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.      

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。     

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.      

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...     

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。     

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.      

低频振动隔离和能量采集双功能超材料

振动隔离和能量采集一体化是一种能够将有害振动隔离并转化为电能收集利用的动力学机制. 本文从局域共振超材料存在低频带隙特性出发, 研究了振动隔离和能量采集双功能超材料的动力学行为. 通过在球型磁腔内放置固接了感应线圈的球摆构成具有能量采集功能的球摆型谐振器, 并将其周期性的放置在基体梁中, 可以将带隙频率范围内的振动聚集在谐振器内, 以实现振动隔离和能量采集双功能. 建立了横向激励下双功能超材料梁的动力学方程, 应用Bloch's定理得到超材料的能带结构, 通过有限元仿真验证了理论模型和研究方法. 研究了不同参数下超材料梁的带隙特性. 进一步将一维拓展到二维, 研究了二维双功能超材料板的振动隔离和能量采集性能. 最后, 设计并建造了振动隔离和能量采集一体化双功能超材料动力学实验平台, 解析、数值和实验结果表明, 在局域共振带隙的频率范围内, 超材料梁主体的振动明显被抑制, 与此同时, 振动被局限在谐振器中, 使采集到的电压达到了最大值. 通过对附加谐振器和没有附加谐振器的能带结构和幅频响应的对比, 发现球摆型谐振器的加入可以在低频范围内形成了一个局域共振带隙, 有效提高了超材料梁在低频处的振动隔离和能量采集性能.      

机械能量采集动力学调控方法

机械能量采集是将环境中分散和无序的低品质高熵机械能转换为电能,可以为广泛分布的传感器等低功耗电子器件供电实现自供能物联网,具有灵活、便捷、可持续和零碳环保的优势,能够广泛应用于生态环境监测、基础设施健康状态监测和设备状态监测等,是国际前沿研究热点.但是,目前机械能量采集存在输出功率低、工作频带窄、低频效果差、环境适应性差和可靠性低等制约其实际应用的关键难题.机械能量采集动力学调控方法能够改善机械能量采集系统的动力学性能,使其与特定的环境激励相匹配,提升系统的输出电学性能.文章构建了机械能量采集动力学调控方法体系,包括激励调制、非线性系统、多自由度系统、自适应控制和策略调控等方法;论述了动力学调控方法的最新研究进展,包括每类动力学调控方法的特点和典型设计;最后,总结了动力学调控方法的关键挑战,并预测了未来发展方向.为机械能量采集系统适应复杂环境激励提供了新的动力学调控视角,有益于促进机械能量采集理论与技术的发展.     

谐波平衡法与复平均法计算强非线性系统稳态响应的区别

近些年,很多学者致力于利用非线性增强振动响应减少的效果或者能量采集器的效率。因而非线性系统的响应值需要从理论计算方面更准确地预测。另外,根据学者已取得的研究成就,非线性能量汇(NES)中存在的立方刚度非线性可以将结构中宽频域的振动能量传递至非线性振子部分。文章将一种由NES和压电能量采集器组成的NES-piezo装置与两自由度主结构耦合连接,系统受谐和激励作用。文章采用谐波平衡法和复平均法分别推导了系统稳态响应,参照数值结果,对比两种近似解析方法在求解强非线性系统稳态响应时的异同。计算结果表明,系统体现较弱非线性时,二者计算结果差异很小;当系统体现强非线性时,复平均法不能准确地呈现系统高阶响应,提高阶数的谐波平衡法能更准确地表示系统响应值。基于谐波平衡法和数值算法,讨论NES-piezo装置对于系统宽频域减振的影响。与仅加入非线性能量汇情况对比,结果表明NES-piezo装置不会恶化宽频域减振效果,并且在第一阶共振频率附近,可以稍微提高结构减振效率。另外,计算结果也表明,采用恰当的NES-piezo装置可实现宽频域范围的结构减振和压电能量采集一体化。此项研究工作为研究不同情形强非线性系统的响应提供了理论方法的指导。另外,研究结果也为宽频域范围的结构减振和压电能量采集一体化提供了理论依据。     

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。     

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.      

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。     

Nanoscale flexoelectric energy harvesting

One of the most tantalizing applications of piezoelectricity is to harvest energy from ambient mechanical vibrations for powering micro and nano devices. However, piezoelectricity is restricted only to certain materials and is severely compromised at high temperatures. In this article, we examine in detail, the possibility of using the phenomenon of flexoelectricity for energy harvesting. The flexoelectric effect is universally present in all dielectrics and exhibits a strong scaling with size. Using a simple beam-based paradigmatical design, we theoretically and computationally examine flexoelectric energy harvesting under harmonic mechanical excitation. We find that the output power density and conversion efficiency increase significantly when the beam thickness reduces from micro to nanoscale and flexoelectricity-based energy harvesting can be a viable alternative to piezoelectrics. Specifically, the conversion efficiency in flexoelectric transduction at sub-micron thickness levels is observed to increase by two orders of magnitude as the thickness is reduced by an order of magnitude. The flexoelectric energy harvester works even for a single layer beam with a symmetric cross section which is not possible in piezoelectric energy harvesting. Our results also pave the way for exploration of high temperature energy harvesting since unlike piezoelectricity, flexoelectricity persists well beyond the Curie temperatures of the high electromechanical coupling ferroelectrics that are often used.     

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.      

Vibration energy harvesting from impulsive excitations via a bistable nonlinear attachment

A vibration-based bistable electromagnetic energy harvester coupled to a directly excited primary system is examined numerically. The primary goal of the study is to investigate the potential benefit of the bistable element for harvesting broadband and low-amplitude vibration energy. The considered system consists of a grounded, weakly damped, linear oscillator (LO) coupled to a light-weight, weakly damped oscillator by means of an element which provides both cubic nonlinear and negative linear stiffness components and electromechanical coupling elements. Single and repeated impulses with varying amplitude applied to the LO are the vibration energy sources considered. A thorough sensitivity analysis of the system's key parameters provides design insights for a bistable nonlinear energy harvesting (BNEH) device able to achieve robust harvesting efficiency. This is achieved through the exploitation of three BNEH main dynamical regimes; namely, periodic cross-well, aperiodic (chaotic) cross-well, and in-well oscillations.     

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。