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磁耦合式可调频压电振动俘能器

光学精密工程 2024年第1期32卷 73-83页

作者：王淑云杜洁雅黄喆人阚君武柴超辉张忠华浙江师范大学精密机械与智能结构研究所浙江金华321004

为提高压电振动俘能器的环境适应性,提出一种磁耦合式可调频压电振动俘能器,利用激励器上主动磁铁和组合换能器上被动磁铁间的耦合作用及横摆簧片实现压电振子的单向限幅激励。通过对俘能器及磁对的建模和仿真分析,获得了俘能器结构参... 详细信息

为提高压电振动俘能器的环境适应性,提出一种磁耦合式可调频压电振动俘能器,利用激励器上主动磁铁和组合换能器上被动磁铁间的耦合作用及横摆簧片实现压电振子的单向限幅激励。通过对俘能器及磁对的建模和仿真分析,获得了俘能器结构参数对俘能器输出性能的影响,在此基础上制作俘能器样机并进行实验研究,获得了俘能器纵摆质量m_(1)、横摆质量m_(2)、横向距离Lx、纵向距离Ly、竖向距离Lz及负载电阻对俘能器输出性能的影响规律。结果表明:存在两阶谐振频率f_(1)和f_(2)使输出电压出现峰值U_(n1)和U_(n2),调节m_(1),m_(2),Lx,Ly及Lz会影响f_(1),f_(2),U_(n1)及U_(n2);其他条件一定时,存在最佳负载电阻2 200 kΩ使输出功率达到0.122 mW。通过选择合适的结构参数能够提升俘能器的有效频带和输出电压,对增强压电振动俘能器的可靠性和频率适应性具有一定的参考价值。

关键词：压电可调频磁耦合组合换能器能量回收

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基于多尺度法的预载压电梁俘能特性

华南理工大学学报（自然科学版） 2022年第5期50卷 118-126页

作者：黄怀纬贺万里曹亚军华南理工大学土木与交通学院广东广州510640

低频、宽带和可调频一直是衡量压电能量采集器性能的重要指标,施加轴向预载是改善这些重要指标的有效措施。为了更好地揭示预载对俘能特性的影响,基于欧拉-伯努利梁理论和高斯定理,推导了预载压电梁的力电耦合方程,使用伽辽金离散和多... 详细信息

低频、宽带和可调频一直是衡量压电能量采集器性能的重要指标,施加轴向预载是改善这些重要指标的有效措施。为了更好地揭示预载对俘能特性的影响,基于欧拉-伯努利梁理论和高斯定理,推导了预载压电梁的力电耦合方程,使用伽辽金离散和多尺度法,得到了位移、电压和平均输出功率的渐进解析解;同时通过理论分析,给出了短路开路谐振频率、开路电压幅值、最优输出功率和最优电阻的具体表达式。然后,针对悬臂梁模型,结合数值模拟验证了文中理论的有效性,之后进一步分析探究了预载对开路电压和最优输出功率的影响。结果表明:施加轴向预载可以提高压电悬臂梁的俘能效率,相较于无预载情况,预载20 N时,谐振频率降低31.6%,开路电压幅值增加120.8%,最优输出功率增加40.0%。

关键词：多尺度法压电悬臂梁俘能轴向预载

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风向自适应型涡激振动压电俘能器的试验研究

机械工程学报 2022年第20期58卷 120-127页

作者：侯成伟单小彪宋汝君谢涛哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001 山东理工大学机械工程学院淄博255049

风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点,提出一种新颖的风... 详细信息

风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点,提出一种新颖的风向自适应型涡激振动压电俘能器。本俘能器可以根据风向的变化,自主调节迎风角度,从而使得俘能器能够在不同方向来风激励时拥有良好的输出性能。其主要由两个L型压电俘能梁、轴承底座、旋转固定座、导向翼等部分组成。通过搭建的小型风洞测试系统,对俘能器样机进行了测试和分析:受不同方向来风激励时,俘能器的输出功率绝对积分面积的平均相对偏差不大于6.1%;俘能器的风向自适应开启状态相对关闭状态,两个压电俘能梁的输出功率绝对积分面积平均值分别提升了468.2%和492.3%。自适应型压电俘能器的研究结果对提高俘能器的环境适应能力和增强输出性能有良好的参考价值。

关键词：自适应涡激振动压电俘能风能

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基于神经网络的压电能量收集器性能预估模型

振动．测试与诊断 2023年第1期43卷 172-178,204,205页

作者：张金张健滔宁艺文瞿栋上海大学机电工程与自动化学院上海200072

设计了一款双稳态聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,简称PVDF)梁压电振动能量收集器,并介绍了该款收集器结构特点和工作原理。为了解决传统理论模型预测与能量收集器实际输出性能的偏差,利用人工神经网络对其结构参数、激励频率和收... 详细信息

设计了一款双稳态聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,简称PVDF)梁压电振动能量收集器,并介绍了该款收集器结构特点和工作原理。为了解决传统理论模型预测与能量收集器实际输出性能的偏差,利用人工神经网络对其结构参数、激励频率和收集电能之间的非线性关系进行建模。基于误差反向传播训练的多层前馈网络建立了双稳态PVDF梁压电能量收集器的人工神经网络模型。以质量块质量、PVDF压电梁的压缩距离以及外激振力频率作为输入变量,收集器输出电压均方根(root mean square,简称RMS)值作为输出变量,采集了不同条件下压电能量收集器的实验数据。通过将仿真预测结果与实验结果对比,验证了所设计的人工神经网络能有效地预测压电能量收集器的输出特性,且无需复杂的收集器理论建模。

关键词：能量收集器压电人工神经网络振动性能预估

基于正逆压电效应的高能效振动半主动控制方法

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振动工程学报 2023年第4期36卷 996-1004页

作者：虞丽塬吴义鹏刘轩裘进浩季宏丽南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室江苏南京210016

基于同步开关阻尼(Synchronous Switch Damping,SSD)技术的压电振动半主动控制方法主要利用控制电路中的同步开关和等效LC振荡电路,实现压电电压的同步翻转,使得压电驱动力始终和结构振动速度同相位,用较低的能耗高效地抑制结构振动。... 详细信息

基于同步开关阻尼(Synchronous Switch Damping,SSD)技术的压电振动半主动控制方法主要利用控制电路中的同步开关和等效LC振荡电路,实现压电电压的同步翻转,使得压电驱动力始终和结构振动速度同相位,用较低的能耗高效地抑制结构振动。然而常见的压电驱动元件如压电叠堆、压电纤维复合材料等,其允许工作电压变化范围是不对称的,采用对称翻转的SSD技术难以充分利用压电元件的机电转化性能。提出了一种基于双向压电效应的SSD技术,通过对压电电压上翻时注能、下翻时吸能的操作,最大化控制系统能效,并充分匹配压电元件的机电转化潜能。介绍了所提SSD方法的工作原理,推导了非对称翻转条件下结构的振动衰减模型,实现了非对称翻转SSD控制电路,并通过实验进行了验证。研究结果表明,所提SSD方法可以通过控制注能开关占空比及吸能电路等效负载自适应地调节压电电压的上、下翻转因子,最终实现高能效的结构振动衰减效果。

关键词：振动控制振动能量收集同步开关阻尼压电反激变压器

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磁耦合式压电振动发电机的试验与分析

振动工程学报 2022年第4期35卷 887-894页

作者：阚君武王凯王进张忠华费翔王淑云浙江师范大学精密机械与智能结构研究所浙江金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室浙江金华321004

为提高环境适应性和可靠性,提出一种基于组合换能器的磁耦合式压电振动发电机,该发电机由纵振的耦合器和横摆的组合换能器构成。建立了组合换能器和磁力的COMSOL有限元模型,并进行了仿真分析,获得了组合换能器簧片长度比、厚度比及磁铁... 详细信息

为提高环境适应性和可靠性,提出一种基于组合换能器的磁耦合式压电振动发电机,该发电机由纵振的耦合器和横摆的组合换能器构成。建立了组合换能器和磁力的COMSOL有限元模型,并进行了仿真分析,获得了组合换能器簧片长度比、厚度比及磁铁间距对发电机输出性能的影响。在此基础上,选取较佳的结构参数(长度比为0.57、厚度比为2),设计制作了样机并进行了试验测试,获得了激励磁铁和受激磁铁间横向距离L_(x)、纵向距离L_(y)、竖向距离L_(z)及负载电阻对发电机输出性能的影响规律。结果表明:激励频率f<20 Hz时,存在两个较佳谐振频率(由小到大分别记为f_(n1)和f_(n2)),使输出电压出现峰值。谐振频率及其所对应的电压峰值均随L_(x),L_(y)及L_(z)的变化而变化,故合理选择激励磁铁和受激磁铁间距可降低f_(n1)、提高f_(n2)及增大输出电压,有效提高发电机的带宽和环境适应性。存在最佳负载电阻使发电机输出功率达到最大,f=11 Hz,R=540 kΩ时所获得的最大输出功率达0.19 mW。

关键词：磁耦合组合换能器间接激励压电振动发电机

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扭摆式多方向压电振动俘能器的研究

中国机械工程 2023年第4期34卷 440-445页

作者：阚君武吴亚奇张忠华何恒钱孟凡许浙江师范大学精密机械与智能结构研究所金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321004 浙江清华柔性电子技术研究院嘉兴314006

为实现多方向振动能量回收,提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器,并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究,获得了不同激励角(激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角)时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明... 详细信息

为实现多方向振动能量回收,提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器,并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究,获得了不同激励角(激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角)时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明,激励角变化对两阶谐振频率影响均较小,但对输出电压的影响较大且影响规律不同;激励角从0°增加到90°时,一阶谐振电压减小、二阶谐振电压增大,激励角为44°时两阶谐振电压相等。在此基础上,进行了电容充电特性及输出功率特性的试验研究。沿X轴和Y轴方向激励时,电容的存储能速度分别达0.58 mJ/s和0.54 mJ/s;沿X轴和Y轴方向激励时,均存在两个最佳电阻使输出功率最大,即沿X轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,81)kΩ和(4.56,3.4)mW,沿Y轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,61)kΩ和(3.96,3.89)mW。

关键词：压电俘能器多方向间接激励扭摆激励

周期荷载作用下拱式振动能量采集器的压电分析

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工程力学 2022年第S01期39卷 364-369页

作者：董可杰刘爱荣唐浩杨智诚广州大学风工程与工程振动研究中心广州510006 仲恺农业工程学院城乡建设学院广州510225

能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限... 详细信息

能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限元计算模型,分析周期荷载作用幅值、激励频率、负载电阻、压电片位置和基础层材料等参数对能量采集器压电性能的影响,确定采集器的最优设计参数。

关键词：拱周期荷载波浪能压电能量采集器

离子液体/聚丙烯腈复合压电纤维的制备与性能

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高分子材料科学与工程 2022年第9期38卷 117-123页

作者：周溶基付贵茂薛蕊师奇松陈艳君唐申奥滕禹淮北京石油化工学院新材料与化工学院特种弹性体复合材料北京市重点实验室北京102617 宁波职业技术学院乙烯工程副产物高质化利用浙江省应用技术协同创新中心浙江宁波315800

为提高聚丙烯腈(PAN)纤维膜的压电性能,将离子液体1-烯丙基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐(IL)掺杂到PAN中,采用静电纺丝技术制备了PAN/IL复合压电纤维。通过扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射分析仪、宽频介电松驰谱仪、拉伸机、LCR... 详细信息

为提高聚丙烯腈(PAN)纤维膜的压电性能,将离子液体1-烯丙基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐(IL)掺杂到PAN中,采用静电纺丝技术制备了PAN/IL复合压电纤维。通过扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射分析仪、宽频介电松驰谱仪、拉伸机、LCR测试仪等方法,对PAN/IL复合压电纤维的形貌、构象、压电性能、介电性能、力学性能及传感器的灵敏度进行表征与分析。研究结果显示,适量地添加IL,纤维排列具有一定的取向性。将IL掺杂到PAN中可使复合纤维膜的平面锯齿构象含量提高,其值最高可达93.08%,有利于PAN复合纤维膜压电性能提高。复合纤维膜的介电常数由3.40提高到6.14,介电损耗由0.05降低到0.03,应力可达4.27 MPa,制备的柔性传感器的灵敏度可达0.56 kPa^(-1)。

关键词：聚丙烯腈离子液体压电介电静电纺丝复合纤维