双磁耦合式压电振动俘能器的性能分析与试验

为满足远程监测系统的自供电需求,针对现有压电振动俘能器存在的问题,提出一种双磁耦合式压电振动俘能器,通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器,使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真,获得了定磁铁间距与水平耦合间距对系统势能的影响规律,以及不同激励条件下的系统动力学响应特性。为验证俘能器原理的可行性与仿真结果的正确性,制作了样机并测试了不同条件下俘能器的输出特性。结果表明：激励频率对俘能器输出波形影响较大;选取适当的定磁铁间距和水平耦合间距(11 mm≤d≤12 mm,10 mm≤l≤16 mm),可有效降低俘能器固有频率、拓宽频带且幅频特性曲线较为平坦,进而提高了俘能器的环境适应性和可靠性;激励频率为12 Hz、16 Hz及20 Hz时,试验所获得的最大输出功率分别为1.27 mW、2.88 mW及5.31 mW,其所对应的最佳匹配电阻约为70 kΩ。     

基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动能量俘获机理与动力学特性研究

提出一种基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动俘能器，实现在宽频范围内有效地采集低能轨道振动能量。将质量块和弹簧组成的线性放大机构置于三稳态压电俘能器与基座之间，调节线性放大机构与俘能器之间的质量比和刚度比，使三稳态俘能器获得较大的输入动能从低能轨道运动跳转到高能轨道运动，从而获得更高的输出性能和更宽的工作频带。利用能量法建立了描述该复合压电振动俘能器系统动态响应的非线性机电耦合数学模型；采用动态分岔图仿真研究了系统质量比和刚度比对压电俘能器动态输出性能的影响及其能量俘获机理。实验验证了理论结果的正确性。研究结果表明：合理调节系统质量比和刚度比，复合俘能器可以在低能轨道振动时获得更宽的工作频带和更高的发电能力。与传统刚性基座三稳态压电俘能器相比，实验获得复合压电俘能器的阱间运动频率范围由3～14 Hz扩大到2～21.5 Hz，从低能轨道振动跳转到高能轨道振动所需的激励加速度由13.5m/s²降至5.8m/s²。     

气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。     

单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验

为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收,提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器。建立了俘能器的动力学方程,采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响;设计制作了样机,并进行了试验测试。试验结果表明,俘能器的势能曲线随水平耦合距离d减小由单势阱变为双势阱,且存在较佳的磁铁水平耦合距离（d=11 mm）,使双势阱的阱深适中、俘能器的固有频率减小、有效频带变宽;竖直耦合距离h增大对有效频带的影响较小,h≤2 mm时,相较于无磁耦合（NMC）降低了固有频率;仅改变耦合角α时,存在最佳参数组合（d=14 mm、h=6 mm、α=67.5°）使俘能器获得较低的固有频率（16 Hz）和较宽的有效带宽（19.6 Hz）,较无磁耦合时的有效带宽拓宽了6 Hz,进而提高了俘能器的发电性能。     

基于双稳态磁耦合效应的瓦级高功率电磁振动能量收集器

提出一种基于双稳态磁耦合效应的高密度电磁振动能量收集器,通过引入导磁铁心绕组对中间悬浮磁铁产生非线性磁力,可以产生双稳态势能阱实现低频段工作频带的拓宽。同时,导磁铁心与悬浮磁铁之间的强磁耦合作用能够增强线圈内部的磁通量变化进而提高输出功率。针对双稳态磁耦合振动能量收集器进行动力学建模仿真和试验测试分析,结果表明悬浮磁铁与导磁铁心之间的非线性磁耦合效应促使磁铁在两个势能阱之间进行大振幅的混沌或周期性振动,将工作频率范围拓宽至8～18 Hz。在受到加速度为4g的正弦振动直接激励时,能量收集器的输出功率为1.082 W,达到瓦级高功率输出,有望实现工业物联网传感节点的自供电,助力万物互联。     

磁力增强涡激振动压电俘能器仿真及实验

为了提高低流速水流环境的俘能特性,基于涡激振动原理和压电振动能量采集技术,提出一种磁力增强涡激振动俘能器。该俘能器由压电层合悬臂梁、尾端圆柱绕流体和磁铁组成。首先,通过流?固?电耦合有限元仿真,分析了无附加磁力涡激振动压电俘能器的俘能特性,可知其低流速环境下俘能效率较低;其次,搭建流致振动俘能器实验平台,研究了磁力增强俘能器的俘能特性。实验结果表明：在横斥纵吸磁铁布置情况下,压电俘能器结构的固有频率较低,在较低流速下更容易起振,且达到涡激共振所需的流速范围较低;在磁场力的作用下其振动变形较大,输出电压较高,振动频带较宽;当水流流速为0.5 m/s时,磁力增强压电俘能器的输出功率均方根值达到120 μW,较无附磁情况的压电俘能器提高了57.8%,这表明横斥纵吸附磁式涡激振动压电俘能器在较低流速流场环境中具有更高的俘能效率。     

并联磁力耦合式俘能器及其特性研究

传统双稳态悬臂梁压电俘能器存在效率低、频带窄的弊端.为了提高俘能频带,本文提出一种并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置,引入了磁力的耦合及压电片的并联.通过建立集中参数的的数学模型,使用龙格库塔数值仿真法对比分析了简谐激励下并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置与单悬臂梁双稳态俘能器的运动状态及俘能特性.最后搭建实验平台进行实验验证.结果表明,磁力耦合和并联的加入,使得并联耦合式压电俘能器较传统单悬臂梁俘能器分别在7 Hz与15 Hz具有两个谐振频率,增宽了俘能器的俘能频带,以输出功率大于8×10-6 W为有效频带,则俘能带宽提高约为19％.     

换向激励式压电振动俘能器

为提高在低频、宽带、高强度及大振幅振动环境下的可靠性，提出一种换向激励式压电振动俘能器，它由拾振器和换能器组成。换能器的振动方向垂直于拾振器振动方向（环境振动方向），振动方向的转换通过磁力换向结构实现，换向结构使响应振幅不随外部激励的增加而一直增加，从而提高可靠性。建立了俘能器的动力学模型，通过数值仿真和实验获得了相关参数对其输出特性的影响。仿真和实验结果表明：激励频率小于20 Hz时，该两自由度系统存在两阶谐振频率使输出电压达到峰值，一阶为拾振器谐振频率，二阶为换能器谐振频率。随着拾振簧片长度和拾振质量的增加，一阶谐振频率升高，所对应的输出电压基本不变；二阶谐振频率基本不变，所对应的输出电压逐渐升高；工作频带变宽。当外部激励振幅达到阈值时，换能器的响应振幅被有效控制，输出电压不再随之增加，最佳负载电阻为540 kΩ，此时输出功率最大为0.4 mW。实际应用中可通过改变俘能器的结构参数调整谐振频率及输出电压，将响应振幅控制在安全区域内，以适应低频、宽带、高强度及大振幅的工作环境。     

三稳态压电能量采集器的动态特性与实验

为了探究三稳态压电振动能量采集器的动力学特性,以磁-机-压电耦合型三稳态压电振动能量采集器(tristable piezoelectric vibration energy harvester,简称TPVEH)为研究对象,利用磁荷法、力平衡和基尔霍夫定律分别建立了采集器末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型和系统集总参数动力学模型。仿真分析了磁铁间距、激励加速度幅值和频率等参数对采集器动力学特性和采集电压的影响。研制了三稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验验证了仿真结果的正确性。研究结果表明,随着激励加速度幅值增大,能量采集器依次经历单稳态、双稳态和三稳态3种运动状态,且三稳态运动时的工作频带和输出性能(位移、速度和采集电压)比双稳态和单稳态时要高。     

磁铁间距对双稳态压电悬臂梁俘能器输出特性的影响研究

建立了双稳态压电悬臂梁俘能器的机电耦合动力学方程,基于磁偶极子模型进行了 2 个磁铁间磁力的计算,根据静态平衡点分析得到了系统发生双稳态运动时的磁铁间距范围。数值仿真分析了环境激励源振动频率发生变化时磁铁间距变化对系统平均输出功率的影响规律,设计制作了磁铁间距可调的双稳态压电悬臂梁俘能装置,并进行了环境激励频率变化条件下的压电悬臂梁振动能量捕获实验。实验结果与仿真分析具有较好的一致性,为提高双稳态压电悬臂梁俘能器的发电性能提供了一种有效途径。     

DESIGN,MODELING, AND PERFORMANCE MEASUREMENTS OF A BROADBAND VIBRATION ENERGY HARVESTER USING A MAGNETOELECTRIC TRANSDUCER

This article presents a new broadband vibration energy harvester using a magnetoelectric (ME) transducer. In order for vibration energy harvesters to be efficiently applicable over a range of vibration frequencies, many techniques have recently been investigated to broaden the frequency ranges of the harvesters using piezoelectric, electromagnetic, or electrostatic transductions, but few have been studied in the harvesters using ME transducers. In this article, a new harvester using a ME transducer is proposed, which takes advantage of multi-cantilever beams and nonlinear behavior of the magnetic force to expand the working bandwidth in ambient low frequency vibration. A theoretical model is developed to analyze the nonlinear vibration of the harvester, and the effects of the structure parameters on the electrical output and the bandwidth of the harvester are analyzed to achieve the optimal vibration energy harvesting performances. The experimental results on the performances show that the harvester has bandwidths of 5.2 Hz, 6.3 Hz, and 7.2 Hz, and the maximum output power values of 0.21 mW, 0.6 mW, and 1.03 mW at the accelerations of 0.2 g, 0.4 g, and 0.6 g (with g = 9.8 ms^?2), respectively.     

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。     

Design and experimental study of a multi-modal piezoelectric energy harvester

A multi-modal piezoelectric vibration energy harvester is designed in this article. It consists of a cantilevered base beam and some upper and lower layer beams with rigid masses bonded between the beams as spacers. For a four-layer harvester subjected to random base excitations, relocating the mass positions leads to the generation of up to four close resonance frequencies over the frequency range from 10 Hz to 100 Hz with relative large power output. The harvesters are connected with a resistance decade box and the frequency response functions of the voltage and power on resistive loads are determined. The experimental results are validated with the simulation results using the finite element method. On a certain level of power output, the experimental results show that the multi-modal harvesters can generate a frequency band that is more than two times greater than the frequency band produced by a cantilevered beam harvester.     

Physics based modelling and analysis of IPMC vibration energy harvester

Advancement in smart materials and decrease in power requirement of electronic devices motivates researchers to use smart materials for energy harvesting applications. In this study, a physics-based modelling approach by considering the effect of convective transport on cation migration and the effect of local deformation on anion concentration is used to model IPMC based vibration energy harvester and solved with the help of COMSOL Multiphysics 5.5 finite element method. The present harvester model voltage and power output under fixed load resistance, and power output under variable load resistance for both excitation frequencies (2 Hz and 5 Hz) and both excitation amplitudes (3 mm and 5 mm) are analysed by both FEM and experimental results. At 5 Hz and 5 mm excitation amplitude and frequency, the peak voltage is 171.9 mV, and the peak power is 60.48 nW for 2 Hz excitation and 5 mm amplitude of mechanical vibration. According to the findings, physics-based modelling can be utilized to develop and analyse IPMC vibration energy harvesters. It will also be useful for analyzing IPMC-based sensors and actuators.

     

一种基于复杂永磁体阵列的悬浮式振动能量采集器的精确模型及验证

为提高振动能量采集器的输出性能和工作频带，基于永磁体阵列和多自由度器件受到广泛关注。然而这类器件存在磁场分布复杂，动态特性难以模拟等问题。以一种基于复杂永磁体阵列的可调频磁悬浮振动能量采集器为研究对象，建立器件解析模型和有限元模型的联合分析模型，理论模型显示系统具有非线性振动特性，其动力学模型可简化为Duffing方程形式，并通过有限元模型简化了对非线性系统的分析。利用COMSOL有限元仿真研究器件磁场分布、非线性磁力特性，分析磁力和线圈位置对器件输出特性的影响。搭建测试平台对研制的可调频磁悬浮振动能量采集器进行试验表征，以验证联合分析模型。试验结果表明，在20～35 mm的固定磁铁间距离变化范围内，器件谐振频率变化范围为8.6～13.1 Hz，0.35g加速度下输出电压峰峰值为352.9～658.2 mV，联合分析模型与试验之间具有一致性。     

基于双稳态的振动能量收集系统的设计

利用外部永磁铁、悬臂梁和压电材料等构成了能量收集系统,并对该系统的影响因素进行了理论与实验探究。结果发现：只有在合适的磁铁距离下,系统才具有双稳态特性,而且这种特性拓宽了系统的频率响应范围,使系统获得更大的响应幅值。只有在适当的激励幅值和激励频率下,该非线性系统才能获得比线性系统更高的能量俘获效率。     

基于钢轨吸振器的多模态复合式俘能器性能研究

针对现有的轨道振动俘能器效率低的问题,设计了一种钢轨吸振器和多模态压电电磁复合式俘能器结合的复合吸振器,在有效减轻轮轨系统振动的前提下回收振动能量,为低能耗轨旁设备供电.建立了车轮钢轨复合吸振器系统的摩擦耦合振动模型,与现场实测数据进行对比验证了模型的正确性.在此基础上,分析了多模态复合式俘能模块对轮轨系统振动特性的影...