闭合磁路电磁式低频振动能量收集装置

为了提高能量转换效率,提出一种新型电磁式低频振动能量收集装置。该装置形成闭合磁路,大幅度提高了能量获取能力;同时利用对称布置的4片磁轭平衡了振子所受磁力,大幅降低振子运动阻力。通过Ansoft Maxwell静态仿真,分析了气隙宽度、相对磁导率、铁芯半径和衔铁齿厚度对线圈最大磁感应强度的影响,并据此优化了参数。另一方面,利用动态仿真得出1 Hz的振动频率下,可产生1.5 V感应电动势,最大有效功率可达12.02 mW,表明装置可以用于为低功耗的无线传感网络节点供电。     

基于压电的大尺寸原理样机模型和实验

为了实现环境振动能量的低频收集,分析了压电式振动能量收集技术的特点,并建立了其数学模型。利用数值分析软件对能量收集器的性能进行了仿真模拟,压电式能量收集器更适用于低频环境下的能量收集。成功制造了具有四根环形悬臂梁结构的大尺寸原理样机,实验得到了在外界0～500 Hz低频扫频下,不同加速度激励下的开路电压、负载电阻的电压输出,并与理论分析结果对比。     

基于无线传感器网络的压电能量收集技术

随着物联网的发展,多节点的传感器供电成为关键问题,由于环境中普遍存在低频振动,采用了压电悬臂梁结构,建立压电悬臂梁结构的电学模型,并进行了ANSYS的仿真,仿真得到电压76 V,约等于模型的理论值,验证了模型的正确性。进而继续研究了压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响,振子越长,质量块越长,频率越低。从而收集低频振动环境中的能量,为传感器供电装置提供了设计的理论依据。     

全方向振动能量收集系统

为解决微电子设备的能源供给问题,设计了一种全方向振动能量收集系统。该系统中的振动能量收集装置将外界任意方向的振动能量转化为电能,并通过基于LTC3588-1和LTC4071的能量收集电路,一方面将振动能量收集装置输出的电能转化为稳定的直流电压输出供负载使用,另一方面将剩余的收集能量储存在电池中,当能量不足时通过电池放电给负载供能。仿真结果验证了该系统的有效性和可行性。     

一种基于压电俘能器供电的温度测量系统设计

物联网时代传感器节点往往分布广泛,且有时传感器节点放置位置不易触及,电池能量一旦用尽不易更换,该传感器节点就无法正常工作。为此,该文设计了一种基于压电振子振动能量供电的微功耗温度测量系统,该系统利用压电振动能量收集装置将环境中存在的低频振动能量转换为电能并收集存储,并为设计的微功耗温度测量系统供电从而实现温度信号采集和发送。提出了一种基于干簧管的能量采集电路,其采集效率是标准能量采集电路的32倍,最后通过试验验证了该系统的可行性与准确性。     

电磁发电微电源结构设计与输出电能的动态仿真分析*

首先研究了微型电磁发电微电源输出能量理论分析模型,通过理论分析得到感应线圈匝数及导线横截面半径的最优尺寸。然后利用AnsoftMaxwell软件建立了微电源结构仿真模型,通过仿真分析计算得到不同方向上电磁感应强度B的变化规律以及永磁体振子与感应线圈在不同相对位置下所产生感应电动势的变化曲线。仿真分析结果同时表明：当永磁体振子与感应线圈相对距离为1.25mm时,线圈产生最大感应电动势2.65mV,最大输出功率为0.6626滋W,本文的建模与仿真分析过程将为电磁发电微电源结构的整体结构设计和制作提供依据。     

无线传感器网络的压电能量收集技术研究

针对压电能量收集装置在进行能量收集时具有固有频率高、能量收集效率低等问题,设计了一种变截面压电能量收集装置,并对压电振子进行了理论建模和有限元特性分析。根据分析结果,在相同的条件下,变截面悬臂梁的固有频率比等截面悬臂梁低。同时,变截面悬臂梁在截面厚度等于0. 4 mm时,电压输出最大,可达23. 77 V;变截面悬臂梁比等截面悬臂梁具有频带宽、输出电压高,并具有比等截面悬臂梁质量轻的优点。从而对环境中低频振动的能量进行收集时,为传感器的供电装置提供了理论的设计依据。     

电动汽车无线充电系统线圈参数的仿真与设计

磁耦合谐振式无线能量传输技术能实现中等距离的大功率高效率的能量传输,更加适用于电动汽车的无线充电。线圈作为该技术的核心部件,合理的线圈参数设计能够有效地提高系统的输出功率和传输效率。为此,首先介绍了该技术的工作原理并基于等效电路理论建模。其次描述了该技术在电动汽车无线充电中的应用。再次利用MATLAB仿真分析了线圈参数对系统传输性能的影响,得出结论:存在最佳匝数和平均半径使系统的输出功率和传输效率达到最大。随后对适用于电动汽车无线充电的线圈参数进行设计,设计的系统在传输距离为0.3 m时,输出功率为1.60 kW,传输效率可达到96%。最后通过Pspice仿真证明了参数设计的可行性。     

磁耦合谐振式无线能量传输系统的软件设计

为了解决特定要求的磁耦合谐振式无线能量传输系统的实验参数选取问题,首先利用线圈的互感模型分析了该系统的工作原理,然后通过理论分析得到系统线圈尺寸、负载阻值、谐振频率等各个参数与负载功率和传输效率的关系。在此基础上设计了磁耦合谐振式无线能量传输系统的软件,该软件能够计算出给定距离下负载功率最大时的系统参数,为设计实验装置提供理论依据。最后,通过实验验证了该设计的实用性。     

抗磁悬浮能量采集器振动与输出特性分析

对抗磁悬浮振动能量采集器中悬浮永磁体的非线性振动特性进行了分析,并在此基础上分析了感应线圈结构参数对输出特性的影响.利用MATLAB软件的Simulink组件仿真分析采集器的非线性振动特性,利用有限元分析软件COMSOL对能量采集器的输出特性进行了仿真分析.通过改变线圈参数发现,在线圈体积一定时,输出功率变化很小,电压随着铜线直径减小增加很快,所以可以通过微细加工减小铜线直径的方法来提高线圈的输出电压.最终在线圈总体积约为6.4 mm3,铜线直径为0.02 mm,匝数为500匝时,得到的电压峰值达到约93.8 mV.     

An efficient electromagnetic power harvesting device for low-frequency applications

Mechanical energy in the form of low frequency vibrations (1-100 Hz) can be commonly available and this energy type can be advantageously converted to electrical one by exploiting energy harvesting techniques. At the same time, in many applications, the devices that convert low frequency mechanical energy to electrical one should have a small size. An electromechanical power generator is proposed for converting mechanical energy in the form of low-frequency vibrations, available in the measurement environment, into electrical energy. The intended applications for the proposed electromechanical power generator, described in this paper, are for examples mechanical systems with low frequency vibrations (1-100 Hz). The operating principle is based on the relative movement of a planar inductor with respect to permanent magnets. The generator implements a novel configuration of magnets that is proposed and analyzed with the aim to improve the conversion efficiency, increasing the spatial variation of magnetic flux. Furthermore, the generator uses polymeric material as resonators, which have low-frequency mechanical resonances due to the low Young's modulus of the materials by which they are made. The different materials, with which the suspensions for the planar inductor were made, have allowed to compare different behaviors of the resonators: linear and nonlinear. The experimental results have shown, for a linear resonator, a vibration frequency of about 100 Hz with generated powers of about 290 μW and a harvesting effectiveness of 0.5%, while, for the polymeric resonator made by Latex, the vibration frequency is around 40 Hz with a maximum power of 153 μW and a harvesting effectiveness of 3.3%. The proposed configuration can be adopted for its low profile, modularity and low-frequency vibrations in many applications from industrial to medical.     

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

激励频率自适应的采煤机状态压电俘能监测装置研究

考虑到目前用于采煤机状态监测的压电俘能装置不能实时根据外界激励频率变化而改变固有频率,研究一种自适应外界激励频率的采煤机状态压电俘能监测装置.对该频率可调的压电俘能装置进行数学模型建立、固有频率的有限元仿真以及实验研究.研究结果表明:随着压电俘能装置悬臂梁重心的变化,压电俘能装置发电量最大值对应的激励频率不断变化.自适应外界激励频率的压电俘能装置可将频率变化范围控制在7 Hz到55 Hz之间.自适应外界激励频率的压电俘能装置可使安装于采煤机各处的压电俘能装置输出功率在300 mW左右.自适应外界激励频率的压电俘能装置能够对采煤机工作时不同位置的激励频率进行自适应调节,保持对监测装置稳定供电.     

Design and experimental study of broadband hybrid energy harvester with frequency-up conversion and nonlinear magnetic force

In this paper, a novel broadband hybrid piezoelectric and electromagnetic energy harvester using in the low frequency vibration environment is proposed, which combines nonlinear magnet force and frequency-up conversion mechanism simultaneously. Performances are studied by theoretical analysis and experimental test. Electromechanical governed equations of harvester are established, and analytical solutions of vibration response, output voltage and power are derived. Then, effects of nonlinear force, spacing between low frequency vibration beam and piezoelectric beam, load resistance and input excitation on harvester performances are investigated by experimental test. It can be concluded that the harvester can be used to work at the low-frequency environment efficiently, and the resonant frequency and harvesting bandwidth can be tuned by the nonlinear force between the magnets and the spacing between beams. Moreover, the larger the nonlinear magnetic force and the smaller the distance between two beams, the lower working frequency and the larger bandwidth. Compared with the corresponding linear apartment, output power and bandwidth of proposed harvester are improved 90% and 125% respectively.

     

谐振频率转换机制振动能采集器研究进展

环境振动能采集器可为低功耗系统提供绿色环保、可再生能源,具有寿命长久、能量密度高、微型、易集成等优势.能量采集环境具有随机振动频率低、频域广、振源幅值小且多方向性等特点,频率转换机制可有效解决采集器与环境振动频率不匹配问题,提高其能量转换效率.发电装置中的拾振结构频变方式主要分为接触式和非接触式,具体操作方法包括直接或间接碰撞拾振体、驱使振动体形变、磁力耦合调频等.综合比较了各类频率转换机制的优缺点及其实用性,指出了低宽频、高效能、智能化是未来振动能采集微电源的研究趋势.     

Microenergy harvesting applications for outdoor power equipment

An energy harvesting system designed in this paper is of electromagnetic linear-motion inertial type that is capable of converting kinetic energy into useful electrical energy. The harvester consists of moving magnet–iron poles enclosed by cylindrical coils and an iron stator, and two stationary magnets are placed at both end sides acting as spring. The developed energy harvester is to be used for outdoor power equipment such as lawnmower and snow blower. Preliminary vibrational analysis is conducted on the lawnmower and snow blower to determine its working frequency and the optimal point of vibration. It was determined that the lawnmower resonated at a frequency of 15 Hz while the snow blower resonated at 21 Hz. Two methods are used to tune the energy harvesting system. The first is changing the stationary magnet thickness while keeping the magnet air gap constant and second is changing the air gap while keeping the stationary magnet thickness constant. We found that it is optimal to change the air gap rather than the magnet thickness to change the natural frequency of the device. The energy harvesting system is tuned to work on a lawnmower where the natural frequency is 15 Hz. Natural frequency of 15 Hz is obtained when the magnet thickness is 9.525 mm and a gap of 70.75 mm, where the maximum power dissipated is 29 mW.     

基于MEMS的压电微能量采集器的电路研究与测试

微能量采集技术是利用某种效应把周围环境中的某种形式的能量转换成电能,为嵌入式系统和无线传感网络中的MEMS器件供能。本文探讨了一种基于MEMS技术的压电型微能量采集器。微能量采集器工作于低频环境,当给其振动激励信号时,它能够把机械能转换为电能。但是能量采集器直接输出的是交流电压,一般不能直接为器件供能。所以,利用AC-DC电路把交流转换为直流,实现为MEMS器件供能。文中给出了微能量采集器的测试电路,同时给出了测试结果,论证了在低频环境下这种微能量采集器的可行性。     

基于相位自适应的双线圈无线能量传输系统设计

单线圈磁共振耦合无线能量传输系统要求发射端和接收端对齐,限制了系统的实际应用.多线圈发射系统通过配置线圈阵列,利用模拟波束成形算法,改变电压和电流的相对相位,从而控制磁场波束在接收端叠加的相位,实现能量最大传输.设计了一种基于相位控制的无线能量传输系统,通过自适应算法改变发射波形的相位,使接收线圈获得较高的能量.系统简化了功放的设计,实现了接收端全方向高效的能量接收.测试结果表明:系统可以稳定高效地运行.