多模态下压电振动能量收集器的等效电路仿真

结合有限元分析法和电子电路分析法建立了多模态下压电振动能量收集器与交流-直流（AC-DC）非线性负载电路相连接的等效电路仿真模型。利用有限元分析软件ANSYS确定了压电能量收集器的等效电路参数,根据这些等效电路参数,在PSPICE软件中建立了非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的等效电路仿真模型,并实现了其输出电压和功率的快速仿真。仿真结果表明,等效电路仿真模型可得非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电压和功率,而这是单独使用ANSYS软件完全不能解决的。这为多模态下压电振动能量收集器的电能预测提供了一种简便而有效的分析方法,更为解决任意复杂非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电能预测打下了基础。     

锯齿型压电梁的电响应分析

压电振子的工作频带宽度是影响压电振动能量收集器发电效率的关键指标。该文旨在分析一种锯齿型阵列式压电振动能量收集器结构模态频率,为压电振子的动力学设计提供参考。首先,基于弹性梁振动理论,推导了锯齿型压电梁的动力学方程,并分析了影响压电梁模态频率的因素。然后,通过COMSOL建立锯齿形压电梁的有限元模型,分析了其频响特性、功率与负载阻抗匹配特性及加速度依赖性。最后,通过实验研究测试了锯齿型压电梁的电压幅频特性曲线,验证了理论分析与仿真模拟结果的合理性。结果表明,锯齿型阵列式压电振动能量收集器能够有效地拓宽工作频带,进而提高发电效率。     

一种圆弧螺旋压电能量收集器

为了降低谐振频率,实现多方向收集和提高输出性能,提出了一种4π圆弧螺旋压电能量收集器。通过分析器件尺寸与输出性能之间的关系来提高器件性能,将优化后的模型进行COMSOL仿真,分析振动位移、应力以及谐振频率。相对于2π圆弧螺旋压电能量收集器,4π圆弧螺旋压电能量收集器具有更低的谐振频率和更高的输出电压。4π圆弧螺旋压电能量收集器的谐振频率为48 Hz,输出电压达到12.3 V,输出功率达到400μW。     

梯形悬臂梁结构能量收集器的设计与研究

传统矩形悬臂梁上的应力呈非均匀分布,在梁固定端存在一个应力集中区,且沿轴向方向衰减,从而影响压电层的极化效果。同时,矩形悬臂梁结构能量收集器的谐振频率较高。为解决这一问题,文章提出了一种“倒”梯形结构的能量收集器结构。该梯形结构可以有效扩展极化区域,从而捕获到更低频的振动能量。实验发现,在1g振动加速度下,该能量收集器在124 Hz下输出电压为404 mV,输出功率达到41.3 μW。     

一种应用于TPMS的梯形阵列式能量收集器

基于汽车运动过程,研究了宽车速范围的微型振动能量收集器,提出了一种应用于胎压监测系统(TPMS)的梯形阵列式压电振动能量收集器。在优化固有频率的情况下,对能量收集器的结构参数进行了仿真优化设计。仿真结果表明,在最优结构参数下,车速范围为80~120 km/h时,能量收集器的输出功率范围为1 620~9 600 μW。该能量收集器可以工作在较宽车速范围,输出功率高。这为TPMS的无线供电提供了新的设计思路。     

悬臂梁式压电振动能量收集系统输出功率的优化研究

针对环境振动能量较小、振动源频带较宽导致压电能量收集系统输出功率较低的问题,探究了悬臂梁式结构能量收集系统采用并联或串联电感优化统输出功率的方法和特性,分析了不同并、串联电感值对输出功率的影响.鉴于压电悬臂梁的工作频率较低,匹配电感值较大,采用无损模拟电感进行了实验验证.理论分析与实验结果均表明,在不同的激振频率下对应不同的匹配电感值,在偏离谐振频率附近也可获得与谐振状态几乎相同的最大输出功率,从而拓宽了工作频率,提高了压电振动能量收集系统的能量收集水平.当激振频率分别是谐振频率的0.8和1.2倍时,并联或串联电感获得的最大输出功率分别是无电感纯电阻负载的26.4倍和18.2倍.     

可更换式多方向振动能量收集装置优化研究

针对全方向振动能量收集装置阻尼大,频带窄,结构复杂及安装繁琐等问题,优化设计了一种可更换能量收集模块的多方向振动能量收集装置。在结构上,该装置实现了传统能量收集装置从单一整体结构到模块化组装的结构转化;在性能上,通过理论仿真计算确定装置材料尺寸,并经过实验测试装置性能,新设计的装置与之前的装置相比,其最大峰值电压提高约11倍,最大输出功率达到28.75μW。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得:随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17mW增加至31mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得：随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17 mW增加至31 mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

一种直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器

提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04μW,测试输出功率最大为5.79μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

拨动式上变频压电俘能器的设计与研究

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器,解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关,解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力,建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后,选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明,在1g(g=9.8 m/s²)、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW,具有很强的低频能量收集性能。     

压电能量收集接口电路的设计与仿真

为了给无线传感器网络节点提供稳定、高效且长期的能量供给,该文提出了一种基于增强型同步电荷提取电路的压电能量收集接口电路(ESECE)。利用Multisim电路仿真软件对增强型同步电荷提取电路进行仿真,并与标准压电能量收集接口电路(SHE)和同步电荷提取电路(SECE)进行对比分析。实验结果表明,在相同激励条件下,ESECE比SECE的输出功率提高了近30%,最大输出功率达到190μW,同时还保证了输出功率与负载电阻的无关性。     

电磁型振动能量收集器研究及发展现状

介绍了电磁感应型振动能量收集器的基本工作原理,根据法拉第电磁感应定律导出了感生电动势和电磁阻尼与能量收集器结构及运动速度的关系。回顾了电磁能量收集器的发展历程和现状,从原始的直线共振型到最新的非共振转动型振动能量收集器,详细梳理了近年来电磁型振动能量收集器的基本结构、工作方式和性能,比较了直线共振型和非共振转动型两类能量收集器的特点及适用环境。根据能量收集器输出能量最大化的要求,从电磁阻尼、升压变换及反馈控制几方面对后端功率输出处理电路的设计特点进行了分析。最后,展望了振动能量收集器的发展趋势。     

压电振动能量收集电路的设计与实验研究

压电材料可将机械振动能转换为电能,但其产生的电能较小且具有交流特性,有必要建立储能电路将压电振动产生的电能储存起来并输出稳定的直流电。根据压电构造方程,建立压电振动能量收集系统的耦合场数学模型,对输出电压和最大输出功率进行数值模拟。设计与制作了一种以电容为储能介质的储能电路,通过电压比较器和电压调节器来保证稳定的直流输出。实验结果表明该储能电路能提供稳定的2.24V的直流输出电压,储能效率最高可达66.3%,并分析其能耗及误差产生的原因。     

多谐振频率固支梁压电能量收集器的设计

为了提高压电振动能量收集器的转换效率,设计了两种固支梁组合方案来实现多谐振频率压电能量收集器。建立固支梁结构的力学模型,得到影响固支梁谐振频率的因素。通过Comsol多物理场软件,仿真验证了两种方案的输出稳态电压频率响应。方案1实现的频带范围为9 Hz,方案2实现的频带范围可达41 Hz。总结了两种方案的优缺点,研究结果对多谐振频率固支梁压电能量收集器的设计及应用具有一定的参考价值。     

一种螺旋悬臂梁结构压电能量收集器

提出了一种螺旋悬臂梁结构的可植入式压电能量收集器,这种结构的能量收集器可为植入式医疗器件供电。螺旋结构的设计一方面可以使悬臂梁从多个方向的振动中吸收能量,另一方面还可以降低谐振频率。提出的悬臂梁整体结构厚度为40 μm,宽度为1 mm,整体外部大小为 9 mm×9 mm。该结构中,悬臂梁的末端附上质量块,进一步降低悬臂梁的谐振频率。该收集器的谐振频率为66 Hz,当施加的激励为1g加速度时,输出开路电压为2.2 V,输出功率为4.8 μW。     

多悬臂梁振动能量收集器的仿真与试验

气动系统已广泛应用于工业生产中,其工作时排出的气体直接进入大气,因而浪费了大量的能量。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)压电片作为能量收集器核心部件,对排出的压缩气体进行了能量收集。设计了多悬臂梁振动能量收集器,利用ANSYS有限元仿真软件分析了压缩气体进入能量收集器后的流场,通过试验测试了压电片发电效果。结果表明,入射口直径、扰流柱直径、入射口压力和入射口距扰流柱距离都会影响压电片发电效果。当入射口压力为80 kPa,负载电阻为900 kΩ时,能量收集器总功率约为120.64μW,与其他收集器相比提高了28.8%。     

用于能量收集的基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构

为解决俘能结构频带较窄,仅能从一个方向对机械振动能量进行收集的问题,研发了一种基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构。建立了俘能结构的流-固-电耦合数学模型,利用数值模拟和实验测试对前置阻流体的单俘能结构、串列双俘能结构及并列双俘能结构等情况进行了研究,分析了这些结构的振动性能与压电特性。数值模拟与实验测试结果表明,风速、俘能结构间距、压电圆环直径以及俘能结构排列方式都会影响压电俘能结构性能。在数值分析中,并列双俘能结构输出电压最大,在当结构间距(L)与压电俘能结构外直径(D)之比为2、风速为7 m/s时,上下端俘能结构的最大输出电压分别为5.7和6.8 V,对应输出功率为165和193μW。实验测试中,在风速为7 m/s、L/D=2时输出电压出现最大值,其上端俘能结构的最大输出电压为3.7 V,输出功率为80μW;下端俘能结构的最大输出电压为5.2 V,输出功率为148μW。研究结果表明,双自由度嵌套式俘能结构及其阵列可适当提高结构的输出电压,可为研究涡致振动压电能量收集提供新的参考方案。     

一种道路用小型压电发电及储存装置的研究

为了收集并利用汽车通过公路时所产生的振动能量,设计了一种利用压电材料的正压电效应采集环境振动能量,把振动能转换成电能的道路用振动发电装置。为使压电材料和道路振动能巧妙结合从而吸收最大的外部能量,获得高的发电效率,进行了以下研究:分析了压电材料变形量对发电能力的影响,并设计了能找到压电材料产生最大电能的最小变形量的模型。通过实验分析压电片的联接方式对电能输出的影响,得到了以并联为主,串联为辅的混联电路模型。设计并制作了道路用压电发电装置模型,通过模拟实验测得其发电功率为0.061 2 W,电容储电功率为0.026 4 W,发电效率为14.42%,电容储电效率6.21%。