势阱特性对磁力双稳态压电俘能器性能的影响研究

为研究磁力非线性双稳态压电俘能器的动力特性,利用广义Hamilton变分原理建立了压电俘能系统的动力学方程,运用谐波平衡法获得了谐波激励下位移和电压的解析表达式。采用磁偶极子模型提出了多项式表示的磁力势能,利用数值方法模拟了不同初始条件下俘能系统的位移和电压的时程曲线。研究结果表明:在阱间运动情况下,阱深相同时,随着阱宽增大,俘获的能量增大,有效带宽减小;阱宽相同时,随着阱深增大,俘获的能量减小,有效带宽增大。采用适当的初始条件可诱导俘能系统进入高能轨道的阱间运动,从而提高俘能效率。     

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。     

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。     

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.      

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.     

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.     

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。     

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.      

动态多稳态压电风能俘能结构设计与实验验证

传统的线性颤振式风能俘能结构在变风速环境下转换效率不高。针对此问题，本文提出了一种动态多稳态颤振式压电俘能结构，可在较宽的风速范围内保持较高的电压输出。该结构由矩形平板、压电悬臂梁与3块永磁体组成，并通过磁吸力实现结构的多稳态。通过在不同风速下开展的能量转换特性实验研究，发现当风速较小时，该结构具有双稳态特性；而当风速较大时，会出现新的稳定位置，结构变为三稳态系统。这样的动态稳定位置，可以保证结构在很宽的风速范围内出现阱间跳跃，进而保持大的电能输出。实验结果表明，这种动态多稳态结构，风速在2.0m/s—7.5m/s区间变化时，能够激发并保持阱间跳跃，甚至相干共振，产生较大的电能输出。     

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.      

Exploiting the subharmonic parametric resonances of a buckled beam for vibratory energy harvesting

The potential of harvesting vibratory energy via a bistable beam subjected to subharmonic parametric excitations is investigated. The vibrating structure is a buckled beam with two stable equilibria separated by a potential barrier. The beam is subjected to a superposition of a static axial load beyond its buckling load and a harmonic axial excitation whose frequency is around twice the frequency of the buckled beam’s first vibration mode. A macro-fiber composite patch is attached to one side of the beam to convert the strain energy resulting from the beam’s oscillation into electricity. The study considers two regimes of excitations: an amplitude sweep and a frequency sweep. In the first regime, the amplitude of excitation is quasi-statically varied while the excitation frequency is tuned at twice the natural frequency of the first vibration mode. In the second regime, the excitation frequency is swept forward and backward around the subharmonic resonant frequency while the amplitude of excitation is kept constant. A theoretical model which governs the electromechanical coupling of the transverse vibrations of the beam and the output voltage is used to monitor the response as the excitation parameters are changed. An experimental setup is also built and a series of tests is performed to validate the theoretical findings. It is shown that, depending on the amplitude and frequency of excitation, the harvester can perform small-amplitude periodic intra-well motion, intra- and inter-well chaotic motions, as well as periodic inter-well motions. Experimental results also show that, as compared to the classical linear resonance, utilizing the sub-harmonic resonance of a bistable energy harvesters can result in a broadband frequency response.     

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。     

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。     

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.

     

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。     

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.      

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.