基于Fe-Co-V合金的逆磁致伸缩效应高性能振动发电

旨在探讨和研究磁致伸缩振动发电技术的设计方案。磁致伸缩振动发电是一种利用磁致伸缩材料将振动能转化为电能的技术。该技术具有体积小、重量轻、能量转换效率高等优点,适用于微型能量收集和无线传感器网络等领域。目前磁致伸缩振动发电技术仍面临一些挑战,例如低效率和能量输出不稳定。因此,研究的目标是设计和优化一种磁致伸缩振动发电装置,以提高能量转换效率和稳定性。将采用优化的材料选择、结构设计和电路调整,通过实验研究不同设计参数对发电效果的影响,并对实验结果进行分析和评估。预期结果将为磁致伸缩振动发电技术的进一步发展和应用提供有益的参考和指导。     

振动能量收集电源电路设计

利用凌力尔特推出的电源集成芯片LTC3588-2,设计出适用振动能量收集的高集成度电源电路。根据压电材料能量收集器特性,建立了以理想电流源为基础的电路模型,用于电路仿真。通过调节收集器自身的振动频率,以及使用具备微弱泄漏电流特点的电容,使振动能量到电能的转换效率最大化。测试结果表明,该电源可以断续输出5 V的稳定电压,为低功耗、短工作时间的无线传感器设备供电。     

基于GMA的列车主动悬挂系统垂向振动分析

针对列车被动悬挂系统对列车减振效果不明显的问题，提出一种超磁致伸缩作动器(Giant Magnetostrictive Actuator, GMA)用于主动悬挂系统中的方法。基于列车主动振动特性和超磁致伸缩作动器的磁致伸缩工作机理，搭建GMA为作动器的主动悬挂系统模型，通过MATLAB/Simulink仿真软件得到车体垂向振动响应。仿真结果表明，基于超磁致伸缩作动器的列车主动悬挂系统，与被动悬挂系统相比，抑制了列车垂向振动，列车垂向平稳性指标优化了12.62%,提高了列车运行品质。     

超磁致伸缩力传感器的模型研究

磁致伸缩逆效应是稀土超磁致伸缩材料的一个重要应用特性,应用磁致伸缩逆效应可以制作超磁致伸缩力传感器,基于能量变分原理,建立了超磁致伸缩力传感器的有限元模型。应用该模型计算了超磁致伸缩力传感器空气隙中的磁感应强度和磁致伸缩棒上施加力的关系,并与实验值进行了比较。计算结果与实验结果符合较好,表明建立的超磁致伸缩力传感器的有限元模型是有效的。     

具有双梁结构的磁致伸缩式旋转能量收集器的设计及特性分析

随着小功率电子元件的功率消耗逐渐降低到了μW级,通过将废弃振动能量采集并转化为电能为小功率电子元件供电的方法逐渐走进人们的视野。为了解决旋转环境中的小功率电子元件自供电的问题,本文提出了基于磁致伸缩材料的旋转式能量收集器。一方面,通过有限元软件对基底层材料进行选择,确定了最优的悬臂梁结构;另一方面,通过优化系统结构降低了系统的共振频率,且有效的提高了系统的输出电压。最终基于优化结果对收集器进行实验测试,结果表明,当基底层选择铍铜材料,利用永磁体为悬臂梁结构提供偏置磁场时,系统此时具有较好的输出特性。此时,系统的一阶共振频率为25.575Hz,其输出电压为320mV,当与最优电阻进行匹配时,产生232μW的电功率,此时的体积功率密度为542.615μW/cm3。     

磁场耦合双梁压电振动俘能器响应特性研究

环境振动能量收集有望解决微功耗无线传感器节点的供电问题。针对典型压电式振动俘能器多为线性谐振系统,工作频带窄,难以适配实际振源的问题,引入外加磁场,研究双梁—永磁体结构的能量收集器的振动特性,利用磁偶极子理论建立了磁力模型并引入动力学方程中,建立系统集中参数动力学模型,仿真分析了系统关键参数对响应的影响规律,最后搭建实验平台进行了验证。研究结果表明:双梁压电俘能器在耦合磁场作用下俘能效率相对无磁力时大幅提高,在磁间距为26 mm时俘能范围拓宽3倍,电压输出显著提高。     

具有温差能量收集功能的胎压传感器电路设计

胎压传感器是一种在汽车上应用多年的无线传感器,但是电能供应一直是制约该传感器使用寿命的一大瓶颈。提出了一种收集环境中热能的方法,设计了一种能量收集电路,实现了胎压传感器的无线无源自供电。利用温差发电器件(TEG)将轮胎内部积蓄的热能转换为电能,并基于LTC3108电源管理芯片设计了一种超低压电能收集电路。实验表明,所设计的电路可以收集低至100 mV,10 mA,1 W能量,并经过一段时间的积累之后成功驱动胎压传感器。     

超磁致伸缩薄膜驱动仿生游动微型机器人

研制了以超磁致伸缩薄膜为驱动器的仿生游动微型机器人,其作业原理是以超磁致伸缩薄膜驱动器为尾鳍,通过改变时变振荡磁场的驱动频率,在超磁致伸缩薄膜的磁机耦合作用下,将时变振荡磁场能转换成驱动器的振动机械能,振动的超磁致伸缩薄膜驱动器再与液体耦合,便产生了机器人的推力．由于超磁致伸缩薄膜为非接触式驱动,因此机器人不需要电缆驱动．基于仿生游动原理,提出一种计算推力的数学模型,以建立的超磁致伸缩薄膜受迫振动模型的前三阶谐振频率模态为尾鳍的摆动,对振动薄膜产生的推力进行了计算．实验验证了理论分析的正确性,表明仿生游动微型机器人的方案切实可行．     

发明与专利

一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器 【摘要】本实用新型是一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器,属于声学传感器技术领域。本实用新型使用永磁铁在传感器附近产生偏置磁场,当漆包线两端加上交变电压时,会在钢绞线上产生交变磁场,由于铁磁材料存在磁致伸缩效应,在钢绞线中会产生局部的机械振动,这种振动会从激励源向两个方向同时传播,根据磁致伸缩逆效应而被接收传感器捕获到。     

用于带式输送机自检托辊的能量收集器设计

带式输送机自检托辊将无线传感器节点安装在托辊内部,用于采集并无线传输温度与振动信号,为煤矿带式输送机托辊健康检测提供了一种新的思路。针对密闭托辊内无线传感器节点的能量供给问题,设计了一种基于Halbach永磁体阵列的能量收集器。介绍了能量收集器的结构设计,根据无线传感器节点实际能耗及能量管理电路效率分析了供能需求;采用COMSOL Multiphysics 5.5对能量收集器进行有限元分析,验证了Halbach永磁体阵列用于小型旋转体能量收集器时较常规永磁体阵列具有明显优势,并分析了气隙厚度、永磁体厚度、转子速度对能量收集器发电性能的影响,得出通过减小气隙厚度、增大永磁体厚度、提高转子速度等方式可有效提高能量收集器感应电压的结论;基于能量收集器供能需求分析、安装空间要求及有限元分析结果,优化了能量收集器参数,并制作了样机进行试验,结果表明:在5r/s托辊转速下,能量收集器感应电压有效值为4.77V,最大功率为171.33mW,功率密度为6.78mW/cm~3,满足无线传感器节点能耗需求(165.722mW)。     

Power sensitivity of vibration energy harvester

This paper deals with a power sensitivity improvement of an electromagnetic vibration energy harvester which generates electrical energy from ambient vibrations. The harvester provides an autonomous source of energy for wireless applications, with an expected power consumption of several mW, placed in environment excited by ambient mechanical vibrations. An appropriately tuned up design of the harvester with adequate sensitivity provides sufficient generating of electrical energy for some wireless applications and maximal harvested power depends on a harvester mass, frequency and level of the vibration and sensitivity of the energy harvester. The design of our harvester is based on electromagnetic converter and it contains a unique spring-less resonance mechanism where stiffness is provided by repelled magnetic forces. The greater sensitivity of the harvester provides more generated power or decrease of the harvester size and weight.     

一种振动自供能无线传感器的电源管理电路

针对振动能量采集器的输出功率过低不足以直接驱动无线传感器的问题,设计了振动自供能无线传感器的电源管理电路,根据调谐和阻抗变换原理对能量采集器进行了阻抗匹配,以最大功率对储能超级电容进行充电,对能量存储和电源管理电路的充放电特性进行了理论分析和实验验证。结果表明,该电路大幅度提高了采集器的输出功率和对储能超级电容充电的效率,当0.47 F超级电容电压达到0.6 V时,能量瞬间释放电路控制超级电容瞬间放电,成功驱动最大功耗为75 mW的无线传感器工作。     

基于振动能量采集器的无源无线传感节点技术研究

随着以MEMS技术为依托,结合压电效应的振动能量采集技术的日臻完善,如何利用振动能量采集器构成高效的无源无线传感节点成为近期研究热点,而能量采集器输出的电能储存控制和低功耗发射技术是实现该节点的难点。在设计出对储能电容电压具有双阈值检测与控制功能的低功耗电路基础上,给出了一种自报警、无源无线低功耗传感节点。实验表明,在频率52 Hz正弦振动、振动加速度幅值为5 gn激励下,经过125 s的能量储存,节点能够以+10 dBm功率在16 ms内完成发射及无线报警,发射距离可达1.31 km。该节点构成的无线传感网络可广泛应用于石油管线、桥梁和军事侦察等外部供电极度受限环境的现场监控等用途。     

Model-based design and test of vibration energy harvester for aircraft application

This paper deals with a development process of a vibration energy harvesting device in aircraft applications. The vibration energy harvester uses ambient energy of mechanical vibration and it provides an autonomous source of energy for wireless sensors or autonomous applications. This application presents a complex engineering problem and the vibration energy harvester consists of precise mechanical part, electro-mechanical converter, electronics and a powered application. It can be perceive as a mechatronic system and a mechatronic approach was used for development of our vibration energy harvester. An essential step of development process is simulation modeling which is based on mechatronic approach. Presented model-based design of vibration energy harvester is very useful during development process and the whole development process of the autonomous energy source is presented in this paper. The main aim of the paper is an introduction of our development methodology and our approach is presented on a sample of the vibration energy harvester for aircraft applications under project ESPOSA.     

Comparative study of conventional and magnetically coupled piezoelectric energy harvester to optimize output voltage and bandwidth

Energy harvesting has experienced significant attention from researchers globally. This is due to the quest to power remote sensors and portable devices with power requirements of tens to hundreds of μW. Hence, ambient vibration energy has the potential to provide such power demands. Thus, cantilever beams with piezoelectric materials have been utilized to transduce mechanical energy in vibrating bodies to electrical energy. However, the challenge is to develop energy harvesters that can harvest sufficient amount of energy needed to power wireless sensor nodes at wide frequency bandwidth. In this article, piezoelectric energy harvester (PEH) beams with coupled magnets are proposed to address this issue. With macro fiber composite as the piezoelectric transducer, mathematical models of different system configurations having magnetic couplings are derived based on the continuum based model. Simulations of the system dynamics are done using numerical integration technique in MATLAB software to study the influence of magnetic interactions in generating power and frequency bandwidth due to base excitations at low frequency range. Experimental results comparing conventional system and the proposed piezoelectric beam configurations with coupled magnets are also presented. Finally, the optimal beam separation distance between the magnetic oscillator and PEH is presented in this work.

     

基于格林函数的浮置板参数对高架桥梁垂向振动的影响

根据城市轨道交通高架桥梁轻型浮置板线路的结构特点,建立车辆-轻型浮置板轨道-高架桥梁垂向耦合振动模型,利用格林函数得到浮置板轨道与桥梁垂向振动响应的解析表达式,分析在轨道不平顺振动载荷激励下浮置板参数对轨道系统振动的影响。结果表明:浮置板参数的变化对高架桥梁垂向振动的影响主要集中在70 Hz以下的低频段;减小钢弹簧刚度对降低桥梁垂向振动功率、增大振动传播的衰减有利;浮置板厚度对桥梁垂向振动的影响较为复杂,需要根据情况区别对待。     

一种宽频的磁式压电振动能量采集器

基于环境能量采集的压电振动能量采集器为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案.目前研制的压电式振动能量采集器存在工作频率高,且频带窄的问题.给出了一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器,并搭建了测试系统对器件进行分析测试.在压电悬臂梁上放置永磁铁取代传统的质量块,同时在悬臂梁的上...     

带质量块的微型压电式风能采集器研究

基于风致振动机理的微型风能采集器可以将风能转换为电能,在无线传感等领域具有广阔应用前景.漩涡脱落频率与风速成正比,当漩涡脱落频率与微型风能采集器固有频率接近时,采集器有较高输出功率,因此为了在低风速环境应用风能采集器,需要降低其固有频率.引入质量块可以降低微型压电式风能采集器的固有频率,使其在较低风速下产生较高输出功率...     

基于免疫反馈算法的缝纫设备振动控制研究

为降低缝纫设备缝纫时产生的振动对缝纫性能的影响,开发了一种缝纫设备振动主动控制系统。该系统中的执行机构采用超磁致执行器,能满足振动控制精度和频响的要求。在完成系统的总体设计后,研究了超磁致伸缩执行器工作原理以及缝纫设备机身的振动特性,并分别对他们进行建模。设计了一种基于人工免疫原理的免疫反馈控制器,采用MATLAB环境中的Simulink工具对控制系统进行建模仿真,并在工业缝纫机上进行了现场实验测试,结果证明该系统能很好地抑制缝纫时引起的机身振动。