压电陶瓷人体能量收集系统的设计与实验

为利用压电材料收集人体能量,设计了一种人体能量收集系统,可以在人行走过程中产生电能,该机构被安装在人腿的膝盖部位,选择性地在腿部摆动结束阶段连续地按压压电陶瓷片参与发电,另外还设计了压电发电装置的能量存储与控制电路,并实验了其发电特性,该装置非常适合给假肢或者其它便携式医学设备充电。     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

压电材料在外力的作用下可以产生电荷,将这部分电荷收集起来可以为微功率电器提供电能。在对单层悬臂梁压电发电装置进行实验研究的基础上,设计并制作出多层悬臂梁压电发电装置;对两种装置的实验结果进行研究分析,不仅拓宽了悬臂梁压电发电装置的谐振频带,更有效地提高了其发电能力。     

密闭环境气流冲击式压电阵列发电性能实验研究

为实现高压密闭环境的气体能量收集并提高能量转化效率,提出了一种气流冲击式压电阵列发电机。利用压电材料的正压电效应并结合压电本构方程对压电发电机理进行分析,结果表明在高压气体环境下可采用盘型压电片进行气体能量收集,且压电片外圆周需进行机械夹紧固定。设计并制作了一种压电发电阵列实验样机,搭建了实验测试系统。以高压气体为激励源对不同流量、周期及负载条件的改变进行了实验测试。实验结果表明,峰值电压与流量成正比,随着周期的增加峰值电压有小幅度的增长趋势,压电阵列在电学并联的情况下具有最佳的功率输出性能,当周期为0.8 s、流量为200 L/min、压力为0.3 MPa时最佳的输出功率是0.99 mW。     

基于磁场传感器的磁电层状复合材料逆磁电效应研究

运用等效电路法对LT型磁致伸缩/压电多层磁电复合材料的逆磁电系数进行了理论推导,得到了其逆磁电系数方程.该方程显示逆磁电系数取决于磁致伸缩层与压电层的性能参数和其体积比.以三层磁电复合材料为例进行计算,理论结果与实验结果吻合较好,且计算结果发现当压电层体积份数n为0.64时,逆磁电系数最大值为199mG/V.研究结果为磁电层状复合材料在电-机-磁耦合方面的应用提供了理论依据,有助于优化以层状磁电复合材料为核心的磁场传感器的结构.     

胎压报警器用压电发电装置的设计及实验研究

为了实现轮胎压力报警器(TPMS)的无源化,解决传统电池寿命有限、不易替换等问题,提出了利用压电材料将汽车行驶过程中轮胎的机械能转化为电能,为TPMS的监测模块供电。制作了一种能用于轮胎压力报警器(TPMS)的压电发电装置,设计了相应的能量转换及存储电路,并对该系统进行了实验测试。这种压电发电装置具有结构简单、不发热、无污染、不受电磁干扰、易于加工制作和结构小型化等优点。     

采用磁电自供能的能量储存和电源管理电路研究

普通Fe-Ni/PZT磁电复合结构将电磁能转化为电能时输出低,无法驱动无线传感器工作,本文设计了一种更高磁电电压系数的H型音叉式磁电复合结构。论文详细介绍了该结构的工作原理和磁电输出特性。在强度为0.2Oe的交变磁场激励下,该磁电复合结构能够把容量为1.5F的超级电容充电至0.5V。为有效利用超级电容中的电量,本文提出了一种能够提高超级电容输出功率的电能瞬间放电电路。实验结果表明,当超级电容电压为0.5V左右时,在间隙脉冲串(Burst)触发信号频率为30kHz、占空比为75%的条件下,该电路最大放电功率可达120mW,放电时间持续620ms,能够驱动无线传感器在一个发射周期内正常工作。     

L-L模式磁电双层复合材料的正、逆磁电效应研究

基于纵向磁化磁致伸缩材料的压磁本构方程、纵向极化压电材料的压电本构方程及磁电材料的运动方程,分别建立了正、逆磁电效应的磁机电等效电路,并推导了纵向磁化与极化(L-L)模式磁电双层复合材料的正、逆磁电系数的计算公式。获得了正、逆磁电效应随频率的变化关系;同时,该计算公式还能研究压电材料参数或磁致伸缩材料参数对正、逆磁电效应的影响。研究表明,对于L-L模式磁电双层复合材料产生的纵向振动模式,理论结果与实验有很好的一致性,因此,期望该理论能在磁电换能器件及能量捕获器件的设计中获得应用。     

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。     

基于E-ACE机械能转化为电能的影响因素分析

E-ACE作为压电材料的一种,因其自身具有的变形量大、比能量高等优势受到了广泛关注.针对当前能源形势危机的问题,提出了基于E-ACE材料的机械能转化为电能,从而对环境中的机械能量进行收集利用.为了研究压电材料对环境中机械能量的收集情况,对该材料的种类、发电原理、发电模式进行分析,并搭建了基于E-ACE的机械能转化为电能...     

悬臂梁式压电发电结构理论模型及其仿真研究

为提高压电悬臂梁发电能力以及将压电发电技术应用到日常生活中,开展了压电振动理论分析,建立了压电装置的发电能力与压电材料的厚度比、长度以及悬臂梁的材料、长度等之间的关系,提出了数学建模的分析方法,在理论上对压电悬臂梁的发电能力进行了评价,并进行了Matlab仿真实验.其结果表明:悬臂梁压电发电模型中,压电材料存在最佳厚度...     

振动能量收集技术的研究现状与展望

气候变暖、海平面上升、冰川消融等自然环境变化对人类社会的发展构成巨大挑战,迫使人们加速绿色能源技术的开发。微纳米技术、机械与材料工程的迅速发展使得振动能量的收集与应用成为可能,其主要部分为通过电磁转换、静电转换、压电转换、磁致伸缩转换、磁电转换、摩擦纳米发电以及它们的复合形式将振动能量转化为电能。其中摩擦纳米发电是最新的研究热点之一。本文回顾了振动能量收集技术原理、材料、结构等方面的研究现状,重点综述了国内外学者的主要研究成果,详细阐述了多种收集方式的原理、特点和电学输出性能,总结了目前该技术存在的关乎耦合性能、频带、收集效率、集成性和寿命等有待进一步解决的关键问题,并由此展望振动能量收集技术的研究发展趋势,希望为集能设计研究领域的工作者提供有价值的参考。     

基于压电发电的隧道环境中能源的利用

通过对隧道环境内可利用能源进行测试研究,设计了一种适用于隧道环境的压电悬臂梁发电装置.针对地下隧道环境的振动频谱特征,选择高性价比的压电材料,通过有限元方法进行仿真研究,设计合适尺寸与材料的压电悬臂梁.设计采集系统外围电路,实现低能耗收集利用压电装置转化得到的振动能量.     

磁场加载方式对磁电器件磁电效应影响的研究

将磁致伸缩材料(Terfenol-D)和压电材料(PZT-8)复合,利用谐振原理构造了一种磁电器件.当激励磁场的频率等于或者接近于Terfenol-D的固有频率时,Terfenol-D将驱动PZT-8振动并发生共振,压电材料的输出电压将达到极大.在不同的偏置磁场和交变磁场的加载方式下,研究了谐振状态下的磁电层合器件在强、弱偏置磁场强度下的磁电特性,研究表明,当偏置磁场和交变磁场分别沿长度和宽度方向施加时,相比在弱磁场下,强磁场下磁电层合器件的磁电电压系数分别提高了43.3%和近2倍.     

复合式压电悬臂发电梁设计与实验分析

为了解决压电悬臂发电梁共振频率带宽小,不能完全发挥其发电能力的问题,利用有限元仿真分析软件ANSYS,仿真分析了常规的压电悬臂发电梁的前六模态和输出特性,在仿真分析的基础上提出了对压电悬臂发电梁的压电片进行分割组成复合式压电悬臂发电梁,并搭建实验平台验证其输出特性。实验结果表明:在相同的实验条件下复合式压电悬臂发电梁的发电量是常规的压电悬臂发电梁发电量的1.37倍,并且其输出效率是常规压电悬臂发电梁1.5倍。因此,提出的复合式压电悬臂发电梁可以有效地提高压电悬臂发电梁的发电能力和输出特性。     

悬臂梁压电发电技术研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究．研制了一套悬臂梁压电振子发电系统。设计了悬臂梁压电振子,在加速度2．5m／s^2、频率64Hz振动条件下,利用ANSYS进行了仿真。研究结果表明,该压电悬臂梁发电装置能输出85μW的功率,可以满足无线网络传感器工作的需要。     

从人体行走中收集能量的鞋上压电俘能器

设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH),用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励,并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式;然后,建立仿真模型,对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后,加工了实验样机,并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明,当受到沿胫骨方向的激励时,压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压;受到沿胫骨和脚面两个方向激励时,压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8km/h时,每根压电梁的峰值电压可达到10V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量,并能够同时收集两个方向的加速度能量,提高了压电梁的发电性能。     

基于PMNT压电陶瓷的能量采集技术

能源危机越来越受到全世界各国的关注,人们试图采用各种技术将自然能量采集并转化为有效电能。本文利用压电陶瓷所具有的正压电效应,将脚踏机械能有效采集并转化为电能。考虑到压电陶瓷产生高电压低电流的特点,本文主要解决了电流不稳定,持续供电时间短的问题。同时从实际工程应用出发,设计了成本低能量采集与转化的发电系统,可加装在鞋底,供小型随身电子装置使用。也可装在行人及车辆较多的交通要道,获得广泛的应用。     

简易压电晶片式液压发电装置的设计及试验

为实现低频率,高强度的振动能量回收和利用,提出一种基于压电流体耦合作用的压电晶片式液压发电装置。通过理论分析设计结构,采用直径60mm,厚度1.6mm的压电晶片以及直径16mm,高度50mm的液压缸制作样机,用水作为工作介质,测试了装置在不同激励频率、激励电压、系统背压及加载质量等条件下的电压输出情况。试验结果表明:当激励频率(工作频率)在27Hz左右时,该压电晶片式液压发电装置的输出电压达到最大,且在一定的范围内,发电装置输出电压随着激励电压、系统背压及加载质量的增加而增加,验证了液压-压电发电的可行性。     

一种电动自行车反充电装置的设计

介绍了一种电动自行车的反充电装置。通过采集电动自行车的车速信号及车辆制动信号,并由电子控制器控制电动自行车的充电装置,可实现电动自行车在超速或制动时,将车辆行驶的部分动能转化为电能,对蓄电池进行反向充电,从而提高了电动自行车的单次充电行驶里程及车辆的安全性,延长了蓄电池的使用寿命。制动时动能转化为电能也增强了制动效果,提高了电动自行车的制动性能。     

一种电动自行车反充电装置的设计

介绍了一种电动自行车的反充电装置。通过采集电动自行车的车速信号及车辆制动信号,并由电子控制器控制电动自行车的充电装置,可实现电动自行车在超速或制动时,将车辆行驶的部分动能转化为电能,对蓄电池进行反向充电,从而提高了电动自行车的单次充电行驶里程及车辆的安全性,延长了蓄电池的使用寿命。制动时动能转化为电能也增强了制动效果,提高了电动自行车的制动性能。