电磁式振动能量采集电路关键技术研究进展

电磁式振动能量采集电路是低压振动发电在微机电系统应用与研究的重点。对电磁式振动能量采集电路的整流升压结构、自启动运行及实现振动发电机最大功率输出三个方面进行了归纳与总结,介绍了近年来国内外不同类型的电磁式能量采集电路,并按上述三方面对电路进行系统的分析。最后展望了电磁式振动能量采集电路在今后的研究方向和应用前景。     

基于垂直运动磁体的高效振动-电磁能量采集器研究与设计

随着电子设备功耗越来越低,采用振动-电磁能量采集器将人体或者环境中的振动能转换为电能,从而为低功耗电子设备进行供电成为研究的重点与热点。现有振动-电磁能量采集器主要集中于水平方向磁体运动切割磁力线,从而将动能转换为电能。研究并制作了基于磁体垂直运动的振动-电磁能量采集器,结合磁体运动分析能量转换机理,研究磁体运动形式、线圈参数及缠绕位置等对于输出功率之间的关系,提出线圈集中缠绕结构的振动-电磁能量采集器,能够显著提高输出功率。通过激试验表明,能量采集器在垂直方向激振力频率为4 Hz的作用下,在永磁体高度与线圈缠绕高度为4∶3的前提下,能量采集功率与线圈沿柱筒均匀覆盖缠绕相比提升400倍;在能量采集器与负载(试验负载91Ω)阻抗匹配条件下,能量采集器最大输出功率为28.83 mW;通过人体运行力量转换试验可知,在人手腕跑步运动的情况下,能够驱动温湿度计正常工作。所设计的能量采集装置能够广泛应用于机械振动监测无线网络传感器自供电节点中。     

抗磁悬浮能量采集器结构参数对输出特性影响

对微型振动抗磁悬浮能量采集器各个结构的参数进行分析,研究其变化对能量采集器的输出特性的影响。提升永磁体的尺寸的变化对悬浮永磁体的平衡位置影响很大,但对系统固有频率和输出电压影响很小。悬浮永磁体尺寸变化对平衡位置没有影响,但对系统的固有频率和输出电压影响很大。热解石墨材料的尺寸变化对于抗磁力的影响有一个边界值,超出边界值时抗磁力不随尺寸变化而变化。并通过COMSOL软件进行电压仿真,得到的最大输出电压为6.15 m V,系统工作的频率范围为2.2~10.3 Hz。     

单方向电磁式振动能量采集结构的设计与优化

为在尽量小的空间产生足够大的电能,设计了一种基于Halbach永磁阵列的单方向电磁式振动能量采集器。利用Ansoft Maxwell软件对Halbach阵列的磁场进行了初步分析,分析显示Halbach阵列相对于传统的永磁阵列可以有效增强单边磁场。建立模型并对其中的拾振结构进行动力学分析,对换能结构提出3种方案并进行了优劣比较,根据换能结构方案对模型的结构参数进行了优化,得出优化后的仿真输出电压约为1.4V。最后搭建实验平台,得出实验结果约为1.2V,与仿真结果基本吻合,验证了本结构设计的合理性及正确性。     

基于Halbach阵列的多方向多模态动能采集器设计

为了使振动能量采集器适应外界振动环境的宽频带、方向随机特性,设计了一套基于Halbach永磁阵列的多方向多模态动能采集器。首先,建立了采集器的立方体-球状物理模型并分析了该模型的动力学特性。接着,设计出采集器的基本结构,重点对弹性梁的设计进行了具体分析,再利用有限元软件对设计出的结构进行动力学分析。同时,在结构设计的基础上,提出了基于Halbach永磁阵列的换能结构,将该阵列与一般的顺次永磁阵列进行比较分析。最后,搭建了实验系统平台,测试出采集器在不同输入激励下的输出电压。实验结果表明,采集器在不同激励方向可以达到对应的振动模态,并且均能产生有效的输出电压。因此,该采集器具有多方向多模态采集特性。     

基于振动能量采集的无源温度传感技术研究

针对工业设备测温供电问题,需研究一种可利用工业设备中振动产生的电能进行无源测温的技术。为此,设计了一种基于电磁感应原理的T型梁能量采集器,引入刚、柔性两种热电阻负载回路,对T型梁能量采集器的性能进行分析,探讨刚、柔性2种热电阻负载回路电阻值与温度之间的对应关系;通过LabVIEW仿真软件,搭建测试电路对能量采集器进行扫频实验,找出能量采集器的谐振频率;在谐振频率下分别为能量采集器匹配刚、柔2种热电阻进行测温表征,得出与该能量采集器匹配的最佳负载热电阻,最终在25～255℃之间实现了热电阻温度的表征和测量。无源测温系统可广泛应用于电力设备的温度监测中,例如GIS、开关柜、变压器绕组等,应用前景广泛。     

能量回馈型超声波电机定子振动特性有限元分析与特性测试

提出一种集精密驱动和振动能量采集于一体的新型多功能压电振动电机——能量回馈型超声波电机,设计了电机夹心式内锥面压电定子,建立了电机压电定子的有限元模型,仿真分析定子振动特性和能量采集输出特性;研制电机原理样机,并对电机进行阻抗和能量采集特性测试与分析。研究结果为工作在极端封闭环境中的微型机器人系统提供一种集驱动与供电一体化的机电器件。     

电磁式振动发电机的机电特性分析与实验研究

设计了一种电磁式振动发电机结构,利用质量-弹簧-阻尼模型对振动发电机结构进行了数学建模,分析了电磁式振动发电机进行了机电特性,并仿真计算了正弦振动位移激励下线圈的输出电动势。结果表明,在模型基础上,发电机的输出感应电动势与输入位移激励具有相同的变化规律,说明机械能较好地传递到了电能。对设计并制作的样机进行了实验研究,发电机在振动频率10 Hz,振幅10 mm的正弦位移激励作用下,同一侧单组线圈、双组串联线圈的输出电动势峰峰值和有效值分别为3.437 V、7.684 V和0.710 V、1.988 V,实验表明,实验数值和仿真数值近似而且波形规律相同。     

光电式电流互感器技术的研究现状与发展

对光电式电流互感器(OCT)和传统的电磁式电流互感器进行了比较,结果表明OCT性能优良,是传统电流互感器较为理想的替代产品。对OCT技术进行了研究,阐述了有源型OCT和无源型OCT的工作原理、电路结构和优缺点。分析了目前有源型OCT研制过程中存在的主要问题是双折射效应影响、温度影响、干扰和振动问题,无源型OCT的主要问题是高电位侧传感头的电源供应和电磁兼容问题、防电磁干扰问题。综述了光电式电流互感器技术的研究现状并对其进行了展望,高精度、高可靠性、大动态范围是其发展趋势。     

振动摩擦焊接用电磁振动头的原理与优化设计

振动摩擦焊接是近些年新兴起的一种高科技含量的无缝焊接技术.文中根据振动摩擦焊接的需要设计了一种新型的电磁式振动头.介绍了该振动头的基本原理和结构特点,并结合Ansoft分析软件对振动头电磁场进行了仿真分析和结构参数优化.试验中对电磁振动头的振动频率和振动幅值分别进行了控制,试验结果证明了该方案原理的正确性和良好的工程实用性.     

振动能量供电的矿用无线传感器网络研究

针对现有矿用无线传感器网络使用的传统供电方式所带来的不足,根据振动能量收集装置在国内外的发展情况,提出了使用振动能量供电的新型无线传感器网络,研究了采用振动能量收集装置对矿用无线传感器网络所带来的优势和可行性分析,结果表明使用振动能量收集装置的矿用无线传感器网络可以极大地增强无线传感器网络的监测作用。     

能量暂存式集成光电微能源能量管理及系统设计研究

为满足MEMS无线传感器节点微型化的设计要求,设计了一种能量暂存式集成光电微能源系统。其利用传感器节点功耗特性,采用暂存式能量管理方案,在传感器节点休眠状态存储能量,在传感器节点激活状态为节点供电。并通过设计合适容量的能量暂存器,将光伏电池输出电压控制在最大功率区,提高光伏电池的能量转换效率。设计的能量暂存式能量管理方案能有效解决光伏电池面积较大和能量利用率低的问题。另外,设计系统所用器件具有较好的集成工艺兼容性,且所设计系统具有较好的输出稳定性。     

复合式动能采集器的多自由度宽频带设计优化

提出了一种多自由度宽频带压电 磁电复合式动能采集器,该动能采集器可以在多方向采集动能,有效地工作于较宽的频带,且可以同时以压电和磁电方式收集动能,大大提高了动能采集效率。介绍了复合式动能采集器的结构;分析和优化了采集器的拾振系统,从理论上验证了采集器的多自由度和宽频带的特性;介绍了磁电换能系统。研究结果表明,采集器在不同的工作频率下出现了两个振动峰值,验证了采集器的宽频带动能采集特性。通过实验测试进一步得出,与压电或磁电换能系统各自的输出性能相比,压电 磁电复合式换能系统的总体输出性能有所提高。     

片上集成光伏微能源能量管理方案与系统设计

结合微机电系统(MEMS)无线传感器节点的功耗特点,介绍一种片上集成光伏微能源能量管理方案及系统。根据有无光照条件,能量管理方案由能量存储、混合供电、充电保护、并联供电和能量转存五个状态组成,实现能量的存储、传输和供电管理。另外,设计了片上集成光伏微能源系统,其采用固体薄膜锂离子电池为能量存储器,电容器作为辅助存储器,并利用旁路法进行能量存储器的过充电保护,在传感器激活状态利用混合供电模式为节点供电,设计系统具有较高的集成工艺兼容性和输出稳定性。     

面向电力传感器的环境能量收集技术发展趋势及面临的挑战

电力传感器作为能源互联网感知层的基本组成部分,其供电稳定性是广大从业者的关注重点.通过环境能量收集技术为传感器供电,可使传感器具有自供电特性以及长期免维护的优势,能量收集技术在电力传感领域的应用受到了越来越广泛关注.综述了环境能量收集技术在电力领域的应用现状以及温差、振动、风致振动等新型能量收集技术的特点.结合电力行业...     

Resonant electromagnetic vibration harvesters: Determination of the equivalent electric circuit parameters and simplified closed-form analysis for the identification of the optimal diode bridge rectifier DC load

In this paper, the guidelines leading to the identification of the values of the parameters of the equivalent electric circuit of vibration electromagnetic harvesters are identified and discussed. A simplified closed form analysis of the non-linear system composed by a vibration electromagnetic harvester which supplies a DC load by means of a diode bridge rectifier is also presented. Such an analysis clearly puts in evidence that the maximum power which can be extracted by a given vibration harvester (when it supplies the optimal load impedance) is higher than the maximum power which can be extracted by such an harvester when it is cascaded with a diode bridge rectifier which supplies the optimal DC load. The term “optimal load” identifies in both cases the load in correspondence of which the electric power which is extracted from vibrations attains its maximum value.     

初论高压一体化电流、温度传感器

介绍了高压一体化电流、温度传感器的工作原理和结构,以及无线输电的供能方式,并与国内外相关产品进行了技术对比。实验结果表明,一体化电流、温度传感器是一种功能全,体积小、测量精度高的新型传感器,可广泛应用在高低压交直流供电和用电系统中。     

Sustainable micro-power circuit for piezoelectric energy harvesting tile

Piezoelectric energy harvesting tiles are used for converting the power of pedestrian footsteps in to electricity and can be used at the micro- and milli-watt level for storage and powering electronics devices. This paper effectively combines the systems and techniques for developing a sustainable circuit with the self-starting and self-power functions to efficiently store energy and drive low power consumption electronic devices from the piezoelectric energy harvester tile. The main part of the system is 80% efficient impedance matching converter with the self-starting and battery-less operation. The presented circuit has an overall efficiency of 63% and can power a wireless sensor node to transmit the information wirelessly.     

片上集成无线传感器节点光电微能源设计模型建立与分析

根据片上集成无线传感器节点光电微能源系统结构及传感器节点功耗,分析光电微能源系统各组成部分的能量参数和系统的能量转换、存储及传输机理,建立了片上集成光电微能源系统理论模型。另外,对能量存储、分配及无线传感器节点工作方式等对系统设计参数的影响进行了分析,同时,对能量存储式和能量暂存式两种能量存储模式对系统设计的影响进行了比较。结果表明,光电微能源不同的工作方式及能量管理模式直接影响微能源系统设计参数及工作特性。理论模型及分析结果为片上集成光电微能源优化设计奠定了理论基础及参考依据。