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基于螺旋悬臂梁的复合式低频振动发电装置设计

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基于螺旋悬臂梁的复合式低频振动发电装置设计

第一届全国人因振动工程理论及技术应用学术会议（CHVE 2023）

作者：曹屹锋马旋哈尔滨工程大学动力与能源工程学院

振动作为设备设施机械能耗散的主要方式之一,广泛存在于生产生活之中,对该部分能量进行回收利用将有效降低能量损失,实现节能降耗。本文针对现有振动发电装置能量获取方式单一、功率小、收集频域窄等问题,开发了摩擦-压电-电磁复合式的... 详细信息

振动作为设备设施机械能耗散的主要方式之一,广泛存在于生产生活之中,对该部分能量进行回收利用将有效降低能量损失,实现节能降耗。本文针对现有振动发电装置能量获取方式单一、功率小、收集频域窄等问题,开发了摩擦-压电-电磁复合式的振动发电装置。采用复合式发电技术,将两种能量收集方式相结合,转换效率可达36.81%。引入螺旋悬臂梁与摩擦纳米发电机,有效拓宽了装置的振动收集频域,最大带宽16.4Hz。使用COMSOL仿真软件进行了参数探究与仿真分析设计。该装置能够有效回收振动能量并将其转换为可利用的电能,能够广泛适用于含有振动的场景,如柴油机、振动筛等,节能降耗效果显著,应用范围广泛。

关键词：振动发电螺旋悬臂梁复合式发电压电陶瓷摩擦纳米发电机

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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振动发电机的特性研究

振动发电机的特性研究

作者：孙静南京航空航天大学

学位级别：硕士

自然环境中振动现象是一种常见的现象，而振动能量又是普遍存在振动现象中的宝贵能源，因此如何提取其中的振动能量成为研究热点之一。本文提出了一系列振动能量回收装置，利用了压电效应和电磁感应振动发电机理，为无线传感系统和超低... 详细信息

自然环境中振动现象是一种常见的现象，而振动能量又是普遍存在振动现象中的宝贵能源，因此如何提取其中的振动能量成为研究热点之一。本文提出了一系列振动能量回收装置，利用了压电效应和电磁感应振动发电机理，为无线传感系统和超低功耗自动设备提供电能，无需更换电池，延长寿命，清洁能源。本研究共提出三种振动发电机：基于水流冲击振动发电机、U型和Y型复合式振动发电机。针对上述三种发电机，研究其振动激励条件，优化结构参数，计算输出功率，最终对比其能量回收效率。为了利用自然环境中流体的动能，例如各种排水管中的流水和水轮机出水口的流水进行发电，本研究提出了一种基于水流冲击振动发电机，并对其工作特性进行了实验研究。讨论了各参数变化对振动发电机发电性能的影响程度，如水的冲击速度、冲击位置和水量、发电机振动系统的尺寸等。结果表明：选择合适的激励条件及结构参数时，发电机的输出功率可达170.20μW。为了利用自然环境中固体的振动能量，例如常见的悬臂梁结构，本课题组又提出了两种被称为U型和Y型的复合式振动发电机。在同样的激励条件下，测量和比较了两种结构的功率输出。实验结果表明：Y型结构的输出功率比U型结构的大;当激励幅值为0.5mm时，Y型结构的压电元件最大输出功率是U型结构的372.7%。根据上述实验结果，进一步研究了Y型结构压电元件发电性能，优化了结构参数。

关键词：能量回收压电电磁振动发电低功耗

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微型压电陶瓷振动发电技术研究综述

传感器与微系统 2007年第5期26卷 1-4页

作者：齐洪东杨涛岳高铭韩宾胡莉西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010

信息技术的飞速发展并没有带动电源技术的快速发展,电源的能量密度没有明显的提高。压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置。压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视,在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前... 详细信息

信息技术的飞速发展并没有带动电源技术的快速发展,电源的能量密度没有明显的提高。压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置。压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视,在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。分析了压电陶瓷发电的原理,阐述了压电陶瓷的发电方式、电能存储方式、电路匹配的方法及其典型应用,对今后的发展方向和热点问题进行了总结。

关键词：压电陶瓷振动发电自供电匹配电路

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磁致伸缩振动发电机的能量采集电路研究

磁致伸缩振动发电机的能量采集电路研究

作者：杨松河北工业大学

学位级别：硕士

伴随着能源危机,振动发电作为一种新的绿色纯净电能来源日益引起学者的重视。通过能量采集电路对振动产生的电能处理后能够直接将振动产生的电能提供给微小功率电子器件。因此对于能量采集电路的研究在振动发电模块中成为一个新的研究... 详细信息

伴随着能源危机,振动发电作为一种新的绿色纯净电能来源日益引起学者的重视。通过能量采集电路对振动产生的电能处理后能够直接将振动产生的电能提供给微小功率电子器件。因此对于能量采集电路的研究在振动发电模块中成为一个新的研究热点。本文首先介绍了振动发电的各个形式和对应能量采集电路的研究现状,在查阅了一些能量采集电路的文献后,对能量采集电路的整体结构进行了梳理,在磁致伸缩式悬臂梁振动发电分布参数机电耦合动态模型等效电路的基础上,设计了由芯片组成的间歇式自供能能量采集电路,简要介绍了该电路各组成部分及其工作原理。接着对上述等效电路进行了仿真分析,并将仿真图形与实验图形进行了对比,验证了该等效电路的有效性。然后将由芯片组成的间歇式自供能能量采集电路与等效电路连接,对设计电路的各部分工作原理进行了仿真分析,对整体能量采集系统的性能进行了仿真分析与说明。最后针对所设计的间歇式自供能能量采集电路的不足之处,设计了由运算放大器和SW开关组成的改进的间歇式自供能能量采集电路,对改进电路各部分原理进行了简要介绍和仿真验证,将等效电路与改进电路进行连接,对改进的整体电路性能进行了仿真分析。通过仿真结果发现改进后的电路输出功率较之前更加稳定,仿真结果表明所设计的两种电路均实现了自供能开关控制且能够控制储能电容充放电电压阈值,能够为小功率器件提供毫瓦级的功率。本文对于能量采集电路自供能开关控制部分的研究具有重大的指导作用。

关键词：振动发电能量采集电路磁致伸缩自供能开关控制

MSMA振动发电机电源管理系统的设计与研究

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MSMA振动发电机电源管理系统的设计与研究

作者：于莉沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

能源产业是人类社会的重要产业之一,随着工业水平及生活水平的改善,电力资源不断减少。因此对自然环境中普遍存在的振动能量进行收集,使机械振动能转换成为生活中的电能,吸引了广大研究者的关注。研究者发现,将环境中的振动能量转换成... 详细信息

能源产业是人类社会的重要产业之一,随着工业水平及生活水平的改善,电力资源不断减少。因此对自然环境中普遍存在的振动能量进行收集,使机械振动能转换成为生活中的电能,吸引了广大研究者的关注。研究者发现,将环境中的振动能量转换成为所需要的电能可以利用磁控形状记忆合金(MSMA)的逆效应,实现对微型传感器和锂电池供电。因此,本文主要从MSMA振动能量采集实验平台及其电源管理电路着手,并进行了深入研究。首先,简要介绍了振动发电机研究背景及微型振动发电机国内外研究现状,阐明了磁控形状记忆合金材料的变形机理,并确定了本文主要的研究内容与方向。其次,根据MSMA的变形机理建立了MSMA振动发电机的数学模型,即振动应力和输出电压关系的数学模型,利用Matlab对其数学模型进行仿真,分析振动应力和输出电压之间的关系,通过振动发电机实验台上做大量振动应力与输出电压的实验,验证了仿真结果中振动应力与输出电压的关系的正确性。再次,为了收集MSMA振动能量采集装置输出的低压交流电,为负载输出稳定的直流电,提出基于DC/DC升压转换电路的电源管理系统及基于LTC3108和LTC4070的电源管理系统,并利用LTspice对两种电路分别进行仿真,进一步分析了电路的仿真结果,验证了电路输出电压的稳定性,实现了对振动能量的采集并对负载进行稳定供电。最后,设计了基于BQ25570的电源管理系统,采集振动能量来对负载进行持续供电。对BQ25570的内部结构及功能进行分析,设计了基于BQ25570的电源管理电路,并利用OrCAD对其进行仿真分析,搭建振动发电机实验平台,实验验证了此电路输入幅值或者频率发生变化的条件下,仍能够输出持续稳定的直流电,为负载提供电能,在很大程度上满足了工程应用上对振动能量的存储性能及其效率的需求。并对本文的研究成果进行了总结,指明了需要完善的研究内容,并明确了MSMA振动发电机的后续研究工作。

关键词：磁控形状记忆合金振动发电数学模型电源管理电路仿真分析

磁控形状记忆合金振动发电机结构设计与特性研究

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磁控形状记忆合金振动发电机结构设计与特性研究

作者：颉玉寰沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

环境中普遍存在的振动能量是能源研究者近年来发现的新的能源资源。振动发电就是将机械振动通过一定的技术转化为电能的过程，主要包括电磁感应技术、压电技术和利用智能材料的某些特性等。磁控形状记忆合金(MSMA)作为近年来的新兴智能... 详细信息

环境中普遍存在的振动能量是能源研究者近年来发现的新的能源资源。振动发电就是将机械振动通过一定的技术转化为电能的过程，主要包括电磁感应技术、压电技术和利用智能材料的某些特性等。磁控形状记忆合金(MSMA)作为近年来的新兴智能材料，与其它智能材料相比，其具有更大的变形率、易于控制、可逆效应输出感应电压大等特点，迅速吸引了研究者的关注。本文在磁控形状记忆合金(MSMA)基本特征的基础上，构建了MSMA振动发电机的基本构造框架。结构主要由磁路部分和测量元件组成，根据各组成部分的性能要求选取合适的器件材料和有关传感器，争取更有效的达到预期目标。然后通过对MSMA中马氏体变体和磁域特性的分析基础上，提出了利用MSMA进行发电的工作原理，并结合吉布斯自由能函数热力学原理，建立了MSMA振动发电机的数学模型，即输出感应电压与输入振动应力的数学关系。对所建立的数学模型进行MATLAB仿真分析，分别观测了输入振动应力的幅值和频率对发电机输出感应电压的影响，以便提出提高发电机输出响应的有效措施。最后利用虚拟仪器构建测试平台，创立人机交互界面，用户可以按照一定的要求观测发电机的输出响应。测试结果与MATLAB仿真结果一致，且此种方式更方便用户操作，输出结果更加直观。同时还测试了当输出信号受到干扰时发电机的滤波效果。仿真实验验证了利用MSMA制作微型振动发电机的可行性及数学模型的正确性，为今后的MSMA振动发电机的发展打下良好基础。

关键词：磁控形状记忆合金振动发电磁化强度数学模型虚拟仪器

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变刚度双稳态电磁式振动发电机的研究

变刚度双稳态电磁式振动发电机的研究

作者：朱沛太原理工大学

学位级别：硕士

随着便携式电子产品、MEMS器件和无线传感网络的快速发展,传统的供电方式已经不能满足用电需求。为了解决传统供电方式对新兴技术的制约,满足此类产品的用电需求,电源系统应具备质量小、能量密度大、可集成、适应性强、寿命长等特点。... 详细信息

随着便携式电子产品、MEMS器件和无线传感网络的快速发展,传统的供电方式已经不能满足用电需求。为了解决传统供电方式对新兴技术的制约,满足此类产品的用电需求,电源系统应具备质量小、能量密度大、可集成、适应性强、寿命长等特点。在选择供电方式的过程中,研究人员发现,环境中蕴藏着丰富的振动能,收集环境振动能并转化为电能,是解决上述问题的一种可行方法。本文总结了振动发电技术的国内外发展现状,对各种拾振机构的优劣进行了分析比较,针对响应频带窄,输出功率低的问题,首次提出利用变刚度悬臂梁式拾振结构,依据电磁感应原理,结合双稳态随机振动理论,在AMESim仿真平台上建立了一种变刚度双稳态电磁式振动发电机的模型,成功制作出一种双稳态电磁式振动发电机样机。本文主要研究内容如下： 1、采用非线性振动力学理论,建立双稳态振动机构的运动微分方程;采用有限元分析软件ANSYS,通过对变刚度悬臂梁的静力学仿真和模态仿真,确定了悬臂梁参数和尺寸等因素对振动行为的影响,确定了变刚度弹性梁刚度系数变化曲线;应用ANSYS的磁场分析功能,优化了磁场,合理进行了线圈的布置,确定了线圈尺寸等参数;利用AMESim建立了变刚度双稳态电磁式振动发电机的仿真模型,确定了影响发电性能的各个因素,掌握了输出特性;2、根据理论计算和仿真数据,完成了振动式发电机各个部件的设计制作,研制出了一种双稳态电磁式微型振动式发电机实验样机;3、对样机进行一系列测试,证明了双稳态发电机所具备的优越性：拓宽了响应频率,增大了发电功率。

关键词：变刚度双稳态电磁式振动发电

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基于压电悬臂梁的振动发电装置研究

数码设计 2017年第7期 132-135页

作者：陆安凝若冯武卫虞昊迪周鹏程周芃芃浙江海洋大学船舶与机电工程学院

机床等工业设备以及现代低耗能电子设备都会伴随能量的消耗和振动的产生,为有效利用这一部分的能量,研发一种基于压电悬臂梁新型振动发电源。压电振动发电装置是一个典型的机电系统,由换能器、收集电路和可充电电池构成,其核心是压电换... 详细信息

机床等工业设备以及现代低耗能电子设备都会伴随能量的消耗和振动的产生,为有效利用这一部分的能量,研发一种基于压电悬臂梁新型振动发电源。压电振动发电装置是一个典型的机电系统,由换能器、收集电路和可充电电池构成,其核心是压电换能器。本文研究了压电悬臂梁结构设计,并对压电振子进行有限元分析和电导测试,并设计能量存储电路,最后在低频环境中对整个压电悬臂梁结构发电性能进行实验研究,取得良好实验成果。

关键词：压电悬臂梁振动发电能量存储

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压电陶瓷复合材料振动发电研究

材料开发与应用 2016年第1期31卷 65-68页

作者：刘爱云张建芹陶炜魏化震王清海山东非金属材料研究所山东济南250031

根据仿真设计和计算结果,制备了悬臂梁结构压电陶瓷复合材料,并考察了其振动发电性能。对复合材料的内外阻抗进行匹配,获得了最大的功率输出并在最佳阻抗匹配条件下,研究了振动发电性能与激励振幅和频率的关系。研究结果表明,压电复合... 详细信息

根据仿真设计和计算结果,制备了悬臂梁结构压电陶瓷复合材料,并考察了其振动发电性能。对复合材料的内外阻抗进行匹配,获得了最大的功率输出并在最佳阻抗匹配条件下,研究了振动发电性能与激励振幅和频率的关系。研究结果表明,压电复合材料的振动发电功率随着激励振幅的增大呈二阶增大,随着激励频率的增大呈线性增大。

关键词：压电复合材料振动发电阻抗匹配

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