旋磁激励式压电悬臂梁发电机性能分析与试验

为满足旋转机械监测系统的自供电需求,提出一种由旋转磁铁与压电梁端磁铁耦合激励(简称旋磁激励)的新型压电悬臂梁发电机。建立磁力冲击载荷作用下压电梁动态响应模型,通过数值分析方法获得转速、载荷作用时间以及周期比(载荷作用时间与振动周期之比)对压电梁动态响应特性(响应波形及放大比)的影响规律。结果表明,低速时属于脉冲激励,压电梁不发生共振,而高速时属周期激励且存在多个最佳转速使放大比最大。此外,周期比给定时存在最佳转速使放大比最大,转速固定时存在最佳周期比使放大比最大、且最佳周期比随转速增加而增加。在此基础上,测试分析旋转磁铁转速/磁铁厚度以及压电梁端附加质量对发电机发电能力及特性的影响规律,证明旋磁激励式发电机原理的可行性及理论分析结论的合理性;此外,通过确定合理的冲击载荷或采用多个具有不同谐振频率压电梁同步工作的方法可有效提高发电机的速带宽度,实现较大转速范围的实时供电。     

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。