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。

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。

微型电磁式振动能量采集器的研究进展

随着低功耗无线传感网络和微机电系统的迅速发展,供电问题正成为它们进入实用化、产业化的一大障碍。现有的一个解决方案是微型电磁式振动能量采集器。首先给出电磁式振动能量采集器的工作原理、物理模型和设计原则,然后详细介绍目前国内外各研究小组研制的电磁式振动能量采集器的几何模型、结构参数、输出结果和技术特点,最后简单分析电磁式振动能量采集器面临的困难、挑战和发展趋势。

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。

宽频压电振动能量采集器的实验研究

为改善线性单频谐振式压电振动能量采集器的输出性能,研制了双自由度宽频压电振动能量采集器样机模型,搭建了样机实验测试平台,研究了系统刚度比和负载电阻等参数对能量采集器输出性能的影响。通过调节系统刚度比,不仅可以拓宽压电振动能量采集器的工作率带,还提高了压电振动能量采集器的输出电压和输出功率。结果表明:在基础振动加速度为40m/s^2和负载电阻为471kΩ条件下,双自由度宽频压电能量采集器的工作频带是单频系统的7倍,最大输出功率是单频系统的4.5倍。

多稳态压电振动能量采集器的动力学模型及其特性分析

提出了一种双线性弹性元件耦合的多稳态压电振动能量采集器,利用线性弹性元件的大变形引起采集器结构几何构型的变化,使采集器产生单稳态、双稳态和三稳态等非线性振动特性,达到提高能量采集器输出性能的目的。建立了双线性弹性元件耦合压电振动能量采集器的非线性恢复力模型,基于该模型,利用Rayleigh-Ritz模态分析法和能量守恒原理建立了能量采集器的集总参数机电耦合动力学模型,通过对动力学模型无量纲化处理后,仿真分析了系统参数对能量采集器的静力学特性(如非线性恢复力、势能、静态平衡点及其分岔)和动力学特性(振动位移、速度、相图、采集电压等)的影响。有限元计算结果验证了该仿真分析结果的正确性。研究结果表明:系统参数α=β≠0时能量采集器表现出光滑连续的单稳态、双稳态和三稳态等动力学特性,其中双稳态和三稳态振动时的能量采集输出功率比线性能量采集器高。

带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器

针对带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器,利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法建立了压电振动能量采集器的机电耦合分布参数模型。重点分析了激励频率Ω≥1时系统质量比、刚度比、磁铁对间距等参数对系统输出性能的影响。研制了压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验测试了压电振动能量采集器的输出性能。研究结果表明带弹性放大器的压电振动能量采集器是一个非线性双自由度系统,具有两个双稳态运动区域;在激励频率Ω≥1时压电振动能量采集器需要较大的激励能量才能进入大幅值周期振动状态。

微型电磁式振动能量采集器的设计和电磁特性仿真研究

为了设计出结构合理、性能优良的微型电磁式振动能量采集器,利用Ansoft Maxwell软件对模型的结构参数和输出电动势之间的关系进行有限元仿真,分析发现:随着圆形永磁体厚度、悬臂梁振幅的增加及悬臂梁和永磁体间距的减小,输出电动势逐渐增加;在永磁体半径不断增加的过程中,输出电动势会出现一极大值。根据优化原则设计出结构参数如下的模型:圆形SmCo28永磁体厚度为1 mm,半径为2 mm,悬臂梁振幅为1 mm,永磁体和悬臂梁之间的距离为1.02 mm。该模型的最大输出电动势为26 mV,最大输出功率为5.633μW。

横向电磁式振动能量采集器的设计与制作

基于微机电系统(MEMS)设计了一种结构新颖的横向电磁式振动能量采集器,用于把周围环境中振动的机械能转化为电能。该能量采集器主要由两块长方形永磁体、螺旋铜线圈、质量块-弹性梁振动系统及衬底等构成。选用有限元分析软件对器件结构参数进行了仿真分析与优化,并利用电镀技术制作螺旋铜线圈,KOH湿法腐蚀和深反应离子刻蚀(DRIE)技术制作质量块-弹性梁振动系统,然后与永磁体一起组成了体积大约为100mm3的能量采集器样机。对制作好的电磁式振动能量采集器样机的振动特性测试表明:质量块-弹性梁振动系统的一阶固有频率为241Hz;在频率为241Hz、加速度为2.8ms-2的外界振动激励下,负载两端产生的交流电压峰峰值为9.2mV。另外调节质量块和弹性梁的参数,还可以得到不同固有频率的能量采集器。该能量采集器实现了从机械能到电能的转化,对无线传感器件的发展和应用很有意义。

MSMA振动能量采集器的设计与实现

采用智能材料磁控形状记忆合金(MSMA)将机械振动能量转换成电能为无线电子设备供电已备受关注。该文利用MSMA的维拉利效应(逆磁致伸缩效应)分析了MSMA振动能量采集器工作原理,计算并确定了振动能量采集系统的磁轭、线圈、保护系统、固定装置的尺寸和性能参数。利用ANSYS软件对系统进行了仿真,验证了各部分结构参数和材料选型的正确性。在此基础上,设计制作了MSMA振动能量采集器样机,搭建了MSMA振动能量采集器实验平台,进行了振动力激振实验,得到了在不同输入频率和应力大小条件下感应电压的输出曲线,实验和仿真结果表明,利用MSMA材料可将机械振动能量转化为电能,为振动能量收集利用提供了参考依据。

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

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,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度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,并能拓展其工作频带;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。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。

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55.12W.

高体积优值系数振动能量采集器的设计与性能测试

小尺寸振动能量采集器通常难以高效采集低频振动能量。为提高能量采集效率,设计了一种高体积优值系数磁电式能量采集器。采用集总参数等效磁路模型对其换能系统的部分结构参数进行了优化,以提高感应线圈运动区域中运动方向上的磁链梯度,通过有限元分析验证了解析模型和理论结果。最后分别制作了3台不同参数的样机进行实验。实验结果表明,振动激励频率22.5 Hz、加速度幅值为100 mg时,经过参数优化的振动能量采集器能够在匹配负载上输出0.748 mW的平均功率,相应的体积优值系数达到了1.11%,优于其他两台样机在各自共振状态下的0.31%和0.77%。研究表明,通过合理优化磁电换能系统磁路,能够提高能量采集器的体积优值系数,是低频振动能量采集器小型化的一种实现途径。

双自由度磁悬浮式桥梁振动能量采集器数值仿真和优化

提出了一种能利用桥梁振动能量为传感器持续供电的双自由度磁悬浮振动能量采集器(TMEH),该系统的能量采集效率远高于传统单自由度磁悬浮振动能量采集器(SMEH).推导了TMEH系统的运动控制方程和机电耦合方程;建立了TMEH的多目标优化模型,提出了基于NSGA2算法的能量采集器参数优化设计方法;最后将TMEH和SMEH在简谐振动激励和桥梁随机振动激励作用下的响应特性和能量采集效率进行了对比.研究结果表明:1)通过NSGA2算法优化设计,TMEH能获得更宽的采能带宽和更高的输出功率;2)TMEH比SMEH的采能效率有明显提高.在简谐振动激励和桥梁随机振动激励作用下,TMEH的输出功率比SMEH增加了约2倍.

LTC3108在MSMA振动能量采集器中的应用

为将磁控形状记忆合金振动能量采集器收集到的微弱交流电,转化为可以向无线传感器网络系统供电的稳定直流电,采用LTC3108芯片,设计磁控形状记忆合金振动能量采集器电源管理电路.研究结果表明:该系统在输入幅值和频率波动的情况下,能够输出稳定的直流电压,可以对无线传感器网络系统提供持续稳定的电压,满足对振动能量的存储能力及存储效率的要求.

微型抗磁悬浮振动能量采集器结构设计与分析

利用抗磁性材料在磁场中产生抗磁力,从而实现稳定的悬浮。提出了一种新型的抗磁悬浮振动能量采集器,通过提升永磁体与悬浮永磁体产生的磁吸力抵消悬浮永磁体的重力,两个热解石墨薄板与悬浮永磁体之间产生的抗磁力作为使悬浮永磁体回复到平衡位置的回复力。通过Maxwell软件仿真,计算出悬浮永磁体的最大活动范围为1.3 mm,并且对比分析磁力的增量与抗磁力的增量,进一步计算出特定结构的固有频率为11.3 Hz。该结构避免了传统机械悬浮的能量损失,装置的能源来自外部的振动环境,可以持续为MEMS提供能源。

二自由度双稳态振动能量采集器输出性能分析

利用弹簧能将激励振幅放大的特性,设计了一种二自由度的微型双稳态振动能量采集器,通过结构分析和集总参数模型分析,建立了二自由度的微型振动能量采集器的动力学方程。通过数值模拟,得到激励频率和幅值对二自由度的微型双稳态振动能量采集器的输出幅值的影响规律,并进一步分析了弹簧刚度系数对系统输出振幅的影响。结果表明:在低幅值激励下,二自由度的微型双稳态振动能量采集器具有较大的输出振幅,该结构与单自由度振动能量采集器结构相比,对低幅值的振动能量具有更好的收集与转换性能,提高了微型振动能量采集器的环境适应能力。

微型抗磁悬浮振动能量采集器结构研究与分析

针对微机电系统供电问题,提出一种新型的抗磁悬浮振动能量采集器结构。该结构消除了传统机械悬浮的能量损失,利用提升永磁体与悬浮永磁体之间的磁吸力抵消悬浮永磁体的重力,两个热解石墨薄板与悬浮永磁体之间的抗磁力作为回复力使悬浮永磁体回到平衡位置。通过有限元软件MAXWELL仿真计算,悬浮永磁体的最大活动范围1.3mm;同时,分析了在悬浮永磁体悬浮的范围内磁力的增量与抗磁力增量大小对比,得出了抗磁能量采集器的运动特性和稳定工作的范围为0.7mm。

基于双ZnO薄膜单元并联结构的微型压电振动能量采集器(英文)

报道了一种基于ZnO压电薄膜双单元结构的压电式微型振动能量采集器,其中的双压电元件是并联结构.采用射频磁控溅射技术制备ZnO压电薄膜,同时,该压电式振动能量采集器采用微加工技术制作.测试表明该器件的共振频率为1 300 Hz,基于ZnO薄膜双单元并联结构的压电式振动能量采集器比起具有同样尺寸的传统型压电振动能量采集器有更高的输出性能.在频率为1 300 Hz,加速度为10 m/s2的外界振动激励下,该压电式振动能量采集器在1 MΩ负载电阻上产生的电压为2.06 V;当负载电阻为0.6 MΩ时,输出功率最大为1.25μW.