微型抗磁悬浮振动能量采集器静平衡研究

研究了基于抗磁悬浮原理的能量采集器的静平衡问题。该能量采集器自上而下由提升永磁体、上热解石墨板、悬浮永磁体、下热解石墨板以及两热解石墨板内侧的线圈组成。通过理论分析发现悬浮永磁体静平衡位置和两个热解石墨板间距有很大关系。利用有限元软件COMSOL Multiphysics TM对悬浮装置进行仿真计算,求得当热解石墨板间距L在时,悬浮永磁体所受合力存在1个零点,悬浮永磁体只有1个平衡位置;当时,悬浮永磁体所受合力有3个零点,分析其势能曲线,发现其中2个零点为其平衡位置。通过实验验证了平衡位置个数随热解石墨板间距变化而变化。分析了实验数据和理论曲线有偏差的原因,进而验证了理论分析的合理性,为能量采集器的设计和优化打下了基础。     

微型振动能量采集器的抗磁悬浮结构分析

抗磁悬浮结构是微型振动能量采集器的核心结构,其由提升永磁体、悬浮永磁体以及上、下热解石墨板组成。该能量采集器主要通过悬浮永磁体的运动使感应线圈中的磁通量改变,从而将振动能转化为电能。为了研究悬浮永磁体对外界激励的响应情况,利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysic ~(TM)4.4计算出悬浮永磁体在不同空间位置时所受的磁力与抗磁力,通过Matlab拟合工具箱得到磁力与抗磁力关于距离的非线性方程,结合磁力与抗磁力方程建立悬浮永磁体对外界激励响应的SIMULINK仿真模型,进而得到悬浮永磁体在外界激励下的运动规律,确定了悬浮永磁体的共振频率,同时对抗磁悬浮结构的倾斜状态进行了分析,得到了抗磁悬浮结构正常工作时所允许的最大倾斜角度。     

微型抗磁悬浮振动能量采集器输出特性分析

针对目前研究的电磁式振动能量采集器都工作在较高频率的情况,文中研究了一种采集低频环境下振动的抗磁悬浮振动能量采集器。通过Ansoft Maxwell的仿真分析,得到悬浮永磁体周围磁感应强度B的变化规律,确定了感应线圈合理的分布位置,理论分析得到感应线圈匝数及导线横截面半径的最优尺寸。当热解石墨距离悬浮永磁体的位置不同时,系统对外界的频率响应不相同。仿真分析结果表明:当系统受到外界的加速度为6.25 m/s2,频率输入为2~12 Hz,线圈产生最大感应电动势145 m V,最大输出功率为19.7μW。     

微型抗磁悬浮振动能量采集器结构研究与分析

针对微机电系统供电问题,提出一种新型的抗磁悬浮振动能量采集器结构。该结构消除了传统机械悬浮的能量损失,利用提升永磁体与悬浮永磁体之间的磁吸力抵消悬浮永磁体的重力,两个热解石墨薄板与悬浮永磁体之间的抗磁力作为回复力使悬浮永磁体回到平衡位置。通过有限元软件MAXWELL仿真计算,悬浮永磁体的最大活动范围1.3mm;同时,分析了在悬浮永磁体悬浮的范围内磁力的增量与抗磁力增量大小对比,得出了抗磁能量采集器的运动特性和稳定工作的范围为0.7mm。     

抗磁悬浮石墨转子理论分析与实验

提出了一种由钕铁硼永磁体和高定向热解石墨转子组成的抗磁悬浮结构。石墨转子采用四个叶片结构,其重力与永磁体对它的抗磁力相等,从而实现转子稳定地悬浮在永磁体上方,并在外界驱动转矩的作用下发生转动。有限元软件中仿真得到石墨转子的悬浮高度为130μm,与实验测量值吻合较好,仿真误差为1.5%。实验中利用针孔喷嘴向转子叶片处施加切向气流作为驱动转矩,对转子的旋转速度与气流流速的相对关系进行了测试分析,发现转子最大转速可达500r/min。该抗磁悬浮结构有望用于非接触式的微型传感器和微型电机中。     

同轴圆环永磁体磁力计算与实验对比研究

采用等效电流法对同轴圆环永磁体之间的磁力进行建模分析,得到含有广义完全椭圆积分的解析表达式,并使用数值方法对解析方程进行求解,得到模型在任意尺寸下磁力计算结果。通过有限元软件对磁力进行仿真计算,使用模型结果对仿真结果进行预测,得到R2值均大于0.995。最后将模型应用于一种抗磁悬浮能量采集器分析中,对悬浮磁体悬浮间隙进行研究,并将求解结果与实验结果进行对比,15组参数实验的模型计算误差均小于5%,验证了同轴磁体间相互作用力的有效便捷计算方法。通过Matlab求解磁体间磁力的方法,可用于基于磁力作用机理的驱动器和传感器分析与设计。     

横向电磁式振动能量采集器的设计与制作

基于微机电系统(MEMS)设计了一种结构新颖的横向电磁式振动能量采集器,用于把周围环境中振动的机械能转化为电能.该能量采集器主要由两块长方形永磁体、螺旋铜线圈、质量块-弹性梁振动系统及衬底等构成.选用有限元分析软件对器件结构参数进行了仿真分析与优化,并利用电镀技术制作螺旋铜线圈,KOH湿法腐蚀和深反应离子刻蚀(DRIE)技术制作质量块-弹性梁振动系统,然后与永磁体一起组成了体积大约为100 mm3的能量采集器样机.对制作好的电磁式振动能量采集器样机的振动特性测试表明:质量块-弹性梁振动系统的一阶固有频率为241 Hz;在频率为241 Hz、加速度为2.8 ms-2的外界振动激励下,负载两端产生的交流电压峰峰值为9.2 mV.另外调节质量块和弹性梁的参数,还可以得到不同固有频率的能量采集器.该能量采集器实现了从机械能到电能的转化,对无线传感器件的发展和应用很有意义.     

非线性压电式能量采集器

由于非线性技术可使压电式能量采集获得较宽的振动频率和较高的输出电压,本文基于非线性振动研究了一种压电式能量采集器。基于Duffing模型测试得到了非线性压电能量采集器的振动方程,对其振动特性进行了仿真测试。在不同永磁体间距的条件下,测试了非线性压电式能量采集器的开路输出电压,结果表明,当激振台加速度为20m/s2时,该非线性压电式能量采集器的最大输出电压从线性系统输出时的131V提高到208V,最大输出功率为43.264mW,主共振频率变化范围达到18Hz。该Duffing模型的结构可以在小范围内改变非线性压电式能量采集器的共振频率,同时提高其输出电压。     

采用复合磁电换能器的宽带振动能量采集器

采用磁致伸缩/压电层合磁电换能器设计了一种新型的宽带振动能量采集器,采集器由多个悬臂梁、磁电换能器和永磁体组成,将磁电换能器和提供磁场的永磁铁分别与悬臂梁构成具有不同固有频率的弹性结构,从而响应不同频率的机械振动.推导了换能器和永磁体组间磁力作用下能量采集器的动力学方程及其电输出模型;借助磁场分析软件Ansoft's Maxwell研究了影响能量采集器的频率特性及电能输出的因素,为获得最优性能的能量采集器提供设计依据.根据分析设计了振动能量采集装置并进行了实验,实验结果表明:在振动加速度为0.2 g(g=9.8 ms-2)时,当两悬臂梁间频率差为3.6Hz时,振动能量采集器响应频带宽度从单梁结构的0.8 Hz增加到双梁结构的5.0 Hz,负载电阻为1 900Ω时,其上的功率达到最大0.22 mW.     

一种采用复合磁电换能器的振动能量采集器

设计了一种由悬臂梁、磁电换能器和永磁体组成的新型振动能量采集器.环境振动引起换能器与永磁体相对运动,使得作用到换能器的磁场变化,变化的磁场引起换能器得到电输出.理论分析了影响换能器与永磁体相对运动的磁场力和永磁体的非线性运动情况.实验结果表明:在振动激励频率为33 Hz,振动加速度为0.5 g的条件下,输出电压峰峰值45.1 V,输出功率112.1 μW.