双端固支式压电俘能器的特性研究

设计了基于矩形梁和梯形梁两种结构的双端固支式压电俘能器,其较传统的悬臂梁式压电俘能器,具有更高的压电材料利用率,且应变分布更均匀,输出功率更高。针对这两种结构建立了理论模型并进行了分析。结果表明双端固支梯形梁应变更均匀。另外,针对这两种结构设计了对比试验,测量了输出电压及输出功率。这两种结构均可通过串联提高输出性能,与双端固支矩形梁相比,双端固支梯形梁的一阶固有频率降低,其串联输出电压较矩形梁提高22.9%,输出功率提高34.7%。     

一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验

为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率,提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。该俘能器包括多个悬臂梁压电振子,可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子,通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率,同时提高了输出功率。测试结果显示在频率约为21Hz的方波冲击信号下,外接电阻为50kΩ时,单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达0.28mW;当频率分别为5Hz、8.5Hz时,还可分别输出0.07mW和0.17mW的功率,俘能器出现多个峰值电功率。研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。     

压电俘能器阻抗匹配分析及实验研究

为了研究负载电阻对压电悬臂梁振动俘能性能的影响,使用有限元法对直接与负载相连的悬臂梁压电振子进行压电-电路耦合分析,得到了负载电阻对压电俘能器谐振频率、输出电压和功率的影响关系,并进行实验验证.研究结果表明,随着外接负载电阻的增大,俘能器谐振频率有所增加,从短路谐振频率到开路谐振频率变化范围可达到2 Hz.此外,负载阻值的大小也会影响俘能器的发电能力,负载电阻越大,输出电压越高,但存在匹配电阻使压电俘能器的输出功率达到最大.因此,通过合理选用负载电阻可实现固有频率微调谐和增加发电能力的目的.     

压电层厚度对d_(15)模式PZT-51悬臂梁俘能特性影响

设计并制作了压电层厚度分别为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm的d15模式层合串联结构PZT-51压电悬臂梁俘能器。测量了开路和1.0 MΩ负载下,俘能器的振动频率与输出电压和输出功率的关系曲线,以及1.0 MΩ负载时的振动激励电压与输出峰-峰值电压关系曲线。结果表明,随着压电层厚度的减少,压电俘能器的谐振频率降低,输出电压和功率增大。压电层厚度为0.6 mm的压电俘能器具有最大开路输出电压1.69 V,在1.0 MΩ负载下最大输出功率为0.708μW。     

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。     

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。     

非线性压电耦合对L型梁俘能器性能的影响

以二自由度的L型梁双稳态压电俘能器为研究对象,研究了非线性压电耦合关系中的一、二次非线性系数对俘能器输出功率和主梁运动的影响。通过对无量纲动力学方程的数值进行了仿真分析,结果表明,当激励幅值较大时,非线性压电耦合对俘能器输出功率和主梁运动有明显的影响;非线性压电耦合系数越大,输出功率越大,而俘能器的振动位移越小。非线性压电耦合的一次非线性系数取正值时,俘能器的响应优于线性耦合时的俘能器响应,取负值,则反之;而无论二次非线性系数取何值,非线性耦合时俘能器的响应都优于线性耦合时俘能器的响应。     

收集人体动能的压电俘能器研究

提出了一种基于压电效应的人体动能转换装置(压电俘能器),并对其发电能力进行了理论和试验分析。结果表明,在一定变形范围内,压电俘能器的输出电能随着激励力的增加而增大;当激励频率和压电俘能器结构尺寸确定时,压电俘能器的输出功率随着负载电阻的变化而变化,且存在最佳的负载使其输出功率达到最大值,最大输出功率是压电俘能器开路时电压和电容的函数,最大输出功率与外接滤波电容无关。在2Hz(行走频率)激振频率下,压电俘能器最大输出功率为0.31mW。     

压电悬臂梁俘能器输出特性仿真分析

为了研究压电俘能器的振动频率、内阻抗、负载及输出功率之间的耦合关系,基于ANSYS APDL软件,对单、双晶串联、双晶并联等多种不同配置方式的压电悬臂梁俘能器进行了压电 电路耦合分析。研究表明,俘能器内阻抗随振动频率呈现非线性变化,在短路谐振频率处达到最小值,在开路谐振处达到最大值;俘能器内、外阻抗匹配时,俘能器输出功率达到最优值;俘能器阻尼较小时,最优输出功率出现在短路谐振与开路谐振处,随着阻尼比逐渐增加,最优输出功率出现在两者之间,且只有一个峰值。     

阵列式压电俘能拓宽频带的研究

压电俘能器只有在谐振频率附近较窄的频率范围才可获得最佳的功率输出。多个压电俘能器采用阵列连接可实现频率拓宽。该文定义了组成阵列的悬臂梁谐振频率之差Δf_r(即│f_1-f_2│)与单个梁带宽BW(即半功率点对应的带宽)之比,即Δf_r/BW,以其大小来探究阵列悬臂梁的频率差在什么范围内能拓宽阵列频带BWa。并对串、并联阵列进行了理论和实验研究,结果表明,悬臂梁的谐振频率差在一定范围内时,阵列连接既可提高输出功率也可拓宽频带。悬臂梁在该文设计的尺寸和材料内,单个梁的带宽为3.5 Hz时,对于3个梁的并联阵列,Δf_r/BW<0.657;而串联阵列,Δf_r/BW<2.571。     

Energy Harvesting from Ambient Vibrations with Arbitrary In-Plane Motion Directions Using a Magnetostrictive/Piezoelectric Laminate Composite Transducer

A magnetoelectric (ME) vibration energy harvester has been designed to scavenge sufficient energy from ambient vibration with arbitrary motion directions in a plane and over a range of frequencies. In the harvester, a circular-cross-section cantilever rod is adopted to extract the vibration energy due to its ability to host accelerations in arbitrary in-plane motion directions. The magnetic coupling between the magnet and the ME transducer results in nonlinear oscillation of the cantilever rod with increased frequency bandwidth. To achieve optimal vibration energy harvesting performance, the effects of the nonlinear vibration and the harvester parameters including the magnetic circuit and the separation distance on the electrical output and the?working bandwidth are analyzed. The experimental results show that the harvester can scavenge vibration energy in arbitrary in-plane directions, exhibiting a bandwidth of 4.0 Hz and maximum power of 0.22 mW at acceleration of 0.6g (with g = 9.8 m s^?2).     

弹性支撑切断式二自由度压电能量采集器研究

针对振动能量采集器对环境中振动能量响应频带较窄的问题,该文提出了一种弹性支承外部磁铁的非线性切断式二自由度压电能量采集器。该弹性支承保证了能量采集器处于双稳态中,实现了能量采集器的宽频带响应。建立了采集器的集中参数理论模型,并研究了不同频率的正弦外界激励下该能量采集器弹性支承外部磁铁与内梁自由端磁铁的间距值变化对采集器电压输出和采集频带的影响。仿真和实验结果表明,随着弹性支承的外部磁铁和内梁自由端磁铁的间距逐渐减小,采集器的均方根电压输出逐渐增大,其采集频带也相应被拓宽。当能量采集器的水平间距值从10 mm调整为5 mm时,该能量采集器一阶谐振频率的均方根电压增长了1.5倍,同时二阶谐振频带拓宽了2.25倍。     

变截面悬臂梁压电俘能器动力学特性分析

提出一种变截面悬臂梁压电俘能器结构,通过有限元仿真分析其振动特性和输出电压,有利于提高发电性能。该俘能器结构固定端为等截面梁,自由端为变截面梁,压电层粘贴在悬臂梁根部等截面梁表面,改变悬臂梁自由端与固定端的宽度比,得到多种不同形式的变截面悬臂梁。对比分析了三角形梁、矩形梁和具有不同宽度比梯形梁的固有频率、应力和应变分布及简谐激励输出电压响应。结果表明,三角形梁固有频率较大,输出电压最大,同时分析了不同变截面段长度对输出电压的影响。该文还分析了具有相同一阶频率、不同宽度比俘能器的输出电压,表明三角形结构单位体积压电层输出电压最大。对比分析了基体层上根部粘贴压电片和全部粘贴压电片的输出电压特性。结果表明,前者输出电压较大,发电性能更好。     

压电曲梁俘能器的机电耦合方程及其研究

使用哈密顿原理,建立了纯弯曲压电曲梁俘能器的机电耦合偏微分方程,对悬臂边界条件下的压电曲梁俘能器进行了模态分析,得到了俘能器在基础两向振动激励下的模态坐标方程;求解了俘能器在激励下电压与模态响应的稳定解。数值计算实例分析了激励频率、负载电阻对俘能器的电压及功率响应的影响。结果表明,曲梁俘能器与直梁俘能器的电压、功率响应规律具有相似之处,负载电阻不仅对曲梁俘能器的输出功率、输出电压有影响,也会影响其共振频率。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

梯形梁压电俘能器的特性研究

传统悬臂梁压电俘能器通常采用矩形梁结构,其压电片宽度为定值,对于压电片的利用效率有限。该文设计了一种梯形梁结构,将悬臂梁及其上附着的压电层设计为梯形,压电片宽度沿梁长方向逐渐变窄,并针对梯形梁结构的压电俘能器进行理论研究、仿真计算与实验分析,同时与传统矩形梁俘能器进行了对比。结果表明,同样的谐振状态下,梯形压电片中应力分布比矩形压电片中更均匀,且梯形梁压电俘能器具有更高的电压输出。     

一种新型悬浮磁体结构的双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器

针对地铁车辆轴温实时监测系统自供能的问题,文中提出了一种新型悬浮磁体结构的双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器,以便将车辆轴箱工作环境中存在的振动能转换为电能.基于机械集总系统模型和机电耦合模型,通过多物理场耦合构建了双自由度振动能量采集器有限元模型.加入内圈辐射充磁磁体,设计了新型悬浮磁体结构,并研究了在简谐激励下振动...     

新型组合螺旋压电能量收集器的设计与研究

提出了一种新型组合螺旋压电能量收集器。该收集器的底部是直角螺旋结构,顶部是圆弧螺旋结构,圆弧螺旋结构固定在直角螺旋结构的质量块上。通过旋转圆弧螺旋结构90°,可以得到四种结构,角度分别为0°,90°,180°,270°。直角螺旋结构的设计可以降低谐振频率,而圆弧螺旋结构的设计不仅可以降低谐振频率,还可以使整体结构进行多方向能量收集,从而提高输出。文章所提到的单个悬臂梁结构的厚度为1 mm,宽度为6 mm。通过计算及仿真可得,当两种结构的组合角度为180°时,可以得到最大输出电压为13 V,最大输出功率为1.3 mW。