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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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埋入式三维编织压电复合材料振动能量收集装置力—电耦合分析及振动主动控制研究

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埋入式三维编织压电复合材料振动能量收集装置力—电耦合分析及振...

作者：张广硕齐鲁工业大学

学位级别：硕士

振动在日常工作和生活中无处不在,从振动中获取能量是一种绿色可持续的能量获取方法,因此,振动能量收集技术受到人们的广泛关注。但是,并非所有振动都适合用于能量收集,有些频率较低、振幅较小或者环境条件复杂的振动,无法有效地转化为... 详细信息

振动在日常工作和生活中无处不在,从振动中获取能量是一种绿色可持续的能量获取方法,因此,振动能量收集技术受到人们的广泛关注。但是,并非所有振动都适合用于能量收集,有些频率较低、振幅较小或者环境条件复杂的振动,无法有效地转化为可用的电能,这时就需要对振动进行控制,振动主动控制相比较于被动控制和半主动控制具有灵活性高、控制性能好等优势,因此振动主动控制在很多场合成为首选方案。本文将三维编织复合材料和压电材料结合,提出了一种新型的埋入式三维编织压电复合材料结构,以此结构为模型,研究了振动能量收集和振动主动控制。本文的主要研究内容如下:(1)根据三维四步法编织工艺,用B样条曲线对纤维纱线走向进行拟合,利用软件Solidworks构建了埋入式三维编织压电复合材料结构弹性层的几何模型,并在此基础上得到了三维编织复合材料的代表性体积单元(RVE)和有限元模型,并将其导入到Abaqus中进行仿真分析,得到了不同编织角下三维编织复合材料的弹性模量。(2)将压电材料埋入到三维编织复合材料中,得到了一种新型的埋入式三维编织压电复合材料振动能量收集装置,对其施加外部激励,得到了其动力学模型,并利用Comsol软件对其进行模拟仿真分析,分别研究了不同编织角和不同埋入位置下该结构在不同激励频率、不同负载电阻和不同外部激励加速度下的输出响应。(3)对压电传感器和压电作动器进行了理论分析,并基于欧拉伯努利梁理论推导出埋入式三维编织压电复合材料结构的状态空间方程。通过Matlab软件利用PID主动控制方法对其进行了振动主动控制仿真,研究了不同编织角、不同压电片作为作动器和不同埋入位置对振动控制效果的影响。

关键词：三维编织复合材料振动能量收集力电耦合振动主动控制 PID控制

L型三维编织压电复合材料振动能量收集装置结构设计及力-电耦合性能分析

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L型三维编织压电复合材料振动能量收集装置结构设计及力-电耦合性...

作者：孙梦飞齐鲁工业大学

学位级别：硕士

在微力-电系统技术的推动下,结合对能源需求的不断增长和环保意识的提升,环境能量捕获技术已成为一种备受青睐的持续能源供应解决方案。特别是压电能量采集技术,凭借其结构的简洁性、长久的使用寿命、便于集成高效的能量转换效率等特点... 详细信息

在微力-电系统技术的推动下,结合对能源需求的不断增长和环保意识的提升,环境能量捕获技术已成为一种备受青睐的持续能源供应解决方案。特别是压电能量采集技术,凭借其结构的简洁性、长久的使用寿命、便于集成高效的能量转换效率等特点,已经在健康监控、结构完整性评估以及智能住宅管理等多个领域得到了广泛的应用和研究。L型梁式压电能量收集器代表了一种对传统悬臂梁式压电能量收集技术的结构性创新,它通过改良的设计优化了能量转换效率和稳定性。其特点在于能够在较低的谐振频率下有效工作,对多维度的振动激励具有较高的感应率,并且在输出响应方面表现出了增强的特性。作为一种纤维增强型复合材料,三维编织复合材料因其在多方向上展现出的优异力学性能,被认为是一种具有巨大潜力的智能复合材料。本研究将三维编织方法与压电振动能量收集装置相结合,构建了两种L型三维编织压电复合材料振动能量收集装置,目的是提升装置的力学性能和电能输出效率。本文的主要研究包括:首先,应用三维四步法编织工艺精确设计并理论分析了三维编织复合材料的纤维构型。通过三维建模软件SOLIDWORKS细致构建了纤维模型,并基于此模型建立了代表性体积单元(RVE)。通过有限元软件ABAQUS,通过对代表性体积元素应用周期性边界条件并执行数值仿真,本项研究探讨了编织角和纤维体积比例如何影响材料的弹性特性以及该类材料在压电方面的电弹性表现。其次,建立了L型三维编织压电复合材料振动能量收集设备的理论模型。利用哈密顿原理,推导了系统的振动控制方程。通过分离变量法,求解了这些方程,得到了振动位移的特解,并使用高斯定律和基尔霍夫定律计算了压电层的电流和电场分布,推导了系统的模态电压输出响应的解析表达。利用COMSOL软件分析了不同纤维体积分数和横梁长度下激励频率、负载电阻和外在激励加速度对L型振动能量收集器电压和功率输出响应的影响。最后,本文建立了双晶L型三维编织压电复合材料振动能量收集设备模型,由三维编织复合材料弹性层和上下压电层组成。运用高斯定律与基尔霍夫定律得到了系统在简谐激励下的模态电压输出解析表达式。本研究还探讨了编织角度对双晶L型能量收集器电压和功率输出的影响,并利用有限元软件COMSOL模拟了特定编织角度下的电压和功率输出。此外,还研究了质量块B的质量和横梁长度对L型能量收集器输出性能的具体影响。

关键词： L型悬臂梁结构三维编织压电复合材料振动能量收集力-电耦合压电效应

应用于智能包装的横向电磁式振动能量收集装置设计

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绿色包装 2024年第4期 28-32页

作者：杨犇张飞宇北京印刷学院机电工程学院北京102600 京东五星电器湖北集团有限公司湖北武汉430062

目的为了解决智能包装中传感器工作时的无线供能和续航问题,设计了一种横向电磁式振动能量收集装置,用以解决无线供能和续航问题。方法设计了一种振动能量收集装置,用于收集智能包装在运输途中的振动能量并转换为电能,实现智能包装的... 详细信息

目的为了解决智能包装中传感器工作时的无线供能和续航问题,设计了一种横向电磁式振动能量收集装置,用以解决无线供能和续航问题。方法设计了一种振动能量收集装置,用于收集智能包装在运输途中的振动能量并转换为电能,实现智能包装的无线供能和续航。设计了装置的物理结构,并进行了低频振动模拟实验,通过仿真和实验对比了所设计装置的输出性能。结果横向电磁式振动能量收集装置的仿真分析结果与实验测试结果基本吻合,在8Hz~10Hz激励频率,1g激励加速度情况下,输出电压均值高1V;在外接电阻为1033Ω情况下,装置的输出功率能够达到0.15mW以上。

关键词：振动能量收集智能包装无线供能电磁式

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

基于电磁感应和压电效应复合的变压器振动能量收集研究

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高压电器 2023年第12期59卷 145-151页

作者：吕品雷王子乔杨爱军袁欢褚继峰王小华荣命哲西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

如何给海量传感器供能是电力物联网建设亟待解决的问题,能量收集技术为解决该问题提供了一种可行方案。变压器在工频磁场的作用下广泛存在主频为100 Hz的振动能量,但一直缺乏有效的收集方式。文中采用悬臂梁谐振结构,设计制作了电磁感... 详细信息

如何给海量传感器供能是电力物联网建设亟待解决的问题,能量收集技术为解决该问题提供了一种可行方案。变压器在工频磁场的作用下广泛存在主频为100 Hz的振动能量,但一直缺乏有效的收集方式。文中采用悬臂梁谐振结构,设计制作了电磁感应与压电效应复合的振动能量收集器;测试了所制作能量收集器的频率响应特性,器件谐振频率为100Hz,压电部分与电磁部分的3dB频带宽度分别为4.1Hz与2.0Hz;在100Hz/5m·s^(-2)的振动条件下,压电部分与电磁部分的开路电压分别为44.98、6.85V,最大输出功率28.17mW,且可以在300 s内将100 mF电容充电至3.81 V。在实验室模拟条件及变压器现场测试条件下,测试了能量收集器的应用前景,所制作能量收集器通过收集变压器工作时外壳的振动能量,可以带动温湿度传感器件工作。

关键词：振动能量收集压电效应电磁感应变压器 100Hz

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双杆结构双稳振动能量收集装置研究

力学季刊 2023年第3期44卷 709-719页

作者：郑丽文徐文俊王神龙王松衢州职业技术学院机电工程学院浙江衢州324000 上海理工大学机械工程学院上海200093 华为技术有限公司广东深圳518000

本文基于双杆梁的振动结构,提出一种新型能量收集装置,用于满足小功率的工作需求.首先,建立双杆梁振动能量收集装置的机械和电气模型,研究该系统的能量收集原理.针对上述结构,通过梁的总势能的变化曲线来研究该结构在不同初始状态下越... 详细信息

本文基于双杆梁的振动结构,提出一种新型能量收集装置,用于满足小功率的工作需求.首先,建立双杆梁振动能量收集装置的机械和电气模型,研究该系统的能量收集原理.针对上述结构,通过梁的总势能的变化曲线来研究该结构在不同初始状态下越过势垒的临界加速度,为后续激励加载提供参考依据.其次,应用拉格朗日方程推导出能量收集结构的振动方程,对该系统在谐波激励下的响应进行研究;实验装置通过粘在杆件表面的压电片与适配器与计算机连接,并用谐波激振实验验证解析法得到的结果,结果显示两者的变化趋势相同.最后在随机载荷激励下揭示了该能量收集装置平均功率与噪声强度之间的关系,噪声强度在0~2.5范围内,平均功率在15 pW之内.通过以上分析验证了该能源收集结构满足pW功率下工作的设备要求.

关键词：振动能量收集双稳铰支压杆随机响应

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针对波浪能收集的多模态振动能量收集器

实验力学 2022年第2期37卷 152-160页

作者：焦冲邓华夏马孟超钟翔合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009 中国科学技术大学近代力学系安徽合肥230026

波浪能源作为一种可持续的能源一直备受关注,但是由于波浪能的低带宽特性和多方向特性,使得波浪能的收集非常困难。为了在多个方向上实现宽带波浪能的收集并提高发电效率,本文提出一种使用十字梁结构的多模态振动能量收集器,并与基于液... 详细信息

波浪能源作为一种可持续的能源一直备受关注,但是由于波浪能的低带宽特性和多方向特性,使得波浪能的收集非常困难。为了在多个方向上实现宽带波浪能的收集并提高发电效率,本文提出一种使用十字梁结构的多模态振动能量收集器,并与基于液态金属的摩擦电装置相结合,使得装置具有多峰特性和高发电效率,从而实现了多个方向上宽频振动能量的有效收集。多个方向的对比实验表明,该装置不仅具有多方向能量收集的能力,而且可以在全频带的扫描范围内工作。在水平激励下,与传统的单模态振动能量收集器相比,该装置的峰值功率密度增加到10倍,工作带宽增加到6.25倍。实验结果表明,该装置显著提高了低带宽多向能量采集的效率,为波浪能收集提供了一种新的方法。

关键词：低宽频多方向多模态波浪能振动能量收集

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无线传感网络的电磁式振动能量收集器设计

仪表技术与传感器 2022年第4期 31-36页

作者：赵兴强施金雷钱海林戴志新丁宇罗勇邓丽城南京信息工程大学自动化学院江苏南京210000 南京邮电大学电子科学与工程学院江苏南京210000

文中研制了一种电磁式振动能量收集器,可实现WSN节点自供能工作。针对电磁式振动能量收集器建立了电磁感应模型,分析了电磁式振动能量收集器的线圈尺寸对输出性能的影响。采用COSMOSWorks有限元软件模态分析方法,研究了3种拓扑结构的圆... 详细信息

文中研制了一种电磁式振动能量收集器,可实现WSN节点自供能工作。针对电磁式振动能量收集器建立了电磁感应模型,分析了电磁式振动能量收集器的线圈尺寸对输出性能的影响。采用COSMOSWorks有限元软件模态分析方法,研究了3种拓扑结构的圆弹簧共振模态和频率,完成样机尺寸的优化设计。加工组装了一系列样机,并对其幅频特性、负载特性进行测试与分析,结果显示共振频率越低,振动速度和幅度越大,输出电压越大,最大为2#铜样机的3.04 V,1#铜样机输出功率最大为2.28 mW。

关键词：无线传感网络电磁振动能量收集