一种错位旋磁激励压电俘能器

为解决现有旋磁激励压电俘能器动磁铁与定磁铁正对激励时易发生碰撞的问题,提出一种错位旋磁激励的压电俘能器,并进行了磁力耦合仿真分析以及动磁铁转速/径向激励距离/压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能影响的测试试验。结果表明:动定磁铁错位配置可实现压电振子的有效激励,且存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速;径向激励距离对最佳转速无影响,但对峰值电压影响较大,正/负向分别存在不同的最佳激励距离使峰值电压最大;附加质量及动磁铁数量对俘能器性能影响较大,随着附加质量增大,各阶最佳转速降低、电压峰值增大;随着动磁铁数量增加,最佳转速的阶数、转速值及其所对应的电压值都依次减小。     

旋转激励磁铁数对压电俘能器输出性能的影响

考虑现有旋转发电机无法适应高/匀速旋转运动且振动冲击/噪音大、可靠性低等弊端,提出了一种由旋转磁铁激励的压电俘能器,并从理论及试验两方面研究了旋转磁铁数量(间距)对激振力及压电振子发电特性的影响规律。结果表明,在其它条件确定的情况下,存在使激振力最大的最佳旋转磁铁间隙比(磁铁直径与相邻磁铁间距离之比);间隙比为2时的激振力幅值为间隙比为0和4时的6.2倍。采用2,12,24个旋转磁铁激励发电时,电压-转速特性曲线中均存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速,其中最大峰值电压及其所对应的最佳转速分别为29.4,87.2,28.4V和1 282.5,707.5,2451r·min-1;12个旋转磁铁激励的最大输出电压为其它两种情况的3倍。此外,压电振子一次激励所生成电能(波形数量及幅值)还与旋转磁铁数量及转速有关。2个旋转磁铁在低转速时仅能激励出1个较大幅值电压波形,而高转速时可生成4个幅值较大的自由振荡波形;12个磁铁在任何转速下都仅能激励出1个电压波形。实验显示动磁铁数量是影响旋转压电俘能器发电量及输出功率的关键要素。     

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。     

线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真

悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。同时,线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率,而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。因此,为了在实际应用中提高俘能效率,就需要研究这些参数对悬臂梁式压电俘能系统性能的影响规律。现针对悬臂梁式压电振子结构进行了相关的理论分析,并通过COMSOL Multiphysics有限元软件,对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析,从而为优化悬臂梁式压电振子结构,降低系统固有频率提供了参考。     

一种脱涡纵振式压电管道气流俘能器

为满足管道流体监测系统的自供电需求,针对流速/向恒定、空间有限的管道流环境下压电振子的有效激励问题,提出一种脱涡纵振式压电管道气流俘能器。介绍了其系统构成及工作原理,并进行了理论和试验研究,证明了其结构原理的可行性。研究结果表明:平均阻力随流速/直径比增长呈二次方关系,平均阻力过大时会减小压电振子振幅,平均阻力系数随直径比上升先增加最终达到固定值(6.23);其他参数确定时,分别存在最佳流速和最佳直径比使输出电压最大,外接电阻为240 kΩ,流速为32 m/s,直径比为0.93时,试验测得最大输出功率为1.25 mW,应根据实际流速范围确定合理的直径比及负载以提高俘能器的输出功率,低流速时适当增大直径比、高流速时适当减小直径比有助于提高发电能力。     

多场耦合多方向振动俘能器建模及响应分析

针对多方向振动俘能器对低频、低幅值激励的响应输出性能低等问题,在振动俘能结构中引入非线性磁吸力,提高俘能器的响应频带和能量转换效率。研究了非线性磁振子模型,建立了基于广义Hamilton变分原理的横、纵向振动系统机电耦合模型,对系统动力学方程进行无量纲化并数值求解。搭建了振动俘能器性能测试平台,开展了多场耦合振动俘能器频谱特性及响应输出的分析实验。结果表明,引入磁铁可显著提高系统能量转换效率,当磁铁间距15mm、激励幅值0.5m/s~2时,相比无磁力输入的情况,系统响应电压提高了6倍左右,谐振频率从18Hz降至9.5Hz左右,解决了压电俘能器频带窄、响应频率高及输出电压低等问题。     

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。     

磁耦合式可调频压电振动俘能器

为提高压电振动俘能器的环境适应性,提出一种磁耦合式可调频压电振动俘能器,利用激励器上主动磁铁和组合换能器上被动磁铁间的耦合作用及横摆簧片实现压电振子的单向限幅激励。通过对俘能器及磁对的建模和仿真分析,获得了俘能器结构参数对俘能器输出性能的影响,在此基础上制作俘能器样机并进行实验研究,获得了俘能器纵摆质量m₁、横摆质量m₂、横向距离L_x、纵向距离L_y、竖向距离L_z及负载电阻对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：存在两阶谐振频率f₁和f₂使输出电压出现峰值U_n1和U_n2,调节m₁,m₂,L_x,L_y及L_z会影响f₁,f₂,U_n1及U_n2;其他条件一定时,存在最佳负载电阻2 200 kΩ使输出功率达到0....     

可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器

针对现有风致振压电俘能器工作风速范围窄、高风速下振幅过大等问题,提出一种可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器,主要由可变形式翼型钝体、悬臂梁以及压电组合梁构成,钝体的弹性翼受风力影响产生形变,从而实现系统振动特性的自我调节,以期提高俘能器的环境适应性。建立了俘能器的COMSOL有限元模型,通过仿真与试验分析了风速对其钝体形状及振动特性的影响,并获得了迎风角和弹性翼厚对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：选取迎风角120°和弹性翼厚0.15 mm时俘能器的工作风速范围达到21 m/s,且当风速小于8 m/s时,弹性翼变形较小,系统以驰振为主,输出电压随风速增加而增大;当风速在8～17 m/s时,弹性翼形变量进一步增大,系统由驰振逐渐向涡振转变,输出电压变化较小;当风速在17～25 m/s时,钝体因弹性翼变形过大呈弯弧状,系统以涡振为主,其振幅被有效控制,输出电压随风速增加而减小;存在匹配电阻为250 kΩ时俘能器所产生的最大输出功率为3.78 mW。因此,该风致振压电俘能器在满足结构可靠、起振风速低及风速范围宽条件下同时可输出较大的电能。     

基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器

提出一种基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器来实现低频、高强度振动能量回收.介绍了浮能器的系统构成及工作原理并进行了理论及试验研究.理论分析结果表明,压电液压俘能器的性能是由环境振动频率/振动强度、液压缸/压电振子的结构性能参数、流体容积/特性以及系统背压(蓄能器预置压力)等多种要素共同决定的,仅当各要素配置合理时才能实现压电液压俘能器的预期功能.采用外径为60 mm、厚度为0.9 mm的双晶压电振子及外径为16 cm,长度为100 cm液压缸制作了试验样机,并以水为工作介质进行了不同频率/背压/激振器振幅条件下的试验测试.试验结果表明,存在最佳工作频率(8Hz)使压电液压俘能器输出电压最大,且输出电压随系统背压及液压缸振幅的增加而增加.其它条件不变时,0.4 MPa背压下的输出电压是背压0.2 MPa时的1.65倍.     

用于RWMS的旋磁式压电悬臂梁发电机

为了满足列车轮对监测系统(railway wheelset monitoring system,简称RWMS)自供电需求,提出一种通过旋转磁铁非接触轴向激励悬臂梁压电振子构成的压电发电机(即旋磁式压电悬臂梁发电机),介绍了其结构原理,研究了磁力(磁铁数量与配置方式)及其转速对发电机性能的影响。结果表明,在0~1 360r/min转速范围内存在多阶最佳转速,使发电机输出电压出现峰值。当压电悬臂梁端磁铁数固定,增加旋转磁铁数量时,各阶最佳转速值不变,但其所对应的电压增加。当转速为1 042.5r/min时,转盘同一位置安装2,4,8,12个磁铁所对应的最大电压分别为13.2,16.6,23.8,27.8V。当旋转磁铁数量固定、压电悬臂梁端部磁铁数量增加时,各阶最佳转速值降低,而其所对应的峰值电压增加。当转盘上安装2个磁铁,悬臂梁端安装1,3,5,7个磁铁时,第9阶最佳转速及电压分别为1 056.4,861.8,750.6,611.6r/min和13.2,34.4,48,64V。此外,其他参数确定时,1次激励所生成的电能(电压及其波形数量)还与转速有关,低转速(264.1r/min)时仅生成1个电压波形,而高转速(1 024.5r/min)时生成4个电压波形。     

间接激励式压电风力俘能器

为提高环境监测自供电系统的可靠性及风速适应性,提出一种间接激励式压电风力俘能器,通过圆柱型壳体与风场耦合作用产生的涡激振动间接激励壳体内的压电梁振动发电,具有可靠性高、动态特性调节范围宽等优点。介绍了其结构及原理,并进行了理论和试验研究。结果表明:壳体质量、压电梁质量对风力俘能器输出性能都有较大影响;当俘能器总质量确定时,试验范围内通过增加压电梁质量,减小壳体质量可以有效提高压电俘能器的输出性能;此外,不同风速下存在最佳负载使输出功率最大,且本文试验范围内输出功率及最佳负载均随风速增加而增大,风速为28m/s、电阻600kΩ时所获得的最大输出功率为0.4mW。因此,应根据实际风速范围确定合理的压电梁质量/壳体质量以提高俘能器输出能力。     

潜水式尾流激振压电俘能器的输出性能研究

为解决水下传感器的自供能问题,提出一种潜水式尾流激振压电俘能器。通过推导的俘能器流-固-电耦合场数学模型,结合有限元仿真模型,获得俘能器的流激力。仿真与试验数据具有良好的一致性,验证数学模型和仿真的正确性。对于振动柱直径为15 mm的俘能器,增加固定柱直径可有效提高其输出性能。当两柱中心距为20 mm时,PEH_05_15俘能器输出最大电压为23.36 V,是PEH_00_15俘能器最大输出电压的1.51倍。PEH_05_20俘能器在中心距为15 mm时输出最大电压为41.85 V,同比无固定柱俘能器的输出电压提升了1.21倍。     

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。     

悬臂梁压电俘能器的建模研究

为深入研究悬臂梁式压电俘能器的作用机理,从压电方程和内能平衡出发,建立了悬臂梁式压电俘能器单晶片压电振子、双晶片串联压电振子和双晶片并联压电振子的电压输出灵敏度数学模型.在ANSYS中分别建立了三种压电振子的有限元模型,仿真得到三种压电振子的基板厚度与输出电压的关系曲线,仿真结果表明串联双晶片压电振子的输出电压值最高,且数值模拟曲线和有限元仿真曲线基本吻合,验证了建立数学模型的正确性.     

旋磁激励式压电悬臂梁发电机性能分析与试验

为满足旋转机械监测系统的自供电需求,提出一种由旋转磁铁与压电梁端磁铁耦合激励(简称旋磁激励)的新型压电悬臂梁发电机。建立磁力冲击载荷作用下压电梁动态响应模型,通过数值分析方法获得转速、载荷作用时间以及周期比(载荷作用时间与振动周期之比)对压电梁动态响应特性(响应波形及放大比)的影响规律。结果表明,低速时属于脉冲激励,压电梁不发生共振,而高速时属周期激励且存在多个最佳转速使放大比最大。此外,周期比给定时存在最佳转速使放大比最大,转速固定时存在最佳周期比使放大比最大、且最佳周期比随转速增加而增加。在此基础上,测试分析旋转磁铁转速/磁铁厚度以及压电梁端附加质量对发电机发电能力及特性的影响规律,证明旋磁激励式发电机原理的可行性及理论分析结论的合理性;此外,通过确定合理的冲击载荷或采用多个具有不同谐振频率压电梁同步工作的方法可有效提高发电机的速带宽度,实现较大转速范围的实时供电。     

限幅激励式压电发电机性能分析与试验

为提高旋转式压电发电机的可靠性及有效带宽,提出一种限幅激励式压电发电机,利用凸轮激励压电振子使其发生幅值可控的单向变形。从理论和试验两方面研究凸轮升程与升角、激振力及弹簧刚度等对发电机输出性能的影响规律。研究结果表明,利用移动凸轮限幅激励压电振子可获得无明显峰值、较平坦的电压幅频特性曲线;其他条件相同时,降低凸轮升程有助于降低最大输出电压、拓宽有效转速带宽,凸轮升角(30°~45°)增加对最大输出电压无影响、但可拓宽有效转速带宽,增加激振力可拓宽某一输出电压所对应的有效带宽,复位和缓冲弹簧刚度对有效转速带宽及转速值都有一定的影响,当复位弹簧刚度50 N/m、缓冲弹簧刚度20 N/m、激励距离8 mm、凸轮升程2 mm、升角为40°时,输出电压大于30 V所对应的有效转速范围为0~537.6 r/min,故通过合理匹配系统参数可有效提高发电机的可靠性及有效带宽;存在最佳电阻使发电机输出功率达到最大值,最佳电阻70 kΩ、转速392 r/min时的输出功率为10.88 mW。     

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。     

一种多稳态变势能函数压电俘能器及其特性研究

该文在通常的双稳态变势能函数压电俘能器中,通过在运动磁铁的两侧分别加装固定磁铁的方式,提出了一种多稳态变势能函数压电俘能器结构。基于扩展的哈密顿原理建立了俘能器的动力学方程,分析了系统的势能函数的变化规律,研究了俘能器在简谐激励下的动力学特性和俘能特性。结果表明,多稳态对称变势能函数压电俘能器在较高的外频激励下具有较好的俘能性能,而多稳态非对称变势能函数压电俘能器在低频的外激励下也具有较好的俘能性能。     

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。