一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器EI北大核心CSCD

为满足气流管道监测系统的自供电需求,提出一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器。建立了俘能器的理论模型并进行了仿真分析,设计制作了样机并进行了试验测试,获得了磁铁排布、附加质量、压电振子串并联及负载电阻对其输出特性的影响规律。结果表明:在其他条件确定时,存在多个较佳气压使输出电压出现峰值,主频峰值的大小和分频的位置均与激励磁铁排布有关;通过附加质量可以调节最佳气压和输出电压峰值,采用多个不同附加质量的压电振子串联或并联可以拓宽俘能器的气压适应范围;存在不同的最佳负载使多个压电振子串联和并联时俘能器的输出功率达到最大,最佳负载及其所对应的最大输出功率分别为(40 kΩ,41 mW),(15 kΩ,50 mW)。     

涡激振动型水力复摆式压电俘能器的仿真与实验研究

针对低速水流的能量收集问题,提出了一种复摆式涡激振动压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁与尾端圆柱平行连接组成,具有免予封装绝缘,振动响应大,易于在低速水流中产生涡激共振等优点。通过流-固-电耦合仿真分析和实验测试的方法,研究了水流流速对复摆式压电俘能器振动和俘能的影响规律。结果发现,俘能器的输出功率随负载电阻先增大后减小,存在最优电阻可使俘能器的输出功率最大。俘能器的振动幅值和功率输出均随流速的增大而先增大后减小,在涡激共振处出现最大值;振动频率整体随着流速的增大而增大,但在涡激共振区域,由于"锁定",俘能器的振动频率基本保持在俘能器的固有频率处。俘能器输出功率随圆柱直径的增大而增大,但涡激振动速度也相应的提高。     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究,研制了一套悬臂梁压电振子发电系统.设计了悬臂梁压电振子,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试.在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究.研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大.输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在-个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大.利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50 kΩ时,压电振子输出电压为7 V;当负载电阻为15 kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4 mW,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求.     

压电-电磁复合振动俘能器的耦合负载特性及俘能性能

基于环境振动的俘能装置作为自供能微电源可以有效避免对外部电源的依赖。提出了一种新型的两端固支式低频压电-电磁复合振动俘能装置。理论推导了复合俘能系统的耦合动力学模型及俘能性能方程。利用搭建的实验平台分别研究了单一压电式、单一电磁式以及复合俘能装置不同激励加速度、频率以及两个支路不同外接负载下的耦合负载特性及俘能性能。实验结果表明:在基础振动加速度0.5g,压电、电磁支路外接最佳匹配阻抗50kΩ和30Ω的条件下,压电俘能支路,电磁俘能支路以及复合俘能装置最大谐振俘能输出功率分别为1.05,7.18及8.23mW。与单一形式的俘能装置相比,提出的复合俘能器提高了俘能效率,并具有一定的宽频俘能特性。     

旋磁激励式圆形压电振子发电机

为满足旋转机构监测系统自供电需求,设计旋磁激励式圆形压电振子发电机,并着重研究磁铁尺寸、磁铁间距、压电振子厚度等对压电振子一次受激产生的最大输出电压及总能量的影响规律。结果表明,其它条件确定时,增加磁铁尺度或减小磁铁间距均可有效提高发电机输出电压及有效速带宽度。试验获得输出电压大于12 V的转速范围为100~2 850 r/min。压电振子厚度对输出电压及总发电量均有较大影响,低转速时采用薄压电振子、高转速时采用厚压电振子有助于提高发、供电能力。0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm厚压电振子最佳转速分别为707.5 r/min、1 301.8 r/min、2 490.4r/min,0.2 mm厚压电振子一次受激产生的电能/功率分别为0.4 mm、0.6 mm压电振子的3.1/1.7倍、6.4/2.0倍。以输出5 V供电电压为例,912 r/min时0.4 mm厚压电振子输出电能为0.6 mm厚压电振子的5倍,1710 r/min时0.6 mm厚压电振子的输出电能为0.4 mm压电振子的1.7倍。     

磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器发电性能试验研究EI北大核心CSCD

针对线性的压电振动俘能器俘能频带过窄,输出较低等问题,提出了一种磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器。俘能器由带永磁铁的I型压电梁和L型压电梁组成,可通过调节两永磁铁间的水平距离,得到不同的非线性磁力耦合效应。试验结果表明:存在最优电阻使压电俘能系统的输出功率最大;对比无磁力系统,磁力耦合的I-L组合压电梁俘能器共振频率发生了明显的偏移:I型压电梁向左偏移,L型压电梁向右偏移,拓宽了系统的俘能频带;当激励加速度为0.2 g水平距离为20 mm、激振频率为18.4 Hz时,俘能器最大可得到1.2 mW的输出功率。     

压电双晶连接形式对振动发电机力电输出特性的影响

为了分析压电双晶体连接形式对振动发电机力电输出特性的影响,并有效改善发电机综合性能,考虑发电机机械端的力-电耦合与电路端的电-电耦合作用,利用压电本构方程建立了双晶压电悬臂式振动发电机的有限元分析动力学方程,利用ANSYS软件建立了相应的有限元机电耦合分析模型,对比分析了在相同外力激振条件下,压电双晶不同连接形式对发电机输出力特性(末端振动速度)和电特性(电压、电流和电输出功率)的影响。最后,对两种类型发电机的电输出功率进行优化分析,得到了压电双晶不同连接形式时发电机的优化负载电阻和最大输出功率。研究结果表明:串联型振动发电机的优化负载电阻是并联型发电机优化负载电阻的4倍;串联型发电机具有较大的输出电压,压电双晶并联型振动发电机具有较大的输出电流,但两者具有相同的最大输出功率。     

单压电片悬臂梁式压电俘能器效能分析

以线性压电理论为基础,建立了单压电片悬臂梁式压电俘能器的输出功率与压电结构的构型、驱动频率以及外载荷阻抗等物理参数之间的解析关系。数值计算结果表明,优化负载阻抗、金属层厚度以及金属层材料可有效提高俘能器的俘能效率。文中还将单压电片悬臂梁式压电俘能器与双压电片悬臂梁式压电俘能器进行了对比,理论分析结果表明当外界机械振动的频率较稳定时,前者具有更高的俘能效率。     

聚丙烯压电驻极体的振动能量采集研究

以线性聚丙烯(PP)为原材料,经压缩气体膨化处理和电晕极化处理后,使其具有压电效应,并将其应用在振动能量采集器中。结果表明,PP压电驻极体在厚度方向上的弹性模量和机械品质因数(FOM,d33·g33)分别为1.7 MPa和8.4GPa~(-1),利用面积为3.14cm~2单层膜进行能量采集,当振子质量为25.6,33.7和57.7g时,其共振频率分别为2 300,2 000和1 800 Hz,在各自的匹配负载条件下,获得的输出功率分别为10.1,13.2和16.9μW/g~2。将两片PP膜电学串联,当振子质量为33.7g时,在共振频率1 400Hz和匹配负载4.3 MΩ的条件下,可以获得的输出功率为15μW/g~2。     

带状附加物放置角度对流致振动与振子俘能特性影响研究

流致振动普遍存在于工程领域与自然界,由于复杂性和多学科交叉的特点,流致振动一直是学界研究热点之一,利用被动湍流控制(passive turbulence control, PTC)来增强流致振动的俘能技术更是受到了广泛关注。该文章在光滑圆柱上放置不同角度的对称带状方形附加物,试验得到了振子的振幅、振动频率、输出功率、能量转换效率和振子升力系数,进一步揭示了被动湍流控制增强流致振动的机理。研究结果表明：PTC圆柱振子的最大振幅为2.0D,是光滑圆柱振子最大振幅的5倍;最大输出功率达0.44 W,是光滑圆柱振子最大输出功率的14倍。这说明合理的配置附加物的放置角度,可以使振子的振动由涡激振动(vortex-induce vibration, VIV)发展为驰振,同时获得较高的输出功率和能量转换效率,为利用流致振动进行能量转换和收集提供了必要的理论指导和技术支撑。     

线形-拱形组合梁式压电俘能器振动特性研究

为揭示线形?拱形组合梁式双稳态压电俘能器系统参数对其动力学响应特性影响规律,利用磁化电流法及广义Hamilton 变分原理,分别建立压电俘能器非线性磁力模型及系统分布式参数模型;采用谐波平衡法对俘能系统响应特性进行分析,讨论不同磁铁间距、激励幅值、负载阻抗等参数对系统幅频响应及输出功率的影响规律,并进行实验验证。研究结果表明：组合梁式双稳态压电俘能系统幅频响应存在跳跃、多解现象,通过改变磁铁间距及激励幅值可调节不稳定区域范围;外界激振频率是影响系统最优阻抗的关键因素,磁铁间距及激励幅值对其影响不显著。当系统磁铁间距d 取16mm,激励频率f取16.2Hz,最优阻抗R 取5.6MΩ,激励幅值A 取1.3g时,系统最大输出功率约为43.4μW。研究结果为双稳态压电俘能器优化设计及工程化应用提供理论依据。     

电极配置对悬臂梁压电振子发电能力的影响

研究了带末端质量块的悬臂梁压电振子多模态振动时的应变分布特点,针对压电陶瓷表面电极配置对压电振子输出电压的影响关系进行压电-电路耦合有限元分析,并建立悬臂梁压电振子发电测试系统,对工作在一阶和二阶谐振频率附近处的压电振子分段电极和连续电极输出功率进行对比分析。研究结果表明,一阶谐振时分段电极的峰值输出功率与连续电极相接近,二阶谐振时分段电极的峰值输出功率增加了900%。相比于连续电极配置法,分段电极配置法可有效提高压电振子在高频振动时的发电能力。     

磁铁夹持式压电俘能器输出性能分析与试验

为满足旋转机械监测系统的自供电需求,针对旋转式压电俘能器存在可靠性低和频带窄的问题,提出一种磁铁夹持式压电俘能器。利用MAPLE仿真软件建立了俘能器动态响应模型,通过仿真分析和试验研究得出了磁铁夹持具有调频的作用。研究结果表明:存在最佳转速使俘能器峰值电压最大,且谐振峰数及最佳转速随动磁铁数增多而减小;随着动磁铁数的增多,激振力的表现形式会由一般周期激励变为简谐激励,最后变为偏置的简谐激励;当动磁铁数为4时,改变中心距L和夹持间距D便可间接改变俘能器系统等效刚度,实现其谐振频率的调节:当L为0,2,4mm时,俘能器出现最大峰值电压所对应的激励频率分别为46.4,38.4,31.2Hz;当D为1,4,7mm时,最大峰值电压所对应的激励频率分别为46.4,38,36Hz,拓宽了俘能器的有效工作频带。此外,在动磁铁数为4,L为0,D为1mm和转速为666r/min时,存在最佳负载400kΩ使俘能器输出功率达到1.3456mW。     

液压流体吸振器用圆形压电发电装置的建模与性能分析

提出一种用于液压流体吸振器的压电发电装置。为提高所用圆形压电振子的发电能力,获得最优的结构及材料性能参数,利用板壳理论建立了固支边界条件下的位移曲线及发电量的理论分析模型,研究了半径比(陶瓷/基板)、厚度比(陶瓷/总厚度)及弹性模量比(基板/陶瓷)等对其发电能力的影响规律。研究表明,在压电振子材料确定时,存在最佳的半径比和厚度比使其发电能力最大;在压电振子结构尺寸确定时,存在最佳的弹性模量比使发电量最大,且厚度比确定时的最佳弹性模量比与半径比无关、半径比确定时的最佳弹性模量比随厚度比的减小而降低;减小弹性模量比有助于提高压电振子的发电能力。铝基板及铍青铜基板压电振子的最佳半径比/厚度比分别为0.45/0.45和0.585/0.60,最大发电量分别为1.146 43×10-4J和1.018 93×10-4 J。     

双自由度磁悬浮式轨道车辆振动俘能器的研究EI北大核心CSCD

提出了一种双自由度磁悬浮轨道车辆振动俘能器,该俘能器安装于轨道车辆转向架处,与单自由度磁悬浮轨道车辆振动俘能器相比振动能量收集效率得到显著提高。建立了双自由度振动俘能系统的物理以及数学模型,并对其动力学特性进行了分析,运用龙格库塔法计算得到双自由度俘能系统在简谐振动激励和轨道车辆垂向振动激励下的振动特性和输出功率并与单自由度俘能系统进行对比,研究结果表明:双自由度俘能系统共有两个共振峰,拓宽了俘能器的工作频带范围,通过改变尺寸参数可以提升系统针对目标频率的俘能效率;在简谐激励和轨道车辆振动激励下双自由度俘能系统的输出功率是单自由度俘能系统的1.5倍,能够高效俘获轨道车辆的振动能量。     

基于磁性液体的磁浮式振动俘能器系统建模与输出性能分析

针对现有振动俘能器输出功率低、工作频带范围小等问题,提出了一种基于磁性液体的非线性磁浮式振动俘能器新型结构。提出新型俘能器的结构形式,分析其工作原理,建立磁偶极子非线性力学模型,对比仿真结果与试验数据,验证其准确性;分析磁性液体的二阶浮力和黏性阻尼,建立其数学模型,运用多尺度变换方法求解俘能器动力学方程的近似解,进而获得输出性能响应模型;分析三类系统结构参数和激励加速度变化对俘能器输出性能的影响,对比了有无磁性液体时俘能器的输出性能。结果表明：磁铁间距、悬浮磁铁与磁性液体的总质量和激励加速度能有效地改变俘能器的工作频率范围和输出功率幅值,而阻尼比主要影响输出功率幅值。新型俘能器输出电压峰峰值和输出功率峰值分别达到426.88 mV和0.56 mW,增加磁性液体后输出电压和功率分别提升了22.67%和75%,对比其它低频振动俘能器,具有较优的输出功率特性。新型磁浮式俘能器的结构形式与建立的动力学模型能为拓宽此类俘能器工作频带范围和增强输出功率性能提供新的解决思路,具有良好的参考价值。     

Cymbal压电发电换能器有限元分析

通过建立Cymbal压电发电换能器的机电耦合有限元分析模型,计算分析了换能器结构参数对输出电压和谐振频率的影响以及外接负载对Cymbal换能器输出电压和输出功率的影响。研究表明,为了降低换能器的工作频率和提高换能器的输出电压,应增大换能器的空腔底部直径和减小换能器的空腔高度;在选择金属端冒和压电陶瓷厚度等参数时,应综合考虑换能器系统的刚度和外界振动源的频率特性和加速度特性;在任意一个频率点上,Cymbal换能器均存在一个最佳的外接负载,使得换能器的输出功率最大,而这个最佳的负载阻抗就等于Cymbal换能器在这个工作频率点上的输出阻抗。文中还提出并分析了基于外加预应力的多振子级联方式Cymbal压电发电换能器系统的结构。     

压电液压隔振器的能量回收特性分析与测试

为实现高性能的振动主动控制、振动能量回收以及基于能量回收的自供电半主动振动控制,提出一种压电液压隔振器．基于实际流体的可压缩性,建立了压电液压隔振器的能量回收系统模型并进行了模拟仿真分析,获得了相关要素对发电量的影响规律．结果表明,压电液压隔振器的发电能力随系统背压及液压缸振幅的增加而增加,且存在最佳压电振子直径、厚度以及直径一厚度比使发电量最大．采用嘶0×1．6mm。单晶压电振子及@16×100mm3液压缸制作了试验样机,并以水为工作介质进行了不同频率、背压、激振器振幅条件下的试验测试．试验所获得的压电液压隔振器的最佳工作频率仅为6Hz,可用于低频振动能量回收．在频率为6Hz、激振器输入电压为9V、背压为0．4MPa时,发电量为2．42mJ;当其他条件相同,背压为0．4MPa时的发电量约为无背压时的20倍．     

基于宽频-多模态的复合俘能器的解析模型与实验研究

为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量和非线性。基于此混合振动俘能器建立了改进型连续体机电耦合解析模型,并由龙格-库塔算法进行了求解。在此基础上,研制了振动俘能器原理样机,并搭建了实验系统,通过实验和解析评估方法完成了单一式和复合式俘能器性能比对和评估;研究表明,所研究的混合型振动俘能器相对常规振动能量俘集原理可实现较宽的频率范围及多模态振动能量俘集,且能量俘集效率明显提高,具有较好的应用前景。     

参数和直接激励下附加端部质量块悬臂梁压电俘能器的多尺度法非线性分析

考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件,通过Hamilton变分原理,建立了一个附加端部质量块悬臂梁压电俘能器在受到参数和直接激励下的非线性机电耦合的运动微分方程。压电俘能器为压电双晶片悬臂梁结构。利用Galerkin法,非线性机电耦合的偏微分方程被降阶为非线性机电耦合型Mathieu-Duffing方程。为了研究俘能器在其主要的一阶共振情况下的响应,采用了多尺度法获得了梁的位移、输出电压和输出功率的解析表达式。利用解析表达式研究了参数激励和直接激励共同作用下阻抗,阻尼系数和端部质量块等对压电俘能器性能的影响。