基于多尺度法双稳态压电俘能器动力特性分析

基于欧拉-伯努利梁假设,推导了双稳态悬臂式压电俘能系统的分布参数模型,建立了分析该模型的多尺度法并获得了系统的动力响应解析表达式,论证了多尺度法分析双稳态压电俘能器性能的可行性;研究了磁铁间距、外部激励的幅值、阻尼比、力电耦合系数、负载阻抗等参数对俘能系统性能的影响。结果表明:产生阱间运动的激励幅值阈值与激励频率、两磁铁间距有关,低于激励阈值仅有阱内运动产生;输出功率并不是随着力电耦合系数增大而增加,而是存在最优力电耦合系数产生最大的输出功率,力电耦合系数大于最优值后,阱间运动输出功率减小;随着两磁铁间距的增大,阱间运动的频带宽度减小;减小系统的阻尼比可以有效地拓宽系统的阱间运动频带并获得较高的输出功率。通过优化设计、合理地调节各参数,可以提高压电俘能系统的输出功率和拓宽系统的工作频带宽度。     

具有弹性放大器的双稳态压电俘能器建模及参数影响分析

利用广义Hamilton变分原理,建立了具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统BPH+EM的动力学方程。考虑谐波激励,采用调和平衡法获得了BPH+EM系统的位移、输出电压和功率的解析解。利用求得的解析解,讨论了BPH+EM系统扩大能量俘获的频率范围和提高能量俘获效率的机理,研究了弹性放大器的刚度质量比对BPH+EM系统的动力性能影响规律。当弹性放大器的刚度质量比趋于无限大时,具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统退化为双稳态压电俘能系统BPH。弹性放大器的刚度质量比趋于0但不等于0时,BPH+EM的俘能效率低于BPH。结果表明,在合适的刚度质量比范围内,BPH+EM的俘能效率显著优于BPH。研究结果为BPH+EM系统的优化设计提供了理论指导。     

非对称势阱对三稳态压电俘能器性能的影响分析

为了探讨具有非对称势能函数的三稳态压电俘能器的优点,提出了一种具有不对称势能函数的三稳态结构。基于广义Hamilton变分原理,考虑梁端磁铁偏心距和转动惯量的影响,建立了非对称三稳态压电悬臂梁俘能系统的动力学方程,利用龙格-库塔法和多尺度法分析了初始振动点、外界激励等对存在非对称势阱的磁力式三稳态压电俘能系统响应的影响。结果表明:合适的起振位置和外部激励频率能使系统进入高能轨道,产生大幅阱间运动,提高系统的俘能效率。相比于忽略梁端磁铁偏心距和转动惯量的传统模型,修正模型的系统阱间运动频带宽度及输出功率峰值的计算结果均明显增大。     

三稳态压电俘能器的势能函数及对其性能的影响

基于压电本构方程、牛顿第二定律和基尔霍夫定律,推导了机械式三稳态非线性压电俘能器的数学模型,采用数值方法研究了压电俘能器的势能函数及其对系统动力学响应和俘能特性的影响,同时,分析了刚度比和弹簧位置参数对势能函数性状的影响。研究结果表明:三稳态压电俘能器系统的势能函数具有三个势阱且具有对称性,当系统初始位置位于较浅的势阱附近时,系统将更容易做大幅阱间运动,降低有效俘能的激励幅值阈值,能够在较小的激励幅值下产生较大的均方根电压;在阱间运动情况下,势阱宽度越大,系统的均方根电压越大;弹簧位置参数和刚度比等系统参数会影响势阱深度与势阱宽度的大小,通过合理地设计系统参数,能有效提高系统均方根电压、降低有效俘能的激励幅值阈值。     

等效刚度对非线性压电俘能系统性能影响研究

基于Hamilton原理，考虑几何非线性和梁的不可伸长条件，建立了五层压电双晶片叠合梁俘能器在直接和参数激励作用下的运动微分方程。利用Galerkin法和谐波平衡法获得了俘能器的位移、输出电压和输出功率的解析解。引入随时间变化的扰动，提出了非线性方程解的稳定性条件。为了对压电俘能器的结构-性能关系进行综合分析，研究了被动层的配置形式、被动层与主动层的厚度比和弹性模量对压电俘能系统性能的影响。结果表明，在叠合梁厚度不变的情况下，采用五层的压电双晶片叠合结构，选择合理的被动层与主动层厚度比、被动层弹性模量、被动层厚度比和负载电阻，可以有效提高能量俘获的效率。     

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量, 本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明, 该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.      

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量,本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明,该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.     

基于等效电路法的变三角截面驰振压电能量收集研究

随着能源危机的逐渐加剧，人们对压电俘能器研究的投入也与日俱增，目前常见的研究压电俘能器的模拟方法只能研究其接入简单的单一电阻负载电路时的性能，且不能解决压电俘能器的高强度直流电路耦合问题。因此，本文借助二阶范德波尔控制方程将压电俘能器的主要部件等效为电子元件，进而基于等效电路法建立了与变三角截面驰振压电振动俘能器相对应的等效电路模型。借助风洞实验验证了所建立的等效电路模型的准确性。采用该模型研究了外接电路，钝体顶角，外接电阻和来流速度对变三角截面驰振压电俘能器输出电压，输出功率和响应位移的影响，结果表明，随着电阻的增大，输出电压逐渐增大且增长率逐渐减小。交直流电路的最佳负载分别为1.05 MΩ和1.4 MΩ，当风速为7.03 m/s，钝体顶角为90°时，交直流电路输出电压和输出功率的峰值分别为41.34 V，0.974 mW和50.8 V，0.616 mW。随着钝体顶角的增大，输出电压，输出功率和响应位移均逐渐增大且增大的速度逐渐减小。等效电路模型可以高效，准确地对不同结构参数下和外界电路下的压电振动俘能器的输出功率，输出电压，响应位移及其影响因素进行研究，所提出的等效电路模型于加快对压电振动俘能器的研究与推广应用具有一定意义。     

梁端磁铁尺寸对三稳态压电俘能器性能影响分析

考虑梁端磁铁的尺寸效应和转动惯量,利用广义Hamilton变分原理,建立了较为准确的非线性三稳态压电悬臂梁俘能系统的分布参数型力电耦合运动方程。采用多尺度法求出了该系统运动方程的解析解,主要研究了磁铁间的相对位置、负载阻抗以及梁端磁铁偏心距和质量对俘能系统性能的影响。结果表明:改变梁端磁铁偏心距和质量对阱间运动最优负载阻抗的影响明显;通过调节磁铁间的相对位置可以改变内、外势阱深度,从而改善俘能效率;阱间运动的最大输出功率和频带宽度随着梁端磁铁偏心距的增加而增大;增加梁端磁铁质量可以大幅拓宽阱间运动的工作频率范围,有效地提高阱间运动的输出功率。     

翼型颤振压电俘能器的输出特性研究

压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流?固?电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮?俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其他压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.      

梁端质量和叠层形式对非线性俘能器性能的影响

基于哈密顿原理和梁的不可伸长条件,建立了在直接激励和参数激励下具有尖端质量的五层压电双晶片悬臂梁型非线性压电俘能器的分布参数微分运动方程。采用Galerkin方法获得力电耦合的Mathieu方程。利用谐波平衡方法来获得方程近似解的解析表达式。在参数激励、直接激励及其组合激励条件下,研究了梁端质量、负载电阻、基层厚度比对非线性压电俘能器性能的影响。研究结果表明,随着梁端质量的增加,参数激励系统起始阈值和共振频率减小。采用五层双晶片叠合梁,通过合理选择基层配置厚度比,可以有效地提高能量俘获效率。     

双稳态压电俘能器的簇发振荡与俘能效率分析

本文从理论上分析了双稳态压电俘能器在高频激励下的动力学行为和低频激励下的簇发振荡, 旨在为系统找到多条高能轨道从而提高俘能效率. 首先, 介绍了双稳态压电俘能器的结构以及一般模型. 与工程上研究俘能器的目的不同, 本文主要从动力学方面分析了俘能器的运动, 电压输出与效率, 包括高频激励下系统的低能阱内周期运动、阱间混沌运动等, 并说明了单个低频激励下双稳态压电俘能器会在阱间高能轨道上发生簇发振荡, 但在阱内低能轨道上只做周期运动. 同时, 结合振幅以及势阱深度等因素对簇发振荡的存在性和强度进行分析. 为了说明高能轨道与低能轨道对系统俘能效率的影响, 讨论了不同的等效阻尼、负载电阻下俘能器输出电压的变化, 找到了最优匹配. 最后, 对于多个低频外激励的情况, 从不同的轨道组合模式上得到了双高能簇发振荡模式输出的电压最大, 其次是单高能簇发振荡与单低能周期振荡的组合模式, 输出电压最低的是双低能周期振荡模式. 并与单个外激励进行对比, 表现了多个激励的良好性能.      

一种具有新型动力放大器压电悬臂梁俘能器计算模型和解析解

为了提高压电振动能量俘获的效率,提出了一种新型的压电悬臂梁俘能器。新的压电俘能器在悬臂梁固定端安装一个新型动力放大器系统,另一端带有一个有限尺寸的质量块。新型动力放大器由平移及转动约束的弹簧-质量块系统组成。考虑有限尺寸质量块的质量分布效应和平移及转动约束的弹簧刚度等结构参数的影响,利用广义Hamilton原理,针对带有新型动力放大器的压电式悬臂梁俘能器,建立了分布参数型运动微分方程,获得了相应的特征函数,分析了自振频率和能量俘获效果。分析结果表明,考虑质量块偏心距和转动惯量可提高能量俘获效率的预测精度;合理选择动力放大器的平移及转动弹簧刚度可提高能量俘获的效率,降低俘能器的共振频率。     

线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究

利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能, 为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路. 通过引入非线性磁力设计了一种线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器, 分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规律. 利用磁偶极子法建立磁力模型, 通过实验测量线形?拱形组合梁的恢复力, 并采用多项式拟合得到恢复力模型, 基于欧拉?伯努利梁理论和拉格朗日方程建立系统的动力学模型, 从时域角度仿真分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对系统动力学特性的影响规律. 研制线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器样机并搭建实验平台进行实验研究, 通过采集组合梁末端响应速度数据, 验证了理论分析的正确性. 研究表明: 引入非线性磁场能够使系统势能呈现单势阱、双势阱或三势阱, 激励一定时, 调整磁铁水平间距和垂直间距能够使系统实现单稳态、双稳态或三稳态运动, 且在三稳态运动时响应位移较大, 增大激励水平有利于系统越过势垒实现大幅响应. 研究为线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器的设计提供了理论指导.      

面向压电振动能量俘获的电能管理电路综述

随着物联网(internet of things, IoT)技术的高速发展, 传统的电池供电方式已经不能满足其供电需求. 利用压电能量俘获技术将机械能转换为电能, 可为IoT提供持久的电能, 具有广阔的应用前景. 本文在讨论压电振动俘能器的电学特性基础上, 全面总结了面向压电振动俘能器的电能管理电路的最新研究成果. 电能管理电路通常由AC-DC变换和DC-DC开关变换器(包括控制算法)两部分组成, 前者用于将压电振动俘能器输出的交流电转变为直流电, 后者用于提高能量俘获效率. 首先, 针对AC-DC变换, 分析了全桥整流器、电压倍增器、同步开关电感电路和同步开关电容电路的工作原理和优缺点. 接着, 重点讨论了用于压电振动俘能器的典型开关变换器电路, 包括电感式、全电容式和变压器式DC-DC开关变换器以及AC-DC开关变换器, 分析了它们的特点和适用场合. 最后, 针对压电振动俘能器的特点, 分析了实现最大能量俘获的几种典型控制算法, 包括最大功率点跟踪、阻抗匹配和同步电荷提取控制算法. 本文通过对面向压电振动俘能器的电能管理电路的全面分析和综述, 揭示了该领域目前存在的瓶颈问题, 并展望了其未来发展方向, 对压电能量俘获自供电系统的研究和开发具有重要的参考价值.      

磁耦合式双稳态宽频压电俘能器的设计和俘能特性

为了同时提高振动能量俘获系统的效率和实用性, 俘能器主结构的振动特性与环境振动特性的匹配度显得尤为重要. 非线性系统复杂的动力学行为为设计高效的俘能器奠定了基础, 但结构一旦被设计、生成出来, 其工作频率往往是固定的, 无法根据环境中的振动而发生相应的改变. 本文利用可移动铰支座和非线性磁力设计了一种具有双稳态特性的宽频压电俘能器, 通过拓宽压电俘能器的工作频带, 来匹配环境中较宽的振动频率. 为了保证系统低频宽带的俘能效果, 详细分析了结构的长度比、磁间距、负载阻抗、外激励频率和幅值等对系统线性刚度、非线性刚度以及动力学行为的影响, 并进行了实验验证. 首先将系统简化为欧拉-伯努力梁, 利用拉格朗日方程建立系统的非线性动力学方程, 并利用谐波平衡法进行求解. 针对理论分析给出的不同外激励频率下的最优长度比, 搭建了实验平台进行验证. 理论和实验的结果表明: 非线性磁力的引入使系统呈现负刚度特性, 使俘能器能够在单稳态和双稳态之间的变换, 实现低频俘能效果; 通过调节可移动铰支座的位置, 改变系统的长细比, 能够实现从0到16 Hz的宽频俘能效果.      

参数和直接激励下非线性压电俘能器性能分析的多尺度法

考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件,利用Hamilton变分原理,建立了参数激励和直接激励下压电俘能器的非线性力电耦合的运动微分方程;利用Galerkin法,将所建立的动力学偏微分方程降阶为力电耦合的Mathieu-Duffing型方程;采用多尺度法获得了梁的位移和输出电压的解析表达式,给出了解的稳定性条件;利用解析表达式研究了单独参数激励以及参数激励和直接激励共同作用下阻尼系数对压电俘能器性能的影响。结果表明,在参数激励情况下,线性阻尼会显著影响超临界分岔点的位置,非线性二次阻尼不会影响超临界分岔点的位置。参数激励和直接激励的结合可以作为提升压电能量俘获器性能的解决方案。     

基于非线性谐振电路的双稳态俘能器的俘能与动力学特性研究

双稳态俘能器可实现宽频和高效的俘能效果.目前的研究主要在双稳态结构中接入单一电阻电路进行俘能.本文将非线性RLC (电阻-电感-电容)谐振电路引入到三弹簧式双稳态结构中,构建两自由度非线性系统,以实现俘能特性的提升.设计永磁体与线圈的构型,获得了非线性机电耦合系数.推导并得到了两自由度非线性俘能器的控制方程.利用谐波平衡法推导得到了系统的电流与位移的频率响应关系.基于雅可比矩阵对解的稳定性进行了判别.将解析解与数值解进行了对比验证.结果表明,在双稳态俘能器中引入非线性二阶谐振电路不仅有利于低频俘能,还可进一步提升俘能响应,拓宽俘能带宽.相同的电路参数下,与线性电路相比非线性电路可通过电流的倍频现象实现结构更低频率的能量俘获.减小谐振电路与双稳态结构共振频率之比,增加基础激励幅值,减小静平衡点之间的距离均可提升俘能器的俘能效果.通过调控谐振电路与双稳态共振频率之比和基础激励幅值等参数,可实现系统单倍周期响应、多倍周期响应及混沌响应之间的切换.     

基于人体运动的压电-电磁混合式振动能量采集研究

将人体运动产生的动能转化为可利用的电能为传感器供电一直是能量采研究中的一个热点。如何有效利用人体运动，增强环境适应能力以及提高能量采集性能仍是俘能研究中需要解决的关键问题。本文基于人体运动特性，设计了一种新型的混合式能量采集器，同时具有压电和电磁转化机制。压电俘能是基于压电梁变形产生电能，电磁发电机采用堆叠磁组构型来切割线圈产生电动势。首先建立了混合式能量采集器的动力学理论模型，用来描述输出电压特性，并与实验进行了对比验证。理论与实验研究均表明，混合式俘能器的输出电压在一定激励频率范围内出现两个波峰。通过调节压电梁长度，可以改变峰值大小以及两个峰值间的频段范围。人体运动实验表明，混合式俘能器中可以在短时间内提供较高的电压输出，比如当跑步速度为5km/h时，3s内就可以输出1.1V直流电压驱动传感器工作；跑步时长为30s时，传感器正常工作时常可以达到77s。本文设计的混合式俘能器不仅可以快速供电，还具有较强的续航能力，这为电池充电或传感器供电提供了潜在的应用价值。     

压电俘能器结构及其力/电耦合作用分析

介绍了一种新的切实可行的能量俘获方法,即通过压电结构的力/电转换功能从环境振动中提取能量,实现微电子器件的无线供能。这种由压电结构制作的能从环境振动中提取能量的声波器件称为压电俘能器,可分为两类：一类是压电结构在环境振动激励下所输出的功率直接供给微电子器件工作,不进行能量储存,这类俘能器称为第一类压电俘能器（piezoelectric power harvester）;另一类是环境振动较弱,压电结构的输出功率低于器件的瞬时耗能,考虑到某些器件大部分时间处于休眠状态,而俘能器却随时可以从环境振动中提取能量,因此经过一段时间的能量累积后,由俘能器所储存的能量仍能满足器件的短期工作耗能。显然,这类俘能器需要具备能量储存功能,称为第二类压电俘能器（piezoelectric energy harvester）。本文详细介绍了压电俘能器结构以及两类俘能器的不同分析方法,阐述了提高俘能效率的有效措施并揭示了相关的改进机理,对压电俘能器的设计和应用具有重要意义。