磁力调控驰振压电-电磁复合俘能器设计与研究

为避免驰振俘能器高流速下PZT损坏,使其能在复杂工作环境中具有稳定的输出特性,该文提出了一种利用磁力控制悬臂梁振动幅值的压电-电磁复合俘能器(GPEEH)。引入的非线性磁力可以调控钝体的振幅,提高驰振压电俘能器(PEH)的输出稳定性,改善其对高风速环境的适应性,且能够增加复合俘能器的输出电压。在搭建风洞实验平台和制作实验样机的基础上,研究不同负载电阻、风速、关键结构参数d 0和d 1对俘能器输出特性的影响规律。实验结果表明,当PEH钝体的振幅被磁力限制在一定区间时,钝体的振动频率和速度随着风速的升高而逐渐增加。风速为11.5 m/s时,PEH振动主频率(6.3 Hz)是风速为8.4 m/s时PEH振动主频率(4.3 Hz)的1.4倍。当风速为12 m/s,GPEEH的输出功率为6.18 mW,相较于单一驰振压电俘能器的输出功率提高了47%。其中当风速达到10.5 m/s时,PEH和电磁俘能器(EEH)的输出功率均趋于稳定。

轨下压电叠堆俘能器安装对车轨系统动力性能的影响

压电俘能技术已经在轨道交通领域受到广泛关注,但目前主要侧重于压电俘能器的结构设计。俘能器的安装会在轨道结构中附加新的装置,可能会对车轨系统动力性能产生一定影响,甚至会威胁行车安全。然而,俘能器的安装对车轨系统动力性能的影响鲜有报道。以轨下压电叠堆俘能器为研究对象,建立了车辆-轨道-俘能器耦合系统的动力分析模型,构建了安装单个或多个俘能器下钢轨和道床的垂向振动方程,采用MATLAB软件编写了新型预测-校正积分法程序,给出了理论解答。通过与已有文献的结果对比,验证了程序的正确性。进一步,探究了采用单个和多个安装方式时俘能器的等效刚度对车轨系统动力性能(钢轨位移、钢轨加速度、扣件力和车体加速度)的影响,并评估了等效刚度与列车舒适度的关系。结果表明:当俘能器等效刚度在0~60×10^(6)N/m变化时,随着俘能器等效刚度的增加,两种安装方式的最大钢轨位移减小,钢轨加速度减少,车体加速度几乎保持不变,扣件力减小,列车行驶的舒适度呈现微小变化;当俘能器的等效刚度在0~2×10^(6)N/m选取时,俘能器的安装对车轨系统动力性能影响很小。研究成果为轨下压电叠堆俘能器的设计与安装提供了理论指导。

钢轨短波波磨对轨道振动俘能器发电性能的影响规律研究

以轮轨摩擦自激振动理论和轨面不平顺反馈振动理论为基础,结合钢轨波磨与轨道振动能量回收两个研究方向,通过建立考虑钢轨波磨的“车轮-钢轨-吸振器”振动分析模型与轨道振动俘能器分析模型,研究了不同波深与波长的钢轨短波波磨对轨道振动俘能器的输出功率的影响规律。分析结果显示,波磨深度的增大会导致轮轨接触力和轨面垂向加速度的振幅增大,但不会影响钢轨的主振频率。波磨波长的增大会导致轮轨接触力和轨面垂向加速度的振幅先增大后减小,钢轨的主振频率随波磨波长的增大而减小。轨道振动俘能器的输出功率会受到波磨深度和波长的影响,表现为波长不变时,波深增加,俘能器的输出功率提高。波深不变时,波长增加,俘能器的输出功率先增大后减小,但仍大于光滑轨道上俘能器的输出功率,并且,采用小波包分解方法得到小波包能量值与波磨波长几乎呈线性关系。上述分析结果表明,该轨道振动俘能器在高效回收轨道振动能量的条件下,能有效地监测钢轨波磨的产生过程和预测钢轨波磨的近似波长。

磁力耦合阵列式压电俘能器振动特性研究

振动能量收集技术有望解决无线传感节点自供电的难题。通过引入非线性磁力,本文设计了一种磁力耦合阵列式压电俘能器(MA-PEH)。基于磁偶极子法建立非线性磁力模型,利用有限元方法获取组合梁的恢复力模型,根据牛顿第二定律及基尔霍夫定律建立系统的动力学模型。仿真分析了激励幅值、激励频率对动力学响应的影响规律,并进行实验验证。研究结果表明:在非线性磁力作用下,系统在谐振频率附近出现混沌和阱间周期运动,这将有利于拓宽俘能器的工作频带;随着激励频率改变,各组合梁始终保持相同的运动状态,当系统处于阱间周期运动状态时,只存在一种类型的组合梁处于高能输出状态。当激励频率分别处于两个组合梁的谐振频率附近时,增大激励幅值,将导致一种类型的组合梁输出被提升,而另一种类型的组合梁输出被抑制。

高效低频消波俘能非线性防波结构

时刻存在的海洋波浪侵扰严重影响海洋工程装备的安全运行和服役性能,而海洋波浪能又是具有诸多优点的绿色可再生能源。如何通过混合消波-俘能结构减小波浪载荷的同时利用海洋能源是海洋工程领域的基础科学问题。传统消波-俘能结构尤其是深远海浮式结构存在低频消波俘能难的技术瓶颈。基于减小系统等效动刚度思想,提出非线性混合消波-俘能结构,并开展消波俘能特性研究。设计了一种连杆拉簧负刚度机构并应用于混合消波-俘能结构。为了求解非线性混合消波-俘能结构的波浪-结构物流固耦合问题,提出了混合特征值匹配法和谐波平衡法的半解析非线性频域求解方法。研究了机构关键参数对消波俘能性能的影响,揭示了负刚度机构提高低频消波俘能性能的“相位控制”机理。

基于磁性液体的磁浮式振动俘能器系统建模与输出性能分析

针对现有振动俘能器输出功率低、工作频带范围小等问题,提出了一种基于磁性液体的非线性磁浮式振动俘能器新型结构。提出新型俘能器的结构形式,分析其工作原理,建立磁偶极子非线性力学模型,对比仿真结果与试验数据,验证其准确性;分析磁性液体的二阶浮力和黏性阻尼,建立其数学模型,运用多尺度变换方法求解俘能器动力学方程的近似解,进而获得输出性能响应模型;分析三类系统结构参数和激励加速度变化对俘能器输出性能的影响,对比了有无磁性液体时俘能器的输出性能。结果表明:磁铁间距、悬浮磁铁与磁性液体的总质量和激励加速度能有效地改变俘能器的工作频率范围和输出功率幅值,而阻尼比主要影响输出功率幅值。新型俘能器输出电压峰峰值和输出功率峰值分别达到426.88 mV和0.56 mW,增加磁性液体后输出电压和功率分别提升了22.67%和75%,对比其它低频振动俘能器,具有较优的输出功率特性。新型磁浮式俘能器的结构形式与建立的动力学模型能为拓宽此类俘能器工作频带范围和增强输出功率性能提供新的解决思路,具有良好的参考价值。

一种增强负泊松比结构的压电俘能器的设计与分析

考虑到传统压电悬臂梁存在固有频率高,输出性能低的缺点,本文基于增强负泊松比结构设计了一种压电俘能器,在弹性基板中引入了负泊松比结构和X型肋骨。利用有限元方法建立了压电俘能器的动力学模型;通过数值方法进行了模态和压电耦合分析,并对增强负泊松比结构的俘能器进行了参数分析;搭建了实验平台,制作了压电俘能器样品,对输出性能进行验证。研究结果表明:与传统平板结构俘能器相比,增强负泊松比结构俘能器的一阶谐振频率低,输出电压和功率高,X型肋骨的加入提高了结构的刚度和非线性;相比于负泊松比结构的俘能器,X型肋骨的加入不仅改善了结构的疲劳性能,还拓宽了工作带宽。

层叠式三片串联压电俘能器的设计与实验

针对液压系统中低功耗电子元件使用电池供电时,存在续航短、更换困难等弊端,提出了一种收集压力脉动能量的层叠式三片串联压电俘能器。针对该压电俘能器,实验分析了静态压力、脉动频率、负载电阻等参数对俘能特性的影响。结果表明,频率与静态压力相同时,输出电压会随着负载电阻的增加而增大,最终趋于平缓,而且输出电压在电阻相同时会随着频率的增加而增大,频率为100 Hz,压力为3 MPa时,800 kΩ处输出电压最高可达9.52 V;输出功率先增大后减小,即存在最佳电阻使输出功率达到最大,且不同频率下使俘能器达到最大输出功率的负载电阻不同,频率为100 Hz,压力为3 MPa时,100 kΩ处输出的平均功率最大可达368.45μW。

可调轴向力的振动压电俘能器建模与实验

针对传统能量收集器的工作带宽窄和输出功率低等问题,对一种可调轴向力的双稳态振动压电俘能器进行研究。该俘能器将两个压电悬臂梁自由端通过附加质量连接为一个梁,通过测微调节器控制轴向压力使系统变为双稳态结构。利用非保守力的拉格朗日方程对压电俘能器进行发电分析,建立了机电耦合模型。利用PZT5H压电材料搭建实验样机和平台,进行了系统俘能特性的调查研究。实验研究结果表明,仿真值预测的结构特性与实验结果一致性较好,该结构能有效拓展低频发电带宽,压电扫频输出具有两个明显低频峰值。利用实验对系统的负载参数进行优化,双稳态系统的电压输出峰值能达到17V。

双L支架回扣式压电俘能器:设计与实验

为了获得一种便携式、简单的振动俘能器,克服传统俘能器输出低、频率高等问题,提出了一种双L支架回扣式压电俘能器,结合了张拉结构的非线性特性与压电技术,有效提高了俘能系统的动态响应和输出性能。对俘能器进行实验探究,分析了外接电阻值、磁距、激振加速度和角度等因素对俘能器输出性能的影响。实验结果表明,俘能器存在最优外接电阻值使输出功率达到峰值,最优外接电阻值为200 kΩ。磁力的引入能显著提高俘能器的输出性能。在磁铁距离为18 mm时,俘能器俘获的能量最多,其最佳输出性能在12.1 Hz时达到1.12 mW。此外,激振加速度对俘能系统的输出特性有着显著影响,激振加速度越大,俘能器的输出电压与输出功率也随之增大。在激振加速度为0.4 g,频率为12 Hz的条件下,俘能系统达到了1.39 mW的最大输出功率。双L支架回扣式俘能器在0°~45°角度范围内具有良好的输出电压与输出功率,具有在不确定激振方向条件下工作的优势。实际应用实验进一步证明,该俘能器能够持续输出较大且稳定的电压,为解决传统俘能器输出低等问题提供了有效的解决方案。

附加液体质量的压电俘能器俘能特性研究

压电俘能器能将振动能转化为电能,为低功耗的电子设备供电。为了拓宽压电俘能器的有效频率带宽、降低系统的谐振频率,提出一种附加液体质量的压电俘能器。以压电效应为指导,建立压电俘能器的力学模型和机电耦合模型,分析附加液体质量的压电俘能器的动力学特性,并基于理论模型、仿真分析及试验验证3方面展开研究。通过制作实物样机,搭建振动实验平台,对压电俘能器的俘能特性进行了实验测试。实验结果表明,与传统式悬臂梁式压电俘能器相比,该结构5种模式下压电俘能器的谐振频率降低,输出电压增加。利用AC-DC整流滤波电路对压电俘能器产生的电能进行整流滤波,验证了压电俘能器产生电能的可用性。

基于架空输电导线振动的压电俘能系统研究

针对架空输电导线振动能量收集与输电线路传感器节点的供能问题,利用压电悬臂梁结构,设计了一种压电俘能系统。基于架空导线微风振动理论,搭建模拟架空导线振动的实验平台。通过实验研究,分析压电俘能装置结构对系统固有频率的影响,以及不同激励频率、不同激励加速度与不同负载条件下压电俘能系统的输出电能特性。实验结果表明:压电俘能系统处在共振频率下,激励加速度达到10 m/s~2时,存在最优负载使输出电压有效值达到16.27 V,输出功率达到5.29 mW,为解决输电线路传感器节点的供能问题提供一种新思路。

碳中和视角下的路侧安全监测预警场景中微俘能自发电技术

高速公路路侧安全监测预警场景中进行分布式数据采集与传输所采用的低功耗传感器、电子设备均需电能供应。微俘能自发电技术是一种能够将环境中的微小自然能转换为电能的新型能源获取技术,将环境中的低频机械能、微风能、波浪能等微小能量,通过设计的能量俘获、转换装置,将其转化为电能,为低功耗电子设备提供持续的电力供应。本文对高速公路微俘能自发电技术的基础理论、工作模式、转换机制和规律进行了分析论证,设计了俘能器样机,并在路侧安全监测预警场景中对微俘能自发电设备进行了应用验证与测试。

非线性压电俘能器宽频技术的研究综述

压电俘能器可以将环境中的振动能转换成电能,以自供能的方式满足低功耗产品的能量供应。然而,大多数压电俘能技术主要利用悬臂梁的线性振动原理,而且其有效频率带宽狭窄,极大限制了压电俘能器在实际中的应用。因此,通过拓宽压电俘能器的工作频带宽度的方法提高能量采集效率,成为当前压电领域的一项热门研究。为此对非线性压电俘能器宽频技术进行总结分析,并介绍了其工作原理、常用的压电材料和工作模式,最后对压电俘能器的未来发展方向提出了思考与展望。

双稳态压电-电磁复合俘能器非线性动力学分析

提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料的双稳态悬臂梁式压电-电磁复合俘能器结构。考虑到大变形时材料的几何非线性特点,基于Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理建立系统分布式参数模型,采用Galerkin法与谐波平衡法给出响应解析解;利用MATLAB仿真分析激励频率、激励幅值、磁铁间距和负载电阻对系统输出性能的影响,并运用龙格-库塔法分析俘能器的非线性动力学特性;通过电路仿真研究悬臂梁在不同振动状态下的整流滤波特性。结果表明:随着激励幅值的提高,系统阱间运动的频率带宽会逐渐增大;存在一组最优的压电负载和电磁负载,使得系统输出总功率达到最大;负载的改变不会影响阱间运动的频带宽度;随着激励的增强,系统在混沌运动和周期运动间进行状态转换,可以利用标准桥式整流滤波电路进行周期运动时的能量采集,但该电路无法稳定收集混沌运动时的系统输出。

一种磁耦合型M形屈曲梁压电俘能器研究

为了提高压电俘能器在低频弱振动环境下的俘能效率,在M形屈曲梁压电俘能器(MEH)的基础上引入非线性磁力,提出了一种磁耦合型MEH,建立了系统的集总参数模型,并基于M形屈曲梁结构的非对称性,通过实验测量并拟合了M形屈曲梁的非线性恢复力,探究了非线性磁力对系统性能的影响。仿真和实验结果表明,磁耦合型MEH具有更宽的工作频带,在0.5 g加速度激励下达到了8.3 Hz(5.5 Hz~13.8 Hz),比无磁耦合时的MEH提高了12.2%;磁耦合型MEH具有更低的跨阱阈值,在0.15 g加速度激励下可以实现大振幅周期运动。

T型磁力耦合压电俘能器发电性能研究

针对传统压电俘能器存在共振频率高、输出功率低的问题,提出了一种T型磁力耦合压电俘能器。通过引入两侧互异的磁力耦合作用使压电梁产生弯-扭振动,以增加压电梁的形变量,进而提高俘能器输出电压响应。首先分析了该压电俘能器的工作原理及结构设计,并对其振动特性进行仿真分析,最后,制作试验样机进行实验测试,通过仿真分析与实验测试验证了该压电俘能器的有效性。结果表明,存在最优负载电阻使压电俘能器输出功率最大。调整装置自由端质量块质量可对俘能频率进行控制,增大激励加速度能显著提高俘能器输出功率。引入磁力耦合,并通过对比实验分析了磁力耦合引起的弯-扭复合运动对俘能器输出性能的影响,当激励加速度为0.2 g时,磁力耦合装置Ⅲ由于发生弯扭复合振动,其工作频率与最大输出功率分别为5.5 Hz和3.71 mW。相比无磁力耦合的俘能装置Ⅰ,输出功率提高了约47%,因此,该T型磁力耦合压电俘能器在低频环境下具有较高输出效率。

阻流体对涡致振动压电俘能结构性能影响的研究

利用有限元分析方法对内置压电悬臂梁的柔性圆管俘能结构进行了水下环境的数值模拟和实验测试,并进行了对比分析。分别仿真分析和实验测试了前置阻流体形状和直径等条件参数对压电悬臂梁柔性圆管俘能结构性能的影响。仿真结果表明:前置圆柱形阻流体的俘能结构振幅和电压比前置六棱柱和方柱的俘能结构都大。当流速为1.0 m/s,前置圆柱阻流体直径为0.03 m时,俘能结构产生的振幅和电压最大分别为2.85×10^(-4)m, 9.88 V。实验结果与数值模拟结果呈现相同的变化趋势。当流速为1.0 m/s,刚性圆柱阻流体直径为0.03 m时,测得输出电压峰—峰值为5.63 V。通过数值模拟和实验测试,分析了阻流体形状和直径对俘能结构性能的影响,为水下涡致振动压电能量收集技术提供了理论和实验参考。

水致振动压电俘能器研究现状与展望

以水流为代表的流体能量是自然界中分布最广泛的机械能量,基于水致振动的微小型压电俘能器设计及增效方法近年来受到国内外学者的广泛关注。首先,介绍了水致振动压电俘能装置的机理,根据工作机理分为钝体致振悬臂梁式和尾流诱导式两大类;其次,对压电俘能器增效方法进行了梳理,分析了非线性磁力增效、混合型和阵列型增效的代表性结构和性能特点;最后,总结了流致振动水流能俘能领域目前存在的问题和挑战,并提出了对未来发展的展望。

钝体表面附着物对低速水流压电俘能器性能影响研究

低速水流能可作为可再生能源的重要补充,适用于低速水流能开发的压电俘能器已在流场中表现出了优异的性能.而在钝体的表面增加附着物可影响压电俘能器的能量转换.通过改变附着物的形状、凸起高度和凹陷深度探究其对驰振式压电俘能器输出特性的影响.利用拓展的哈密顿原理建立俘能器的机械控制方程,引入高斯定理建立电场-位移控制方程,并基于准稳态假设计算驰振的水动力及力矩,进而得到压电俘能器机电耦合分段参数模型.用伽辽金法离散悬臂梁的位移,并在此基础上解耦控制方程,从而得到输出功率及悬臂梁位移近似解.通过水槽实验获得压电俘能器输出功率的实验值,并验证了数学模型的准确性.结果表明:0.51 m/s流速下,-2 mm椭球型凸起的压电俘能器RMS功率为1.411 mW,与无附着物的椭圆柱相比增幅为69.88%;当钝体包裹6 mm凸起的圆柱型附着物时,悬臂梁末端的振幅为3.07 mm,相比于无附着物的情况降低了84.83%.三维数值模拟的结果表明凸起、凹陷为2 mm附着物的应用会使在钝体上形成的压差升高,进而加剧流致振动,且会影响从钝体两侧脱落涡的大小及强度.