基于周期性穿孔悬臂梁的压电俘能器数值仿真研究

针对海洋监测等小型传感器无法长期稳定供电问题,压电俘能器提供了一种新的解决方案。本文提出了一种基于周期性穿孔梁的压电俘能器,它可以有效地将清洁能源(如波浪能)中的振动能转化为电能。本文首先建立了压电能量俘获结构的机电频响函数模型;然后在理论分析基础上,对与穿孔基底层相关的参数进行了敏感度分析;最后采用有限元方法进行了数值仿真研究。研究结果表明,基底层的厚度和填充率同峰值电压的相关度最为显著,而穿孔数与峰值电压的相关度最不显著。基底层厚度减小、填充率减小和穿孔数增多都有助于降低谐振频率,并提高峰值电压输出。仿真结果表明,与传统无孔结构相比,穿孔结构的谐振频率最大降低了22.63%,而峰值电压最大提高了61.54%。

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。

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。

具有力放大功能的压电俘能器建模与性能分析

为提升压电俘能器的能量转换效率,将压电堆栈耦合到力放大框架结构中,构建了具有力放大功能的压电俘能器。基于压电效应本构方程,对单独压电堆栈进行了理论建模、有限元仿真与分析。基于欧拉-伯努利梁原理,建立了框架结构的力放大系数理论模型,采用Sobol’s敏感性分析方法确定了敏感力放大系数的框架几何参数,应用遗传算法结合有限元建模对力放大框架进行了结构优化。基于最优结构的力放大框架,建立了压电俘能器的集总参数理论模型并进行了数值分析。结果表明,在非谐振激励下该压电俘能器的输出电压有效值和输出功率最大值分别为3.022 V和543.375μW,分别是单独压电堆栈输出电压有效值和输出功率最大值的7.74倍和58.5倍。相比于单独压电堆栈,该压电俘能器能显著提升非谐振激励下的输出电压和输出功率。

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。

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。

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。

从人体行走中收集能量的鞋上压电俘能器

设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH),用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励,并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式;然后,建立仿真模型,对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后,加工了实验样机,并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明,当受到沿胫骨方向的激励时,压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压;受到沿胫骨和脚面两个方向激励时,压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8km/h时,每根压电梁的峰值电压可达到10V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量,并能够同时收集两个方向的加速度能量,提高了压电梁的发电性能。

气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。

路面振动压电俘能器的性能分析

建立路面振动压电俘能的数学模型,提出压电俘能器的性能要求,分析结构参数及埋设深度对俘获电能及路面变形的影响。结果表明,压电俘能器埋设越深,俘获电能越多,路面变形越小;压电陶瓷片直径和厚度越大,俘获性能虽提高,路面的变形却增大。一个直径30mm、厚5mm的压电俘能器,埋设40mm路面下,在15Hz、0.7MPa标准轮载作用下,可俘获0.42mW的电能。

涡致振动型风力压电俘能器流场数值模拟与试验

基于涡致振动原理设计了一种风力型压电俘能器,通过串列配置的双绕流圆柱增加进气道内流场的压强波动,以Helmholtz共振腔作为尾流区域的风压谐振放大装置,利用PVDF压电薄膜直接将湍流引起的持续性压强波动转换为电能。采用计算流体力学数值方法,分析了在不同风速下压电俘能器内部流场的流体动力学行为。数值分析及试验结果表明:在相同风速下,当耦合因子L/D=2.2时,双绕流圆柱引起的压强波动最大,可达到单绕流圆柱的2倍;Helmholtz共振腔内气体在振荡流的作用下产生谐振后,腔内气体压强的幅值随风速的增加而增大,但振动频率均相同且为共振腔的固有频率。

基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器

提出一种基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器来实现低频、高强度振动能量回收。介绍了浮能器的系统构成及工作原理并进行了理论及试验研究。理论分析结果表明,压电液压俘能器的性能是由环境振动频率/振动强度、液压缸/压电振子的结构性能参数、流体容积/特性以及系统背压(蓄能器预置压力)等多种要素共同决定的,仅当各要素配置合理时才能实现压电液压俘能器的预期功能。采用外径为60mm、厚度为0.9mm的双晶压电振子及外径为16cm,长度为100cm液压缸制作了试验样机,并以水为工作介质进行了不同频率/背压/激振器振幅条件下的试验测试。试验结果表明,存在最佳工作频率(8Hz)使压电液压俘能器输出电压最大,且输出电压随系统背压及液压缸振幅的增加而增加。其它条件不变时,0.4MPa背压下的输出电压是背压0.2MPa时的1.65倍。

一种错位旋磁激励压电俘能器

为解决现有旋磁激励压电俘能器动磁铁与定磁铁正对激励时易发生碰撞的问题,提出一种错位旋磁激励的压电俘能器,并进行了磁力耦合仿真分析以及动磁铁转速/径向激励距离/压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能影响的测试试验。结果表明:动定磁铁错位配置可实现压电振子的有效激励,且存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速;径向激励距离对最佳转速无影响,但对峰值电压影响较大,正/负向分别存在不同的最佳激励距离使峰值电压最大;附加质量及动磁铁数量对俘能器性能影响较大,随着附加质量增大,各阶最佳转速降低、电压峰值增大;随着动磁铁数量增加,最佳转速的阶数、转速值及其所对应的电压值都依次减小。

磁铁夹持式压电俘能器输出性能分析与试验

为满足旋转机械监测系统的自供电需求,针对旋转式压电俘能器存在可靠性低和频带窄的问题,提出一种磁铁夹持式压电俘能器。利用MAPLE仿真软件建立了俘能器动态响应模型,通过仿真分析和试验研究得出了磁铁夹持具有调频的作用。研究结果表明:存在最佳转速使俘能器峰值电压最大,且谐振峰数及最佳转速随动磁铁数增多而减小;随着动磁铁数的增多,激振力的表现形式会由一般周期激励变为简谐激励,最后变为偏置的简谐激励;当动磁铁数为4时,改变中心距L和夹持间距D便可间接改变俘能器系统等效刚度,实现其谐振频率的调节:当L为0,2,4mm时,俘能器出现最大峰值电压所对应的激励频率分别为46.4,38.4,31.2Hz;当D为1,4,7mm时,最大峰值电压所对应的激励频率分别为46.4,38,36Hz,拓宽了俘能器的有效工作频带。此外,在动磁铁数为4,L为0,D为1mm和转速为666r/min时,存在最佳负载400kΩ使俘能器输出功率达到1.3456mW。

基于卡门涡街原理的谐振型风力压电俘能器研究

针对大田环境中无线传感器网络节点需要持续稳定电能的要求,发展一种基于卡门涡街原理的谐振型风力压电俘能技术。基于计算流体力学数值方法,分析在不同风速下进气道内流场的流体动力学行为,实现对进气道及绕流体的结构设计。采用亥姆赫兹谐振腔作为风压谐振放大及涡脱频率的调节装置,并使谐振腔底部压电复合薄圆板与亥姆霍兹谐振腔的频率一致,从而在气流的冲击振荡作用下产生共振并输出最大的电能。实验表明,谐振型压电俘能器在风速14 m/s,外部负载电阻400 kΩ时最大可输出13.6 mW的电能。

基于扭转模态的角振动压电俘能器研究

以线性压电理论为基础,分析了压电陶瓷圆柱壳的扭转振动问题.由于压电陶瓷柱壳的扭转振动使得覆盖于柱壳两端的电极之间出现电势差,通过导线连接两电极与外负载,则圆柱壳在振动过程中所捕获的能量能有效地供给微电子器件工作.得到了输出电压、电流、能量、效率以及输出功率密度的解析表达式,并数值分析了这类压电俘能器的基本性能.结果表明,这种结构能够用作压电俘能器,将旋转机械能转化成为电能.

低频螺旋状压电俘能器结构性能分析

利用螺旋状双晶片压电梁式俘能器可以有效地从低频工作环境中提取能量.由于这种俘能结构振动中存在弯曲振动和伸缩振动两种模态,确定俘能器的最优工作模态非常重要,这样外载作用型式(即面内受载还是面外受载)对俘能器的影响较大.数值结果表明:外激励方向不同时,最大输出功率密度出现在不同阶数的固有频率处,并且最大输出功率密度的大小也显著不同,面内加载方式明显优于面外加载方式.最后还详细讨论了储能电路的阻抗,自由端悬挂的集中质量对俘能器性能的影响规律.

旋转激励磁铁数对压电俘能器输出性能的影响

考虑现有旋转发电机无法适应高/匀速旋转运动且振动冲击/噪音大、可靠性低等弊端,提出了一种由旋转磁铁激励的压电俘能器,并从理论及试验两方面研究了旋转磁铁数量(间距)对激振力及压电振子发电特性的影响规律。结果表明,在其它条件确定的情况下,存在使激振力最大的最佳旋转磁铁间隙比(磁铁直径与相邻磁铁间距离之比);间隙比为2时的激振力幅值为间隙比为0和4时的6.2倍。采用2,12,24个旋转磁铁激励发电时,电压-转速特性曲线中均存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速,其中最大峰值电压及其所对应的最佳转速分别为29.4,87.2,28.4V和1 282.5,707.5,2451r·min-1;12个旋转磁铁激励的最大输出电压为其它两种情况的3倍。此外,压电振子一次激励所生成电能(波形数量及幅值)还与旋转磁铁数量及转速有关。2个旋转磁铁在低转速时仅能激励出1个较大幅值电压波形,而高转速时可生成4个幅值较大的自由振荡波形;12个磁铁在任何转速下都仅能激励出1个电压波形。实验显示动磁铁数量是影响旋转压电俘能器发电量及输出功率的关键要素。