宽带压电振动能量收集器结构设计与实验验证

为了收集环境中随机振动的能量,提出谐振频率和带宽皆可调的压电振动能量收集方法.通过调节止挡块的高度,振动能量收集器可以达到自由、碰撞和预紧3种工作状态.根据3种工作状态,建立振动数学模型,利用有限元和MATLAB软件仿真振动能量收集器的输出性能.加工L型四悬臂结构的大尺寸原理样机,在1g激励加速度下,测试自由、碰撞和预紧3种结构下的电压输出与频率的关系.实验结果与建模仿真结果表明,碰撞振动模式比自由和预紧模式有更好的能量收集效果,结构的非线性刚度对能量收集器的谐振频率和带宽有显著影响.     

复合梯形压电悬臂梁能量收集器的特性研究

为了拓宽压电能量收集器的工作频带宽度并改善低幅值激励频率条件下的能量收集效率,本文将梯形悬臂梁应用到多悬臂梁压电能量收集器结构设计当中。依据梯形悬臂梁的尺寸及末端附加质量,通过双压电晶片与弹性基梁的等效化处理,计算和推导了系统的共振频率和传递函数,从而建立单梯形悬臂梁横向振动的数学模型,在此基础上分析推导了复合梯形压电能量收集系统模型。研究结果表明:复合梯形悬臂梁结构有效地拓宽了工作频带,更容易实现与环境振动频率的匹配共振从而提高发电效率。本文研究为优化多悬臂梁能量收集器的设计和应用具有重要的借鉴意义。     

压电振动能量采集器的性能分析与功率优化

为了预测压电振动能量采集器的输出特性,优化输出功率,以压电双晶片串联型振动能量采集器为研究对象,综合考虑结构与电路耦合因素,利用有限元法和ANSYS软件建立压电振动能量采集器的有限元机电耦合动力学模型和网格实体模型.分析在外力激振条件下负载电阻对压电振动能量采集器的振动特性和电输出特性的影响,得到不同负载电阻下压电能量采集器的振动特性和电输出特性曲线.通过调节负载电阻使之与能量采集器的阻抗匹配,实现了对能量采集器输出功率的优化,得到了优化的负载电阻和输出功率.研究结果表明,采用压电能量采集器能够输出大的开路电压、大的短路电流,优化后的开路和短路谐振时的最大输出功率分别达到57.81和55.12 W.     

基于波纹梁的两自由度低频振动能量收集装置

为改善压电式振动能量收集装置固有频率高、能量收集效率低等问题,设计了一种基于波纹梁式压电振子的两自由度振动能量收集装置,并通过理论建模和数值仿真分析其能量收集特性。分析结果表明:与传统的单自由度和两自由度压电振子相比,含有波纹梁的压电振子的固有频率最低,且前五阶固有频率均为0~60Hz;其中,第四阶固有频率为45.92 Hz,比单自由度压电振子低419.9Hz,比传统两自由度压电振子低55.1Hz。同时,在相同条件下波纹梁式两自由度压电振子输出的电压最大,可达到28V。     

油气悬架车辆振动非线性特性分析与仿真研究

建立了二自由度汽车油气悬架系统模型,分析了油气悬架和车身模型的非线性特性。运用AMEsim仿真软件,通过模型对不同的激振频率的时域和频谱响应分析,验证了油气悬架非线性振动模型的正确性。结果表明振动状态不稳定是由于系统产生了接近激振频率分数或整数倍的频率分量,这些频率分量使得系统产生了亚谐波或超谐波共振。     

钝体-压电片风致振动能量收集优化试验

对不同参数的钝体-压电片系统进行了风洞试验,分析了钝体形状、质量和压电片长度对钝体风致振动响应及其能量转换特性的影响,验证了驰振理论模型。试验结果表明,相比梯形柱、圆柱和三角柱,方柱起振折减速度低、振幅响应大、能量输出高,其振幅、输出电压和功率最大分别能达到5D、0.55 V和0.378μW。质量增加引起结构阻尼比增大,从而临界折减速度增大,能量收集效果变差。随着压电片长度的增大,系统的能量输出增大,当压电片长度为3.5D时,系统能量收集效果最佳。     

强化现象启发的随机振动能量收集器优化设计

为了使宽带振动能量收集器件的平均输出功率最大,以压电型随机振动能量收集器件为研究对象,系统讨论优化设计问题.通过建立器件随机响应与输出功率统计量的解析表达式,证实了平均输出功率的局部强化现象.讨论给定激励点位置时,压电片布置位置和压电片尺寸的优化,讨论最优尺寸随激励作用点和激励带宽的变化关系.研究表明:激励作用点及对称位置是布置压电片的较好位置,压电片的最优、次优、最差、次差位置相隔很近;为了得到最大的输出功率,压电片尺寸应略大于最优尺寸.     

同步电感提取技术在压电风能采集装置中的应用

虽然同步电感能量提取技术(SSHI)能够显著提高压电能量采集装置的采集效率,但需要额外的位移传感器对压电片的动作状态进行检测,在压电片发生复杂形变时此方法不适用。为了提升俘能电路在非线性激励下的工作效率,本文基于小旗式压电风能采集装置,设计了一种新型自供电、自感知式同步电感能量采集接口电路,该电路可以根据压电片输出的电压判断压电片的形变量,实现同步电感开关的自动控制。同时,利用Multisim电路仿真软件,对标准接口电路及新型接口电路进行仿真分析。仿真结果表明,新型接口电路能够有效提高俘能电路在非线性激励下的能量俘获效率,与传统俘能电路相比,新型俘能电路可以使输出功率提升30%。该研究为非线性俘能电路的设计提供了理论依据。     

谐波激励下变压器振动特性分析

随着特高压直流输电以及晶闸管整流设备的全面发展,电力系统谐波出现并流入变电站,使变电站中电力变压器出现非正常工作状态,影响其稳定运行.谐波注入使变压器铁心硅钢片的磁特性包括磁化特性和磁致伸缩特性畸变,由于变压器铁心振动主要来源于交变磁场下硅钢片的磁致伸缩,因此谐波下磁致伸缩特性畸变会直接导致变压器振动特性异常.然而,对于这种谐波激励下变压器的异常振动特性,目前未见相关报道.本文在考虑磁致伸缩效应和麦克斯韦电磁应力的基础上,研究谐波入侵对变压器振动特性的影响.首先对叠加不同3次谐波磁场下取向硅钢片样片的磁化特性以及磁致伸缩特性进行测试;然后,根据测试数据建立单相变压器三维磁-机械耦合数值模型并进行空载下变压器振动仿真;根据仿真结果,分析谐波对变压器铁心应力分布、振动加速度及其频谱的影响,为分析变压器在谐波工况下振动特性奠定理论基础.     

压电微喷驱动振子振动的理论分析

压电驱动振子是由压电材料层和单晶硅层复合而成.以压电微喷驱动振子为研究对象,根据压电本构方程和弹性薄板弯曲理论,应用能量法对其进行了理论分析,建立了周边固支条件下压电驱动振子振动的理论模型,推导求解了驱动振子一阶固有频率及位移函数,MATLAB编程计算结果与ANSYS软件仿真结果误差为6.6%,表明了二者的一致性.分析了激励电压及压电驱动振子结构参数对轴向振动位移的影响,研究结果可为压电微喷液滴发生器的设计及控制提供理论依据.