线绳驱动转速提升式低频俘能器的设计与研究

俘获周围环境中丰富的低频机械能对减少废旧电池数量、实现自维持传感器、降低传感器网络的使用和维护成本等具有重要意义, 但传统的振动型俘能器对低频机械能的俘获效果不佳. 为了有效收集周围环境中的低频机械能, 本文提出一种线绳驱动、具备转速提升功能的电磁式俘能器, 首先借助线绳驱动转轴结构将低频振动转换为双向旋转运动, 再通过刚度自动改变的拨片和磁齿轮将双向旋转运动转换为转速更高的单向旋转运动, 从而提高输出功率. 对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型, 并通过样机制作和实验测试证实了理论模型的正确性. 实验研究表明, 在激励幅值40 mm和激励频率2 Hz的条件下, 通过本文设计制作的2.5倍转速提升功能的磁齿轮, 可将线绳驱动电磁式俘能器的最大输出功率增加至7.82 mW, 比对应的无磁齿轮提升转速的线绳驱动电磁式俘能器的最大输出功率(3.22 mW)高约143%. 在相同的激励条件下, 制作的俘能器的交流电能经过桥式整流器转换为直流后, 可在1.2 s内将220 μF储能电容器的电压从0 V提升至1.5 V. 在低频、不规则的振动激励下, 所制作的俘能器仍可提供0.35 mW的输出功率, 为设计高性能低频俘能器提供一条可行的解决方案.      

不倒翁式电磁俘能器的非线性动力学特性研究

海洋波浪能作为一种可再生能源,将其俘获并转化为电能为无线传感器持续供电,可以推动海洋环境监测的数字化改造升级.然而,海浪能的低频与随机性等特征导致其俘获难度大.不倒翁结构具有不同于传统结构的超低频振动特性,并且其对低频激励敏感的特点,可以吸收周围振动能量.为此,文章通过引入不倒翁机制与Halbach磁铁阵列,构建了磁非线性力,设计一种不倒翁式电磁俘能器,以实现提高低频波浪能的俘获效果.首先,基于拉格朗日方程建立不倒翁式电磁俘能器的理论模型,并用谐波平衡法推导了不倒翁摆角与输出电压的频率响应关系.将解析解与数值解进行对比验证.其次,探究了激励频率与幅值等参数对系统动力学行为的影响规律.最后,研制了不倒翁式电磁俘能器原理样机,搭建俘能试验平台并进行试验,验证了理论模型的正确性.研究表明:引入磁非线性力使得系统呈现刚度硬化特征,有利于提升低频俘能效率.不倒翁式电磁俘能器随激励频率与幅值的变化,呈现周期、准周期及混沌运动等复杂动力学行为.低频与大激励条件更容易造成俘能器系统的混沌运动,有利于提高俘能效果.本研究为不倒翁式电磁俘能器的设计及在低频波浪能高效俘获的应用提供了理论支持.     

基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统

本文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统，由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成。在外界低频振动激励下，底部低频S形金属曲梁产生共振，在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁，从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动，解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题，同时提高能量收集的效率。本文建立了悬臂梁受迫振动和碰撞耦合振动的动力学模型，讨论了压电悬臂梁的电压输出特性。通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率，结果表明当振动加速度为1.0 g时，升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6 μW，高于单个压电悬臂梁的最大输出功率。     

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。     

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.      

低频螺旋状压电俘能器结构性能分析

利用螺旋状双晶片压电梁式俘能器可以有效地从低频工作环境中提取能量.由于这种俘能结构振动中存在弯曲振动和伸缩振动两种模态,确定俘能器的最优工作模态非常重要,这样外载作用型式(即面内受载还是面外受载)对俘能器的影响较大.数值结果表明:外激励方向不同时,最大输出功率密度出现在不同阶数的固有频率处,并且最大输出功率密度的大小也显著不同,面内加载方式明显优于面外加载方式.最后还详细讨论了储能电路的阻抗,自由端悬挂的集中质量对俘能器性能的影响规律.     

面向超低频振动能俘获的内共振升频式压电振子与性能分析

自然环境中的低频、超低频振动能分布十分广泛,但如何高效俘获依然是一个技术难题。本文主要研究了一种基于摆锤、内嵌式双悬臂梁、一对永磁铁和限位器的升频式超低频振动能量收集器,并对其进行了理论建模、仿真分析和实验验证。该振子结构可以利用1:2:6升频转换机制将初始激励的超低频率升高至6倍频的电压输出,有效地增大了压电元件的换能效率,提高了振子结构输出功率。该原型装置可以在频率2 Hz、幅值0.2 m/s 的激励下达到1.4 mW的能量收集水平,展现出了较高的能量俘获和转换潜力。     

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.      

准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电,是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题.将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案.但是,环境振动中低频成分占比较大,而传统振动能量采集方法较难实现低频(<10 Hz)振动能量的高效转化,这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用.文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置,可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能.首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程,并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式,同时对比了数值解与解析表达式的结果;进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响.最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机,搭建了实验平台,测试了系统的动力学响应与电学输出,验证了理论结果的正确性.研究结果显示当频率为2.5 Hz时,准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25 V.文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量...     

双稳态电磁式振动能量捕获器超谐波响应研究

超谐波响应是非线性振动系统在较大激励下表现的特性,在某种条件下双稳态振动能量捕获系统的超谐波响应可使系统产生优越的输出功率。本文将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获器相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程。采用两项式谐波平衡法,获得了双稳态系统在简谐激励下产生大幅运动的基谐波和超谐波响应的解析解,借助数值仿真分析了质量比和调频比对双稳态振动能量捕获器产生大幅运动的影响规律,获得了双稳态系统的结构参数的最佳配置范围,且当外部激励频率处于低频段时,系统发电主要表现为超谐波发电,随着激励频率的增大,振动发电系统主要呈现基谐波发电。上述研究,为双稳态能量捕获装置的理论研究提供了参考。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.      

逆压电效应对双稳态压电俘能器的性能影响研究

为了研究逆压电效应对压电俘能效果的具体影响,本文首先分析了双稳态压电俘能器的分布参数型能量表达式,然后应用广义Hamilton变分原理推导了该俘能系统的动力学方程,最后采用谐波平衡法获得了动力响应解析解。通过对比不同激励频率下的数值仿真结果,讨论了逆压电效应对俘能系统动力响应的影响规律。结果表明,逆压电效应在不同工况下对俘能效果的影响并非单纯起抑制作用,在一定激励强度的高频激励下,逆压电效应对俘能效果的影响起增强作用;弱强度激励下的俘能效果则全程受到抑制作用。     

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。