动能量收集器,研究并分析了磁距对能量收集系统势能函数及发电功率的影响,借助半功率带宽法,确定了系统在不同磁距下的工作带宽,分析了磁距对发电功率及工作带宽的影响。     

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。     

基于神经网络的压电能量收集器性能预估模型

设计了一款双稳态聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,简称PVDF）梁压电振动能量收集器,并介绍了该款收集器结构特点和工作原理。为了解决传统理论模型预测与能量收集器实际输出性能的偏差,利用人工神经网络对其结构参数、激励频率和收集电能之间的非线性关系进行建模。基于误差反向传播训练的多层前馈网络建立了双稳态PVDF梁压电能量收集器的人工神经网络模型。以质量块质量、PVDF压电梁的压缩距离以及外激振力频率作为输入变量,收集器输出电压均方根（root mean square,简称RMS）值作为输出变量,采集了不同条件下压电能量收集器的实验数据。通过将仿真预测结果与实验结果对比,验证了所设计的人工神经网络能有效地预测压电能量收集器的输出特性,且无需复杂的收集器理论建模。     

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。     

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。     

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。     

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。     

磁性液体振动能量收集器输出电压特性的研究北大核心CSCD

文中基于磁性液体的磁特性和流动性,提出了一种利用磁性液体的晃动将机械运动直接转化为电能的振动能量收集器。理论推导了磁场作用下能量收集器输出感应电动势的数学表达式,借助有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立了磁性液体振动能量收集器磁场分布和流体运动的仿真模型,设计了振动结构在正弦激励下的能量收集测试实验,探究了外部激振频率、磁性液体种类和外磁场强度等因素对电阻两端输出电压的影响规律。实验结果表明:磁性液体振动能量收集器可以在低频激励水平作用下有效地收集能量,且具有较宽的工作频带。     

基于磁化电流法的双稳态非线性能量阱抑振性能研究

为在宽频内实现对主系统的振动控制，设计了一种双稳态非线性能量阱(Bistable-Nonlinear Energy Sink, BNES),基于磁化电流理论对悬臂梁结构系统的空间磁力进行分析，研究磁间距大小及悬臂梁长度对BNES稳定点的影响。建立主系统耦合BNES的动力学方程，研究不同激励强度时BNES瞬态工作性能的稳定性。通过幅频特性研究磁间距对BNES的稳态减振性能影响，并分别研究了在0.5倍、1倍、1.5倍共振激振频率下，随激励强度变化，BNES工作性能的稳定性。分析结果表明，提出的BNES具有良好瞬态及稳态减振性能，且鲁棒性较好。     

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。     

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。     

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.     

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。