基于非线性磁力的压电式旋转能量采集器

旋转机械能广泛存在于生产生活中,为了提高能量采集效率,解决现有旋转能量采集器结构复杂的问题,拟提出一种基于非线性磁力的压电式旋转能量采集器。首先推导了使用n组磁铁的能量采集器的非线性动力学方程。并基于MATLAB对其能量采集性能进行了数值仿真,最后通过实验对系统的输出特性进行验证。结果表明:随着外部激励幅值的增大,系统的响应幅值随之增大。当使用n组磁铁时,达到最大输出功率所需的转速与n成反比。在转速530 rpm时,开路输出电压达到43.6 V,输出功率达8 mW。使用单个磁铁对3.3μF电容充电,功率达到322.21μW,使用两个旋转磁铁时达到483.32μW。

压电与摩擦电复合型旋转能量采集动力学协同调控机制研究

低转速激励下能量采集性能差是目前制约旋转能量采集技术应用的瓶颈问题.本文提出了动力学协同调控机制,并用于调控系统的动力学行为,可以使器件在低转速激励下有效工作,提高了旋转能量采集系统的电学性能.旋转刚度软化、非线性磁力、几何边界的协同调控既可以增加系统在低速下的振动位移以及压电材料的形变,也可调控系统的最大位移,使其振动可控并限制位移过大提高可靠性.此外,几何边界可以方便地集成摩擦纳米发电机,实现压电与摩擦两种机电转换机制在振动和碰撞过程中协同发电,有效利用空间和提高输出电能.基于哈密顿原理建立了系统的机电耦合动力学模型并进行了实验验证.实验结果表明系统能够在0~250 r/min的低转速范围内有效工作,在转速为250 r/min时,压电单元和摩擦纳米发电机的最大峰峰值电压分别为132 V和1128 V,总平均功率为1426μW.本文提出的动力学协同调控机制为能量采集系统动力学和电学性能改进提供新的途径,有益于促进自供能物联网技术的发展与应用.