大负载高功率振动能量收集同步整流方法

针对振动能量收集电路整流二极管损耗大、非线性电路控制复杂以及优化负载不高的问题,提出了大负载高功率振动能量收集同步整流与电荷提取方法。通过同步电感翻转电压提高整流电压,采用短时能量提取缩短整流器件导通时间,减小能量损耗,实现高功率能量收集。基于压电等效模型设计了自供电同步整流与电荷提取电路(self-powered synchronous rectification and electric charge extraction,简称SP-SREE),对一个振动周期电路各工作阶段进行分析,推导出SP-SREE电路理论收集功率,并对电路进行功能测试和负载功率特性测试。理论分析与实验对比表明,所提出的方法在大负载下具有更高的收集功率,可为机械振动无线传感器网络等能源受限场景下自供电提供重要参考。

卫星舱体振动能量传递特性分析

将结构声强法引入卫星振动传递分析领域,研究飞轮扰动下卫星舱体结构的振动能量传递规律,辨识主导传递路径和波形。根据等效板理论对舱体结构蜂窝板等效并建立有限元模型,通过测力平台获取飞轮扰动力和力矩进行激励加载,结合命令流进行数据提取,利用结构声强法获得振动能量并将其传递过程以流线云图方式呈现,实验也验证了蜂窝耦合结构振动能量流计算的正确性。通过对模型上能量流动分析,对振源到相机安装区域的传递路径进行划分,对比各路径不同波形的净传递比及振动总能量,分析不同路径上波形参与能量传递情况,确定主要传递路径及波形。结果表明:从左隔板传递到相机区域的总能量最大;4条路径中纵波的净传递比均大于0.68,为参与能量传递的主要波形;振源及相机安装区的弯曲波能量最大,纵波、剪切波起到能量传递及转化的作用。

基于径向充磁的闭合磁路振动能量采集器设计与仿真

针对电磁式振动能量采集器存在漏磁和磁路部分磁感线未穿过线圈的问题,设计了一种基于径向充磁的单自由度振动能量采集器。该采集器设置有衔铁和非导磁部件两部分,这两个部分能够起到闭合磁路、增加磁感线返回磁极轴向距离的作用。这不仅减少了漏磁现象,而且提高了穿过感应线圈的磁感应强度,进而获得更高的感应电压。通过有限元仿真对系统模型进行分析,仿真结果表明:在增设衔铁和非导磁部件后,系统磁路中的磁感应强度、开路电压均有明显提升,最大磁感应强度提高了92%,开路电压增加了近一倍。通过对相关参数进行优化得到:当感应线圈截面高度为14.7 mm、截面宽度为3.2 mm、上下衔铁厚度和中间衔铁宽度分别为12 mm和5.5 mm时,该系统输出功率达到最大,即8.79 W。同时,通过比较径向充磁与轴向充磁振动能量采集器的输出效果,发现在该条件下,径向充磁振动能量采集器输出功率优于轴向充磁的振动能量采集器。

基于结构声强法的离心式压缩机橇座振动能量传递特性

海上橇装离心式天然气压缩机集成度高,易产生振动故障。为探究振动能量在压缩机橇座中的传递特性,降低振动控制成本,将结构声强法应用于橇装离心式压缩机的振动控制研究领域。综合运用自编程序与有限元工具建立了压缩机橇座结构声强场分析模型,结合数据可视化技术,提出了橇座结构声强分析及可视化方法。应用该方法求解并可视化了橇座的结构声强场,研究了橇座中振动能量的传递特性以及机械能与结构声强的定量关系,确定了极限工况下振动能量在橇座中的主要传递路径、振源和振汇。针对精密设备敏感区域,提出了振动控制措施。研究结果表明,压缩机安装区域的结构声强幅值最大,振动能量主要转化为橇座的运动能,振动能量主要沿着橇座宽度和高度方向发散式传递。所得研究成果,在工程领域可为压缩机橇振动控制提供支持,理论方面亦可为板梁复合结构振动能量传递特性研究提供依据。

舰船复合材料轴振动能量传递特性研究

针对舰船复合材料传动轴减振机理尚不清晰的问题,文中构建了某舰船复合材料轴仿真模型,基于功率流法分析了复合材料轴振动能量传递特性,并在此基础上进一步探究了钢法兰-复合材料刚柔耦合界面匹配参数和轴段内复合材料铺层方式对振动能量传递的影响规律。最后通过复合材料传动轴模态试验和振动传递试验验证了仿真模型的准确性。结论如下:刚柔耦合界面对于振动能量抑制有着显著作用,其振动能量的传递随接触面积的增大而降低,而弹性模量比仅影响传动轴固有频率;随着铺层角度的减小及铺层数量的增加,复合材料轴段隔振性能逐渐增加。

基于多模态扩频理论的压电振动能量采集系统

以同时提升多模态采集和增加带宽为研究方向,结合多模态扩频理论,建立了一套多模态宽频且能多方向工作的压电振动能量采集系统。该系统包含能量采集器和电源管理电路两个模块。其中,采集器包括4种谐振频率,组成了较宽的工作频带,保证了该采集器在低频振动工作环境下高效率地收集振动能量;电源管理电路将采集到的交流电转换为稳定的直流电,再对电容或电池等储能元件充电以供微电子器件使用。经过模态和谐响应分析后,搭建了实验平台并对采集系统进行实验测试。实验结果表明,在加速度6 m/s^(2)简谐力激励下,工作频带为16.1~27.8 Hz,输出电压最高可达35.75 V,阻抗匹配后最优阻值为200 kΩ,此时输出功率为115.85μW。

振动能量回收减速带建模与动力学特性研究

为了开发应用振动能量回收减速带,分析振动能量回收减速带参数与汽车悬架参数的耦合特性机理。首先分析了液压式振动能量回收减速带的工作原理;其次,研究了减速带的动态模型激励函数,并建立二自由度车辆—换能器模型,并从换能器的作用机理入手,通过复模态理论分析车辆—换能器的振动模型动力学特性;最后,依据振动能量回收减速带与汽车悬架系统的耦合动力学模型,对采用不同参数的振动能量回收减速带对汽车运动特性的影响进行了分析;并从回收能量潜能大小的角度分析了汽车悬架参数对振动能量回收减速带运动特性的影响。为振动能量回收减速带的设计提供了理论参考。

基于压电螺旋梁的地铁浮置板振动能量收集装置

为解决地铁轨道中振动能量的收集问题,根据钢弹簧浮置板的固有频率,设计了一种基于压电螺旋梁的振动能量收集装置。通过有限元仿真和数字图像相关法试验验证了该装置与钢弹簧浮置板的固有频率匹配情况,并利用扫频试验和落轴试验证明该装置具有振动能量收集能力。研究结果表明,在1~100 Hz范围进行扫频试验,在压电螺旋梁振动能量收集装置共振频率点处,压电片可产生13 V的开路电压,并点亮15个额定电压为1.5 V的发光二极管,落轴试验在落轴高度为20 mm处压电片可产生6 V的开路电压,并点亮10个额定电压为1.5 V的发光二极管,验证了该装置可实现地铁轨道中振动能量的收集,并为低功耗微型传感器供电。

基于局域共振型声子晶体点缺陷态特性的低频振动能量回收研究

针对环境中广泛存在的低频振动控制问题,设计了一种二维三组元的新型局域共振型声子晶体结构。将完美声子晶体结构中一个单胞替换为压电材料以形成点缺陷结构,利用有限元方法对缺陷带的能量局域化特性进行了仿真研究,并探究了超胞大小和缺陷位置对能量回收性能的影响。研究表明,在能量回收系统中引入局域共振型声子晶体结构,可以显著提高系统的能量回收性能;当超胞结构的大小满足足够的周期性时,利用缺陷态回收的振动能量逐渐趋于稳定并达到最大值;在给定的超胞结构中,存在一个最优的缺陷位置,使得系统的振动能量回收性能达到最佳。对于最优的5×7超胞结构,在252.9 Hz处产生的最大峰-峰值电压为243.5 mV,是相同大小的环氧树脂裸板结构在同一频率处产生的输出电压0.64 mV的380倍。该研究结果可为低频弹性波的调控和解决低功耗仪器的自供电提供理论参考。

多方向振动能量收集装置输出特性分析

针对一种压电振动能量收集装置输出特性展开研究,以实现多方向、宽频振动能量收集。首先,建立压电悬臂梁单自由度振动系统的微分方程,分析外激励下悬臂梁的输出响应。在此基础上,采用COMSOL建立多悬臂梁式振动能量回收装置有限元模型,并进行模态、输出电压及输出功率等分析,仿真结果表明振动能量回收装置在不同方向激励时均具有较高的电压、功率输出。此外,进一步讨论了装置的在不同方向激励下宽频输出特性,结果显示其在200~400 Hz频带范围内具有多个幅值相当的峰值。

基于遗传算法的磁互斥振动能量采集器多参数优化方法

为了提高电磁式振动能量采集器的发电效率,为无线传感网络和可穿戴电子设备提供微型、高效、可持续的供电装置,提出了一种基于遗传算法的磁互斥振动能量采集器多参数优化方法。由于多级磁铁同极互斥结构的弹簧-阻尼-质量模型参数复杂,通过将磁铁个数、磁铁长度、线圈相数、各相线圈长度、线圈连接方式的最大发电效率问题描述为遗传算法的多参数优化问题,实现发电效率最大化条件下能量采集器结构参数组合的精确匹配。实验结果表明,参数优化后样机发电性能显著提升,在激励加速度为0.5g、频率为9.5 Hz时,优化前后样机输出电压均达到峰值,分别为2.18和4.86 V。在激励加速度分别为0.3g、0.5g、0.7g时,优化后样机最大输出电压分别为3.68、4.86、6.0 V,最大输出功率分别为9.28、16.18、24.66 mW。

应用于智能包装的横向电磁式振动能量收集装置设计

目的 为了解决智能包装中传感器工作时的无线供能和续航问题,设计了一种横向电磁式振动能量收集装置,用以解决无线供能和续航问题。方法 设计了一种振动能量收集装置,用于收集智能包装在运输途中的振动能量并转换为电能,实现智能包装的无线供能和续航。设计了装置的物理结构,并进行了低频振动模拟实验,通过仿真和实验对比了所设计装置的输出性能。结果 横向电磁式振动能量收集装置的仿真分析结果与实验测试结果基本吻合,在8Hz~10Hz激励频率,1g激励加速度情况下,输出电压均值高1V;在外接电阻为1033Ω情况下,装置的输出功率能够达到0.15mW以上。

多重激励下机匣振动能量传递规律与耦合特性

为了研究机匣振动能量的传递规律和转子多重不平衡激励能量在机匣上的耦合特性,采用有限元法建立了包括压气机机匣、燃烧室机匣和涡轮机匣组件在内的航空发动机整机机匣模型,应用结构声强法计算分析了机匣在不同激励频率下振动能量的传递规律和耦合特性。结果表明:(1)机匣共振时,振动能量的穿透力最强,主要以纵波和剪切波的形式穿过机匣安装边向其他部件传递。(2)机匣的模态振型与其振动能量传递特性有关,振动幅值较大的机匣组件同时也是主要参与振动能量传递的机匣组件。(3)振动能量在机匣上的传递具有解耦特性,多重激励同时作用下的机匣振动能量传递特性可以分解为多个单一激励作用下机匣振动能量的线性矢量和。

基于MEMS技术的三明治型电磁式微振动能量采集器

本文中设计了一种结构新颖的三明治型电磁式微振动能量采集器,主要包括上线圈、下线圈和由永磁体与硅基平面镍弹簧构成的拾振系统.上、下线圈的对称性分布有利于充分利用永磁体周围的磁场从而提高整个器件的机械能-电能转换效率.实验样机主要采用MEMS微加工技术制作,其中的硅基平面镍弹簧采用体硅微加工和微电镀技术制作,双层铜线圈采用微电镀和聚酰亚胺绝缘层技术制作.实验样机的体积约为0.32 cm3.振动特性测试表明,在外界加速度小于8 m/s2时,永磁体振幅随着加速度的增加而增加,在加速度大于8 m/s2以后,振幅几乎不再增加,出现饱和现象.电学特性测试表明,在8 m/s2加速度作用下,单线圈和串联线圈产生的感应电压峰峰值分别为82.5 mV和125 mV,因此,三明治结构的新型设计使得输出电压增加了51.5%.另外,在加速度为8 m/s2、频率为280.9 Hz的外界振动激励下,实验样机产生的最大负载电压和最大负载功率分别为125 mV和13.2μW.

基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望

分析了压电式振动能量捕获原理;针对提高振动能量捕获量和捕获效率这两个目标,对当前国内外在新型压电材料、压电振子性能研究与结构配置及高效电路等方面所作的研究进行了详细论述;指出向微能源器件、集成自供电系统发展和从旋转机械中捕获能量是压电陶瓷振动能量捕获技术的研究前景。

压电磁耦合振动能量俘获系统的非线性模型研究

为了建立压电磁耦合振动能量俘获系统的动力学模型,提出了一种非线性多项式拟合系统的非线性回复力的建模方法。使用微型测力仪直接测得悬臂梁处于不同位置时的非线性回复力,并用多项式进行参数拟合以获得非线性回复力的表达式。根据哈密顿原理、欧拉-伯努利梁理论和压电理论等,建立了考虑非线性回复力的系统模型,由龙格-库塔数值算法仿真后得到系统的非线性输出特性。研究结果表明,该模型具有参数求解简单、计算量小、无需直接求解磁场力等优点,能够描述非线性宽频能量系统的跳跃频率、最大电压和有效频带等关键设计参数,为压电磁耦合振动能量俘获系统的机理研究奠定了理论基础。

多方向宽频磁电式振动能量采集器

针对目前振动能量采集器只能拾取环境振动中一个方向的能量，以及响应频带较窄的问题，提出并设计了一种由弹性圆柱悬臂梁、环形磁路和复合磁电换能器组成的多方向宽频带振动能量采集器。圆柱悬臂梁具有在其横截面内沿任意方向振动的特性，同时，借助磁力耦合，使任意方向振动具有非线性的特点，从而采集器实现多方向宽频带振动能量拾取。理论推导了磁力作用下圆柱悬臂梁的非线性动力学方程，以及电压输出模型；借助磁场分析软件AnsoftMaxwell分析了矩形、圆形和环形永磁铁分别组成3种磁路的磁场分布，研究了不同磁路中磁力、磁场强度及其变化量等因素对动力学方程和电压输出的影响，为获得更优性能的采集器提供了设计依据。实验结果表明：在5．88m／s。的加速度下，具有环形磁路的采集器能够拾取0°～180°多方向的振动能量，各个方向响应频带宽度达到4．4～5．6Hz；负载电阻为3MQ时，采集器输出0．5mW的最大功率。

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3.6 Hz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。

微型电磁式振动能量采集器的结构设计与仿真研究

随着大规模集成电路、无线传感网络的发展和对微机电技术研究的逐渐深入,基于微机电系统(MEMS)技术的微型电源具有广阔的应用前景。作为微型电源的一个分支,微型电磁式振动能量采集器可将环境中普遍存在的振动能转换为电能,从而可以长期有效的为传感器件供电。简单介绍了电磁式振动能量采集器的物理模型和工作原理,研究了在正弦激励下采集器的振动特性,分析了采集器结构的固有频率与振动形式,并利用有限元法对结构进行优化,提出了一种复合式振动能量采集器结构并进行了仿真研究,该结构与传统单一永磁体结构相比,输出电压显著提高。

多方向压电振动能量收集装置及其优化设计

为实现对不同方向环境振动能量的收集,提出一种新颖的多方向振动能量收集装置的设计结构,装置的换能部分采用了一种Rainbow型压电结构。为提高多方向振动能量收集装置收集能量的效果,以多方向振动能量收集装置输出的总电能为目标函数,综合考虑金属弹性基片的强度、装置振动的固有频率及装置的尺寸空间要求等多种因素,采用序列二次规划法对能量收集装置的结构参数进行了优化。该多方向振动能量收集装置经过优化后,在Y向激励时,其输出的总电能为37.146μJ,比优化前提高了30.82%,当沿装置体对角线方向激励时,结构装置输出的总电能为58.715μJ,比优化前提高了29.24%,装置的能量收集效果得到了明显提高。分析结果为多方向振动能量收集装置的设计、制造及应用提供了技术依据。