钝体摆动间接激励式压电风力发电机的研究

为满足风场环境中传感监测系统的自供电需求,提出一种钝体摆动间接激励式压电风力发电机,利用圆柱形钝体涡激振动产生的往复摇摆带动磁铁间接激励密封腔内压电换能器振动发电.介绍了发电机结构及工作原理,并进行了理论和试验研究,证明了其结构和原理的可行性.研究结果表明:其他条件确定时,输出电压随柔性梁长度和换能器质量增加以及耦合器...     

磁耦合式压电振动发电机的试验与分析EI北大核心CSCD

为提高环境适应性和可靠性,提出一种基于组合换能器的磁耦合式压电振动发电机,该发电机由纵振的耦合器和横摆的组合换能器构成。建立了组合换能器和磁力的COMSOL有限元模型,并进行了仿真分析,获得了组合换能器簧片长度比、厚度比及磁铁间距对发电机输出性能的影响。在此基础上,选取较佳的结构参数(长度比为0.57、厚度比为2),设计制作了样机并进行了试验测试,获得了激励磁铁和受激磁铁间横向距离L_(x)、纵向距离L_(y)、竖向距离L_(z)及负载电阻对发电机输出性能的影响规律。结果表明:激励频率f<20 Hz时,存在两个较佳谐振频率(由小到大分别记为f_(n1)和f_(n2)),使输出电压出现峰值。谐振频率及其所对应的电压峰值均随L_(x),L_(y)及L_(z)的变化而变化,故合理选择激励磁铁和受激磁铁间距可降低f_(n1)、提高f_(n2)及增大输出电压,有效提高发电机的带宽和环境适应性。存在最佳负载电阻使发电机输出功率达到最大,f=11 Hz,R=540 kΩ时所获得的最大输出功率达0.19 mW。     

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)。     

振动式压电发电机的理论模型与实验

为了预测振动式压电发电机的谐振频率和输出功率等参数,Roundy等以悬臂梁末端挠度为自由度,建立了发电机的理论模型,但该模型忽略了质量块中心挠度与悬臂梁末端挠度的差异,在质量块长度较大时有较大误差．为了扩大适用范围,在考虑质量块中心挠度与悬臂梁末端挠度的差异基础上,分别将发电机结构简化为单自由度和二自由度系统,建立了悬臂梁式压电发电机的两个理论模型,其中的单自由度模型以质量块质心挠度为自由度,二自由度模型同时以质量块质心挠度和质量块转角为自由度．为了对模型进行验证,制作了压电发电机并进行了实验．实验结果表明,这两个新模型比Roundv模型的精度更高．     

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。     

随机激励下双稳态压电振动发电机的振动特性

基于双稳态压电振动发电机系统参数的非线性,建立了随机激励环境下压电振动发电机的动力学模型。研究了振源频率改变、振源个数选取和振幅变化对系统输出响应的影响,分析了磁间距变化对系统双稳态特性和输出电压的影响。结果表明:当振源频率或振幅改变时,系统响应表现为小幅周期运动、大幅混沌运动和小幅周期运动。当多个振源激励时,压电振动发电机具有更大的谐振带宽和更高的能量转换效率。当磁间距为3.9 mmd6.6 mm时,系统具有双稳态特性,系统响应表现为大幅周期运动,此时压电振动发电机输出电压值最大。     

压电纳米发电机材料选用和结构设计研究进展

自2006年压电纳米发电机首次亮相以来,各种压电材料都被应用到这一领域,压电纳米发电机的制备工艺和器件结构不断得到优化.同时,研究者们不断利用新方法来开发新的压电材料,以改善压电纳米发电机的性能.而压电材料性能的制约使研究者开始对器件结构进行构思,从常规的平行板结构到多层结构,再到混合器件,都在进行着不断的探索,并取得丰富成果.本文从压电纳米发电机的结构入手,结合其材料、制备方法、性能、特点等,对近年来相关研究成果进行了概述,评价了不同压电材料和不同结构条件下纳米发电机的输出性能表现,分析了压电纳米发电机今后发展面临的问题和发展前景,以期为研制具有多源能量采集能力的压电纳米发电机提供参考.     

压电加速度传感器电激励自校准方法研究

为解决加速度计难以实现定期校准、校准成本高、难以满足长期工作需求等问题,对带有驱动端口的压电加速度传感器的自校准方法进行了研究。利用振动台校准方法以及基于驱动压电元件的逆压电效应,通过对传感器驱动端口电激励可实现驱动压电元件的转换灵敏度测试,并实现加速度计的现场原位校准。将校准结果与振动台校准方法的校准结果进行对比,实验结果表明,在频率范围5～10 000 Hz,自校准灵敏度结果与振动台灵敏度校准结果一致,误差在±2%以内,验证了该方法的有效性。     

激励环境下rainbow型压电换能器发电性能分析

为提高有限体积rainbow型压电换能器的能量收集能力,针对外力和外界位移两种激励环境,通过数值模拟分析了换能器输出电压与结构参数及材料特性的影响关系。结果表明,在外力激励环境中,随着宽度及初始曲率半径的增加,换能器的输出电压单调减小;随着长度和弹性模量比的增加,换能器的输出电压不断升高;随着厚度比的增加,换能器的输出电压将呈现-最大值。在外界位移激励环境中,随着厚度比、长度和弹性模量比的增加,换能器的输出电压不断降低;随着初始曲率半径的增加,换能器的输出电压不断升高;而宽度对换能器输出电压的影响可基本忽略。另外,不论在何种激励环境中,换能器内侧压电薄膜的输出电压都要大于外侧压电薄膜的输出电压。     

参数激励非线性压电梁的振动稳定性

研究了参数激励压电梁的振动稳定性,考虑非线性阻尼的影响,采用Hamilton变分原理推导结构运动方程,采用多尺度法求解稳态响应幅值。通过数值算例分析了电压、轴向力以及非线性阻尼等因素对定常解稳定性的影响。通过分析可见,外加电压与压电层上下表面电势差的差值△V主要影响自变量σ／ω的取值区间,对定常解的稳定性影响较小;梁所承受的轴力越小,定常解稳定区间越大;非线性阻尼的常数项和二次项系数越大,定常解稳定区间越大。     

宽频压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

压电振动能量采集器是一种新型的力(加速度)-电耦合转换输出器件,为了提高单自由度悬臂梁压电振动能量采集器的输出功率和工作频带,通过在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器的方法,构造形成了具有两自由度的宽频压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了宽频压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率并拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压,优化后的短路谐振和开路谐振最大输出功率分别达到4386.5 mW/g2和4263.4 mW/g2。频带宽度达到10 Hz,且是SDOF系统的5倍。     

Bimorph piezoelectric vibration energy harvester with flexible 3D meshed-core structure for low frequency vibration

This paper proposes a bimorph piezoelectric vibration energy harvester (PVEH) with a flexible 3D meshed-core elastic layer for improving the output power while lowering the resonance frequency. Owing to the high void ratio of the 3D meshed-core structure, the bending stiffness of the cantilever can be lowered. Thus, the deflection of the harvester and the strain in the piezoelectric layer increase. According to vibration tests, the resonance frequency is 15.8% lower and the output power is 68% higher than in the conventional solid-core PVEH. Compared to the solid-core PVEH, the proposed meshed-core PVEH (10 mm × 20 mm × 280 μm) has 1.3 times larger tip deflection and the maximum output power is 24.6 μW under resonance condition at 18.7 Hz and 0.2G acceleration. Hence it can be used as a power supply for low-power-consumption sensor nodes in wireless sensor networks.     

基于等效线性化方法的非线性振动能量采集器功率分析

输出功率分析是振动能量采集器结构设计、参数选择的重要依据.有鉴于传统功率分析方法比较复杂,以一类电磁式振动能量采集器为对象,提出了一种新的非线性振动能量采集器功率分析方法,其核心是将非线性振动方程进行等效线性化处理,并借助传递函数开展功率优化分析.首先,考虑非线性磁力以及基尔霍夫电流定律,建立了通用化的采集器1.5自由...     

被动湍流控制圆柱驰振能量收集的等效电路研究

为更好的预测驰振压电能量收获机的性能,首先建立了等效电路仿真模型(ECM)并通过实验验证,最大误差不超过10%。采用该方法分析了被动湍流控制(PTC)下圆柱驰振压电能量收集的仿真模型,且该方法可将驰振能量转化系统的质量-弹簧-阻尼(M-C-K)控制方程中各参数用等效电路的电子元件来表示,从而可以分析过往仿真手段所不能解决的直流电路耦合问题。其次,从能量收集效率角度分析了交流-直流等效电路中临界风速(Ucr)随外接载荷的变化规律,及输出电压与功率随不同风速和外界载荷的变化规律。结果表明,交流电路中Ucr随载荷的增大先增大后减小,直流电路中Ucr随载荷的增大逐渐减小。当风速达到Ucr的最大值时,驰振在任一电阻下均会发生。U≥Ucr时,驰振出现锁定现象,输出电压和功率均随着风速的增大而增大。当风速过大时,增长率有减小趋势。输出电压均随着电阻的增大而增大,功率随电阻的增大先增大后减小。相比于交流电路,直流电路的最佳负载由1.1 MΩ提高到2.0 MΩ,同时功率峰值从0.08 mW降低到0.04 mW。     

Z型梁结构压电式能量采集性能分析

振动能量采集能够将外部环境中的振动能转化为电能,具有绿色可持续、节能环保、设计灵活等优势,在工业、生物、医学、军事等领域具有广阔的应用前景.为使振动型能量采集器适应更为复杂多变的工作环境,提高其采集功率和工作频带,提出一种多梁结构-Z型梁结构压电式能量采集器.理论分析了该采集器的固有振动特性,并通过有限元分析了结构尺寸...     

单悬臂梁阵列式压电能量采集器的研究

根据当前物联网以及无线传感网络的需求,以MEMS技术为依托,结合压电效应,提出了一种单悬臂梁阵列式压电式能量采集器。在分析压电能量采集器结构力学特性的基础上,详细介绍了两种不同尺寸微结构的设计、加工和测试。采用ANSYS软件仿真,得出两种微结构的谐振频率分别为3.9和4kHz;利用溶胶-凝胶法制备出15和20层的PZT压电功能薄膜,电镜扫描其厚度分别为1 849,2 667nm,AFM对比表面形貌其粗糙度分别为1.8和2.11nm,后者致密更好,颗粒较小,相变温度相对比较高。     

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。     

压电微能量采集器PZT厚膜制备及其图形化研究

采用环氧树脂作为中间层的真空键合技术实现体材PZT与硅片键合,再利用机械化学抛光方法将PZT减薄到适当的厚度制备了PZT铁电厚膜,构成了SiO2/Si/SiO2/Epoxy/Ag/PZT/Cr/Cu形式的压电能量采集器悬臂梁结构。基于半导体光刻技术,通过湿法化学刻蚀和切片两种方法实现了PZT厚膜图形化问题,为基于体材PZT厚膜的高性能压电能量采集器的研制打下了良好的基础。     

Nano piezoelectric/piezomagnetic energy harvester with surface effect based on thickness shear mode

BackgroundEnergy harvesters with piezoelectric materials are widely discussed for the new kinds of smart structures. However, reports on the energy harvesters at the nano scale which have large potential applications in the future are rather limited.MethodsIt’s well known that the surface or interface stress can affect the mechanical properties of nanostructures. This work proposes the nano energy harvester with piezoelectric/piezomagnetic structure, in which the thickness-shear mode is considered by the surface stress model.ResultsThe vibration motion and output power density are derived and calculated. The peak value of the power density can be enlarged by increasing the residual surface stress and the surface effect on the nano-plate energy harvester can be influenced by both the surface piezoelectric and piezomagnetic elastic constants. Moreover, the harvesting ability can be improved by increasing the thickness of the piezoelectric layer.ConclusionThe capability of the energy harvester depends on the residual surface stress and the surface material constants. The proposed model provides the possibility of applying nano composite structures to the energy harvester.     

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...