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.      

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。     

利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器

目前,大多数的能量收集器从低频运动中只能收集到较少的能量,且能量收集效率较低.低频激励下发电输出能量低是当前限制电磁俘能器多场景应用的关键问题,而电磁感应发电作为目前应用广泛且较为成熟的发电技术,具有高功率输出,被广泛应用于能量收集领域,有望解决这一技术瓶颈.文章提出了一种基于斜齿离合传动系统的电磁式振动俘能器,以系统性解决输出频率低和能量转化时间短的问题.俘能器的机械传动系统由直线-旋转转化模块、牙嵌离合模块和能量存储/释放模块3部分构成,可将外界低频、不规则的瞬时激励(约0.2～5 Hz)转化为高频、连续的单向旋转运动以实现能量转换效率最大化.对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型并进行实验验证.研究结果表明,俘能器在外界脉冲激励下可以实现开路状态长达30 s的输出;接入负载后惯性旋转运动的最高转速可达750 r/min,并实现了运动频率从0.17～50 Hz的近300倍提升;单层发电模块的峰值功率可达1.25 W,两层发电模块并联输出2.5 W的峰值功率,可实现134 mW平均输出功率.此外,其紧凑高效的传动结构设计使得俘能器可以进一步集成到可穿戴设备中,在人体能量收集领域和构...     

磁力耦合道路能量收集设计与动力学分析

通过在交通环境布置无线传感器等小型机电系统, 实现交通状况监测、交通系统管控、交通设施健康状态监测等, 可以使交通系统更加安全、有序、高效地运行. 但是, 如何为这些广泛分布的小型机电系统供能？本文提出了一种磁力耦合道路能量收集设计, 用以收集车辆滚压能量并转换成电能. 通过磁力耦合进行无接触能量传递, 减小了装置受到的冲击并使得装置具有良好密封性, 从而提升装置的鲁棒性. 通过升频齿轮机构、棘轮机构将车辆滚压激励转换为高速单向旋转, 并且通过换向齿轮机构能够继续收集复位弹性势能, 提高了收集装置的输出功率. 基于磁力耦合道路能量收集系统的工作原理建立了机电耦合动力学模型. 数值仿真探究了减速带限位距离和复位弹簧刚度等关键设计参数对能量采集系统动力学和电学性能的影响. 能量采集系统在车速为50 km/h时最大输出电压为76.28 V, 最大功率为59.94 W. 磁力耦合道路能量收集装置可以成为未来智慧交通系统的重要组成部分, 俘获交通环境能量为交通环境中小型机电系统提供可持续的绿色无碳电力.      

面内压电振动能量采集动力学设计与性能研究

压电振动能量采集将环境中普遍存在的机械能转换为电能，可以实现自供能传感、控制与驱动，具备灵活、节能环保、可持续的优势，具有广阔的应用前景。为了促进压电振动能量采集器件的集成与融合，提出面内压电振动能量采集，将压电振动能量采集器进行扁平化设计，使其在二维平面内采集振动能量，在保证较大功率输出下能够显著减小器件所需三维空间。为了提高输出功率与工作频宽，设计了具有双稳态与力放大机制的面内压电振动能量采集器。考虑弯张小变形，通过能量法建立了面内压电振动能量采集器的机电耦合动力学模型。分析了关键设计参数对面内压电振动能量采集器性能的影响。数值仿真了面内压电振动能量采集器在简谐激励下的俘能性能，结果表明，通过合理的设计，面内压电振动能量采集器可以低频、宽频弱激励下有效俘获能量。面内压电振动能量采集设计方法有利于推动便携式、可穿戴式自供能等方面的应用和产业化。     

非线性振动能量俘获技术的若干进展

随着工程中低功耗电子设备和自供能无线传感网络的迅速发展, 使得振动能量俘获在航空航天工程、机械工程、生物医学工程和可持续能源工程等领域得到了广泛地应用. 振动能量俘获不仅可以将振动能转化为可用的电能为微电子设备供电, 还能减少有害振动保护仪器设备. 根据振动能量不同转换机制, 可以将振动能量俘获系统分为静电式、电磁式、压电式、磁致伸缩式、摩擦起电式以及它们的混合式. 其中压电和电磁振动能量转化机制由于结构简单、容易组装、能量转换性能高等优点, 已被广泛应用于各种工程领域中. 受极端环境干扰, 工程中容易出现宽带、低频等振动, 迫使振动能量俘获技术向非线性方向迅猛发展, 进一步吸引了诸多学者对振动能量俘获系统的结构和电路进行优化设计研究. 本文首先综述了非线性振动能量俘获技术近十年来的研究进展, 主要包括设计技术基础、非线性结构设计、动力学分析等方面的研究现状. 其次, 重点阐述了振动能量俘获与振动抑制一体化的主要研究成果, 包括非线性准零刚度和非线性能量汇在振动能量俘获领域的应用. 最后, 总结了振动能量俘获外接电路和主动控制策略的优化设计, 分析了进一步提升非线性振动能量俘获效能的有效方法.      

压电与摩擦电复合型旋转能量采集动力学协同调控机制研究

低转速激励下能量采集性能差是目前制约旋转能量采集技术应用的瓶颈问题. 本文提出了动力学协同调控机制, 并用于调控系统的动力学行为, 可以使器件在低转速激励下有效工作, 提高了旋转能量采集系统的电学性能. 旋转刚度软化、非线性磁力、几何边界的协同调控既可以增加系统在低速下的振动位移以及压电材料的形变, 也可调控系统的最大位移, 使其振动可控并限制位移过大提高可靠性. 此外, 几何边界可以方便地集成摩擦纳米发电机, 实现压电与摩擦两种机电转换机制在振动和碰撞过程中协同发电, 有效利用空间和提高输出电能. 基于哈密顿原理建立了系统的机电耦合动力学模型并进行了实验验证. 实验结果表明系统能够在0~250 r/min的低转速范围内有效工作, 在转速为250 r/min时, 压电单元和摩擦纳米发电机的最大峰峰值电压分别为132 V和1128 V, 总平均功率为1426 μW. 本文提出的动力学协同调控机制为能量采集系统动力学和电学性能改进提供新的途径, 有益于促进自供能物联网技术的发展与应用.      

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.     

永磁向心轴承承载能力与刚度的计算

目前，尽管磁浮轴承技术的研究与开发应用已经受到国内外学者的广泛重视，但在永磁向心轴承承载能力的研究方面，却还存在着两个尚待解决的问题：一是将环形磁体作为无限长条形磁体处理，二是只能对轴承承载能力进行估算。针对这种情况，根据等效磁荷理论，在圆环状态下对轴向控制的永磁向心轴承的承载能力和刚度进行了研究，建立了永磁向心轴承承载能力数学模型，并对其计算结果作了试验验证，同时还提出了利用刚度系数建立的可供工程设计应用的永磁轴承承载能力和刚度的计算公式。结果表明，承载能力的计算值与实测值相当吻合；在偏心距的实际应用范围内，永磁向心轴承的径向刚度是个常量；内外磁环的轴向位移对磁轴承的承载能力和刚度都有明显的影响．因此，为了最大限度地提高这种轴承的承载能力和刚度，就要在设计其结构的过程中注意尽力保证内外磁环轴向对齐。     

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.      

Modeling and preliminary analysis of piezoelectric energy harvester based on cylindrical tube conveying fluctuating fluid

In this contribution, a novel type of piezoelectric tubular energy harvester based on fluctuating fluid pressure is investigated. Analytic model of the proposed energy harvester is built under the assumption of axisymmetric radial vibration. Exact solution of the piezoelectric vibrating tube is obtained with its output performances formulated. A series of numerical simulations are conducted to investigate the influences of geometrical parameters, input mechanical load parameters and output electrical load parameters upon the output performances of the proposed piezoelectric tubular energy harvester. The model and simulation results indicate the potential of the proposed piezoelectric tubular energy harvester. It is expected that the energy harvester be useful in powering wireless sensor network for the health monitoring of hydraulic systems, where fluid conveying pipe vibration is omnipresent.     

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。     

带附加质量块的压电圆板能量采集器振动分析

基于圆板的压电能量采集技术在取代化学电池为低功耗电子器件提供能源方面具有巨大的潜能. 本文通过理论建模和数值仿真研究了考虑附加质量接触面积的压电圆板能量采集器的采集性能. 首先, 基于基尔霍夫薄板理论, 用广义哈密顿原理推导了带附加质量块的压电圆板能量采集器的机电耦合方程, 并用伽辽金法对方程近似离散, 通过离散方程得到电压、功率输出和最优负载阻抗的闭合解. 用有限元仿真对所提出的理论模型进行了验证, 结果表明该理论模型可以成功地预测压电圆板能量采集器输出电压和功率. 最后, 基于闭合解探讨了负载阻抗、附加质量块、压电圆板的内外半径等相关参数对压电圆板能量采集器固有频率、输出电压和功率的影响. 结果表明, 当质量块与复合板的接触半径足够小(本文中接触半径小于板半径的1/14)时, 质量块与复合圆板的接触面积可以忽略; 相较于无孔的压电片, 内径位于2.5 ~ 4 mm范围内的压电片可以提高能量采集器的采集性能; 附加质量、压电片外径和负载阻抗的合理选择既可以降低压电圆板的固有频率, 还可以提高其采集性能.      

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。     

附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的理论建模及分析

论文建立了一种附磁阶梯变厚度压电悬臂梁的动力学模型并分析了系统的俘能特性。基于Euler-Bernoulli梁理论分段建立系统能量函数并引入非线性磁势能，利用Lagrange方程建立了系统机电耦合动力学方程；利用数值方法分析了磁间距对系统振动特性的影响，此外还研究了系统单稳态和双稳态响应，探讨了厚度比、长度比、磁间距和外激励幅值对系统动力学响应和俘能特性的影响。结果表明，磁间距是影响系统势能的主要因素，调节磁间距可使系统产生单稳态和双稳态响应，从而有效提高俘能器俘能特性；与传统等截面悬臂梁压电俘能器相比，通过优化结构参数，附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器能够发生明显的非线性振动现象，实现宽频带振动能量采集。     

Modeling and analysis of magnetic spring enhanced lever-type electromagnetic energy harvesters

This study presents a novel enhanced monostable lever-type electromagnetic energy harvester (L-EEH). According to the positions of the coil and the lever pivot, four configurations are discussed to realize a better harvesting performance of the L-EEHs. On the basis of establishing the theoretical model of the L-EEH, the corresponding analytical solutions can be obtained by applying the harmonic balance method. The effects of the nonlinear coe-cient, the lever ratio, the mass ratio, and the circuit parameters on the energy harvesting performance of L-EEHs are analyzed and discussed. The numerical and experimental efforts are carried out to verify the theoretical model and the energy harvesting performance. The results demonstrate that the maximum output voltage can be achieved with an appropriate lever ratio. Furthermore, the L-EEH possesses a considerable energy harvesting performance under a smaller lever ratio compared with the other three configurations. The output power can also be improved by adjusting the tip mass of the lever. The proposed L-EEH has a considerable operating bandwidth and an output power, which can reach 146.6 mW under the excitation amplitude of 0.3g.     

Structural and electrical dynamics of a grating-patterned triboelectric energy harvester with stick–slip oscillation and magnetic bistability

The majority of research work on triboelectric energy harvesting is on material science, manufacturing and electric circuit design. There is a lack of in-depth research into structural dynamics which is crucial for power generation in triboelectric energy harvesting. In this paper, a novel triboelectric energy harvester with a compact structure working in sliding mode is developed, which is in the form of a casing and an oscillator inside. Unlike most sliding-mode harvesters using single-unit films, the proposed harvester utilizes grating-patterned films which are much more efficient. A bistable mechanism consisting of two pairs of magnets is employed for broadening the frequency bandwidth. A theoretical model is established for the harvester, which couples the structural dynamics domain and electrical dynamics domain. This paper presents the first study about the nonlinear structural dynamics of a triboelectric energy harvester with grating-patterned films, which is also the first triboelectric energy harvester integrating grating-patterned films with a bistable magnetic system for power performance enhancement. Theoretical studies are carried out from the perspectives of both structural and electrical dynamics. Surface charge density and segment configuration of the films affect whether the electrostatic force influences the structural dynamics, which can be neglected under a low surface charge density. Differences in structural response and electrical output are found between a velocity-dependent model and Coulomb’s model for modelling the friction in the triboelectric energy harvesting system. The bistable mechanism can effectively improve the output voltage under low-frequency excitations. Additionally, the output voltage can also be obviously enhanced through increasing the number of the hollowed-out units of the grating-patterned films, which also results in a slight decrease in the optimal load resistance of the harvester. These findings enable innovative designs for triboelectric energy harvesters and provide fabrication guidelines in practical applications.