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压电悬臂梁振动能量收集器研究进展

振动与冲击 2020年第17期39卷 112-123页

作者：芮小博李一博曾周末天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072

能量收集技术是一种面向无线低功耗应用的供能技术,基于压电效应的悬臂梁振动能量收集是其中的一项重要方法。然而,悬臂梁式收集器仅在有限狭窄的频率带宽内有效,在实际应用中受到限制。针对近些年研究人员提出的优化方法进行了总结,从... 详细信息

能量收集技术是一种面向无线低功耗应用的供能技术,基于压电效应的悬臂梁振动能量收集是其中的一项重要方法。然而,悬臂梁式收集器仅在有限狭窄的频率带宽内有效,在实际应用中受到限制。针对近些年研究人员提出的优化方法进行了总结,从线性与非线性拓宽频带法、频率调谐法的角度进行分类讨论,这些方法对于突破悬臂梁收集器窄频带的瓶颈具有积极的意义。通过不同的研究思路介绍了一些近年的研究热点与关键技术问题,例如低频、多方向能量收集等,并对目前的应用研究进行总结;最后,对悬臂梁式压电振动能量收集器的研究不足与未来的发展趋势做出了思考。

关键词：振动能量收集压电悬臂梁

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悬臂式铁镓合金振动能量收集的存储方法

电工技术学报 2020年第14期35卷 3137-3146页

作者：刘慧芳曹崇东赵强马凯谷艳玲沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870

基于悬臂式铁镓合金的动力学模型、等效电路模型和伏安特性建立悬臂式铁镓合金振动能量收集装置的输出电压和输出功率模型,设计能量存储电路,搭建了铁镓合金振动能量收集装置实验平台。实验结果表明,在67Hz固有频率、外接17Ω负载时,样... 详细信息

基于悬臂式铁镓合金的动力学模型、等效电路模型和伏安特性建立悬臂式铁镓合金振动能量收集装置的输出电压和输出功率模型,设计能量存储电路,搭建了铁镓合金振动能量收集装置实验平台。实验结果表明,在67Hz固有频率、外接17Ω负载时,样机的最大输出功率为116mW,对应的功率密度约为271μW/cm3;电压智能调解电路的最大输出电压可保持在5.1V,且可为锂电池提供4.18V的充电电压,实验验证了振动收集装置的输出电压经过所设计的能量存储电路可有效地为超级电容器和锂电池充电,实现对能量的存储;样机可持续点亮LED灯和数码管,进一步证明了文中涉及的振动收集装置及存储电路的有效性,并为其在无线传感器节点供电中的实际应用提供了基础。

关键词：悬臂式铁镓合金振动能量收集能量存储

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大负载高功率振动能量收集同步整流方法

振动．测试与诊断 2024年第4期44卷 640-645,821页

作者：汤宝平罗浩赵春华黄艺重庆大学机械与运载工程学院重庆400044

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,... 详细信息

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。

关键词：振动能量收集自供电同步整流电荷提取压电等效模型

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宽带压电振动能量收集器结构设计与实验验证

浙江大学学报（工学版） 2017年第11期51卷 2287-2291页

作者：邓志强王翔郑政李春来李欢伞海生厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院福建厦门361005 厦门大学航空航天学院福建厦门361005 深圳光启高等理工研究院广东深圳518000

为了收集环境中随机振动的能量,提出谐振频率和带宽皆可调的压电振动能量收集方法.通过调节止挡块的高度,振动能量收集器可以达到自由、碰撞和预紧3种工作状态.根据3种工作状态,建立振动数学模型,利用有限元和MATLAB软件仿真振动能量收... 详细信息

为了收集环境中随机振动的能量,提出谐振频率和带宽皆可调的压电振动能量收集方法.通过调节止挡块的高度,振动能量收集器可以达到自由、碰撞和预紧3种工作状态.根据3种工作状态,建立振动数学模型,利用有限元和MATLAB软件仿真振动能量收集器的输出性能.加工L型四悬臂结构的大尺寸原理样机,在1g激励加速度下,测试自由、碰撞和预紧3种结构下的电压输出与频率的关系.实验结果与建模仿真结果表明,碰撞振动模式比自由和预紧模式有更好的能量收集效果,结构的非线性刚度对能量收集器的谐振频率和带宽有显著影响.

关键词：振动能量收集压电可调谐带宽和频率非线性效应

垂向动磁式压电振动能量收集器建模及实验研究

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振动与冲击 2020年第8期39卷 215-221页

作者：芮小博李一博刘悦郑晓雷綦磊曾周末天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 北京卫星环境工程研究所北京100094

该研究展示了一种垂向动磁式压电振动能量收集器,利用垂向磁铁的非线性力改善了单一悬臂梁的收集性能;为了对该结构进行设计分析与参数优化,建立了集总参数理论模型,利用仿真对多种模式进行了研究。聚焦于低频排斥模式,利用实验开展进... 详细信息

该研究展示了一种垂向动磁式压电振动能量收集器,利用垂向磁铁的非线性力改善了单一悬臂梁的收集性能;为了对该结构进行设计分析与参数优化,建立了集总参数理论模型,利用仿真对多种模式进行了研究。聚焦于低频排斥模式,利用实验开展进一步研究;使用铝合金与压电纤维材料MFC搭建了实验平台,并验证了系统的能量收集性能。实验结果表明,该结构能够有效优化能量收集性能,且在误差允许范围内,数值仿真可有效预测结构性质;基于仿真及实验,对结构中的磁铁间距及磁感应强度参数进行研究并进行了最优化,在最优化参数下带宽可提高40.6%,峰值功率可提高42.7%。

关键词：振动能量收集压电宽频带磁铁

柱棒式超磁致伸缩振动能量收集装置建模与实验

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农业机械学报 2019年第8期50卷 400-409页

作者：何忠波柏果郑佳伟周景涛刘国平陆军工程大学车辆与电气工程系石家庄050003 32184部队北京100072

针对目前超磁致伸缩式振动能量收集在理论研究上的不足,根据超磁致伸缩材料的材料特性,设计了一种柱棒式超磁致伸缩能量收集装置(GMEHD),并对其工作原理进行了阐述。结合GMEHD的结构特点,建立了装置的输入输出模型,推导了输出电压计算公... 详细信息

针对目前超磁致伸缩式振动能量收集在理论研究上的不足,根据超磁致伸缩材料的材料特性,设计了一种柱棒式超磁致伸缩能量收集装置(GMEHD),并对其工作原理进行了阐述。结合GMEHD的结构特点,建立了装置的输入输出模型,推导了输出电压计算公式,对系统在正弦激励下的响应进行了求解;根据线圈结构,通过电路分析,对线圈匝数进行了优化。利用仿真软件COMSOL Multiphysics,建立了GMEHD有限元模型,得到其仿真结果。在上述基础上制作了GMEHD样机,搭建了实验测试系统,得到了不同频率正弦力作用下GMEHD输出电动势曲线,并与模型计算值和仿真结果进行了对比。结果表明:在1、10、50 Hz单位正弦激励下,GMEHD输出电动势幅值分别为2、15、75 mV,相位超前于输入力π/2。实验与模型计算和仿真分析结果基本吻合,验证了模型的准确性,为GMEHD优化设计提供了参考依据。

关键词：超磁致伸缩振动能量收集线圈优化有限元分析实验

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微纳振动能量收集器研究现状与展望

机械工程学报 2020年第13期56卷 1-15页

作者：亓有超赵俊青张弛中国科学院北京纳米能源与系统研究所北京100083 中国科学院大学纳米科学与技术学院北京100049

振动能量广泛分布在我们周围的环境中,比如人体运动、机器振动、微风吹动、水纹波动、声音振动等,收集环境中的振动能量对未来电子器件的自驱动化具有十分重要的意义。阐述了电磁、压电、摩擦电三种微纳振动能量收集器的工作机理和最新... 详细信息

振动能量广泛分布在我们周围的环境中,比如人体运动、机器振动、微风吹动、水纹波动、声音振动等,收集环境中的振动能量对未来电子器件的自驱动化具有十分重要的意义。阐述了电磁、压电、摩擦电三种微纳振动能量收集器的工作机理和最新研究进展。对三种微纳振动能量收集器的特点和面临的挑战做出了归纳与概括。最后,对微纳振动能量收集器的发展趋势做出了展望。

关键词：振动能量收集微纳能源技术电磁压电摩擦电

基于双稳态磁耦合效应的瓦级高功率电磁振动能量收集器

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机械工程学报 2022年第20期58卷 92-100页

作者：黄曼娟冯孝为刘会聪孙立宁苏州大学机电工程学院苏州215123 江苏省先进机器人技术重点实验室苏州215123

提出一种基于双稳态磁耦合效应的高密度电磁振动能量收集器,通过引入导磁铁心绕组对中间悬浮磁铁产生非线性磁力,可以产生双稳态势能阱实现低频段工作频带的拓宽。同时,导磁铁心与悬浮磁铁之间的强磁耦合作用能够增强线圈内部的磁通量... 详细信息

提出一种基于双稳态磁耦合效应的高密度电磁振动能量收集器,通过引入导磁铁心绕组对中间悬浮磁铁产生非线性磁力,可以产生双稳态势能阱实现低频段工作频带的拓宽。同时,导磁铁心与悬浮磁铁之间的强磁耦合作用能够增强线圈内部的磁通量变化进而提高输出功率。针对双稳态磁耦合振动能量收集器进行动力学建模仿真和试验测试分析,结果表明悬浮磁铁与导磁铁心之间的非线性磁耦合效应促使磁铁在两个势能阱之间进行大振幅的混沌或周期性振动,将工作频率范围拓宽至8~18 Hz。在受到加速度为4g的正弦振动直接激励时,能量收集器的输出功率为1.082 W,达到瓦级高功率输出,有望实现工业物联网传感节点的自供电,助力万物互联。

关键词：振动能量收集电磁能量收集器双稳态宽频带高功率

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多方向压电振动能量收集装置及其优化设计

振动与冲击 2012年第16期31卷 33-37页

作者：侯志伟陈仁文刘祥建南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室南京210016 淮阴工学院机械工程学院淮安223003

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,... 详细信息

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。

关键词：多方向振动能量收集 Rainbow 压电换能结构优化设计电能