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基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器

电工技术学报 2023年第10期38卷 2832-2840页

作者：高凯彭晗王劭菁徐鹏陈永陈佳桦孙寒燚国网上海市电力公司电力科学研究院上海200437 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院) 武汉430074

为了改善单共振点振动能量收集器频率范围窄,对环境中随机分布的宽频率范围振动能量收集功率低的问题,该文提出一种基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器。首先,在阐述振动能量收集器基本原理的基础上,分析了弯曲横梁弹簧结构特性... 详细信息

为了改善单共振点振动能量收集器频率范围窄,对环境中随机分布的宽频率范围振动能量收集功率低的问题,该文提出一种基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器。首先,在阐述振动能量收集器基本原理的基础上,分析了弯曲横梁弹簧结构特性以及关键参数对于共振频率的影响规律。在此基础上,提出一种基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集装置,详细讨论了其结构的基本原理和运动模式,并对不同弹簧组合形成的收集器进行了仿真分析。最后,制作了样机进行实验,得到不同的非对称弹簧下的输出特性,其中1 mm厚度的非对称弹簧结构在67 Hz、115 Hz的振动激励下输出功率分别达到1.36 mW和0.16 mW,收集频率范围提高一倍。

关键词：平面弹簧振动能量收集器非对称弹簧宽频率范围

简谐激励下的双稳态振动能量收集器动力学分析

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应用力学学报 2016年第6期33卷 1033-1037,1121页

作者：李孙猛吴子英牛峰琦西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048

振动能量收集技术解决了移动电子系统对于电池的依赖。本文设计了一种基于水平摆的双稳态振动能量收集器,建立了其力学模型和动力学方程,借助雅可比矩阵获得了其稳定性条件,使用数值仿真的方法研究了系统响应特性随谐波激励频率与幅值... 详细信息

振动能量收集技术解决了移动电子系统对于电池的依赖。本文设计了一种基于水平摆的双稳态振动能量收集器,建立了其力学模型和动力学方程,借助雅可比矩阵获得了其稳定性条件,使用数值仿真的方法研究了系统响应特性随谐波激励频率与幅值的变化规律。研究发现:双稳态系统在低激励频率下较小的激励幅值也能产生大幅运动;而当频率越高,产生大幅运动所需要的激励幅值也越高;并且当激励频率确定时随着激励幅值的进一步增大,大幅运动的频带变宽。为双稳态振动能量收集器的研究提供理论基础。

关键词：水平摆振动能量收集器稳定性双稳态

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新型微型电磁式振动能量收集器

中南大学学报（自然科学版） 2013年第S1期44卷 436-442页

作者：蓝澜何青赵晓彤宋博华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206 中国电力科学研究院电力系统研究所北京100192

提出一种新型电磁振动能量收集器,该能量收集器主要包括静线圈和由磁体、质量块与平面弹簧构成的拾振系统。理论分析得到拾振系统在谐振频率工作时,相对位移最大,有利于收集振动能量。为了得到结构合理、性能优良的能量收集器,对能量收... 详细信息

提出一种新型电磁振动能量收集器,该能量收集器主要包括静线圈和由磁体、质量块与平面弹簧构成的拾振系统。理论分析得到拾振系统在谐振频率工作时,相对位移最大,有利于收集振动能量。为了得到结构合理、性能优良的能量收集器,对能量收集器拾振系统进行限元建模分析,得到弹簧片厚度、弹簧臂宽度、弹簧臂长度与振动特性的关系;对能量收集器能量转化系统进行有限元建模分析,得到线圈匝数,永磁铁的长、宽、高,线圈磁铁间距,磁铁振幅以及振动与频率输出电压的关系。对确定尺寸的模型,工作在谐振频率45.4 Hz时,仿真分析得到最大输出电压为205 mV。

关键词：振动能量收集器电磁式有限元分析

磁致伸缩振动能量收集器的全耦合非线性等效电路模型

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电工技术学报 2023年第15期38卷 4076-4086页

作者：黄文美刘泽群郭万里薛天祥翁玲省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300130 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学) 天津300130

磁致伸缩材料具有应变大、响应速度快、稳定性好、频带宽的特点,是制作振动能量收集器的理想材料。当前磁致伸缩振动能量收集器建模主要利用线性压磁方程,此模型未能从材料自身耦合和磁路结构进行输出分析,导致输出预测误差较大。该文... 详细信息

磁致伸缩材料具有应变大、响应速度快、稳定性好、频带宽的特点,是制作振动能量收集器的理想材料。当前磁致伸缩振动能量收集器建模主要利用线性压磁方程,此模型未能从材料自身耦合和磁路结构进行输出分析,导致输出预测误差较大。该文首先搭建了磁致伸缩材料磁特性测试装置,测试分析了磁致伸缩材料Galfenol合金在不同压应力尤其是大幅值应力下的磁特性;然后基于Gibbs自由能推导了Galfenol材料的全耦合非线性本构方程,进而构建了考虑漏磁、非线性、机磁耦合及饱和效应的振动能量收集器的等效电路模型,并对等效电路模型进行了非线性数学表征和参数识别;最后基于Galfenol材料设计了一个可以承受大幅值振动力的双棒型振动能量收集器样机,通过实验研究了收集器输出电压在不同力幅值、力频率、负载阻值等工况下的变化规律。实验结果与模型的计算结果对比分析表明,所建立的全耦合非线性等效电路模型可以准确预测振动能量收集器的输出电压特性。

关键词：振动能量收集器 Galfenol合金全耦合非线性模型等效电路输出特性分析

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基于分段线性系统的宽频振动能量收集器

电子测量与仪器学报 2020年第9期32卷 140-145页

作者：张坤武科迪苏宇锋郑州大学机械与动力工程学院郑州450001 河南工业大学机电工程学院郑州450001

研究了一种基于分段线性系统的宽频振动能量收集器,主要由抗磁稳定悬浮结构、弹性膜及感应线圈组成。在静止状态下,悬浮磁铁不需要任何外界能量稳定地悬浮在热解石墨板之间。当振动能量采集器受到水平振动激励时,悬浮磁铁在两热解石墨... 详细信息

研究了一种基于分段线性系统的宽频振动能量收集器,主要由抗磁稳定悬浮结构、弹性膜及感应线圈组成。在静止状态下,悬浮磁铁不需要任何外界能量稳定地悬浮在热解石墨板之间。当振动能量采集器受到水平振动激励时,悬浮磁铁在两热解石墨板之间摆动;当摆动幅度比较大时,悬浮磁铁将与弹性膜发生碰撞使系统刚度呈阶段性变化;随着悬浮磁铁运动,感应线圈中的磁通量发生变化产生感应电动势,从而使外界振动能转化为电能。当水平激励振幅为5 mm时,系统的工作带宽达到3.2 Hz,最大输出电压达到78 mV,最大输出功率为56.3μW;当水平振动激励的加速度为3 m/s^2时,系统的工作带宽达到2 Hz,最大输出电压为44 mV,最大输出功率为18μW。

关键词：分段线性系统振动能量收集器宽频电磁感应

新型聚四氟乙烯体材料双面驻极结构振动能量收集器（英文）

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纳米技术与精密工程 2013年第6期11卷 497-502页

作者：卜灵伍晓明王晓红刘理天清华大学清华信息科学与技术国家实验室北京100084 清华大学微电子学研究所北京100084

提出一种新型静电式振动能量收集器,该器件采用基于聚四氟乙烯体材料驻极体的双面电晕驻极结构,提高了薄膜驻极体静电式振动能量收集器的输出功率.在电晕驻极栅网电压为-700 V的条件下,体材料驻极体的上下表面分别获得了-564.0 V±83.1 ... 详细信息

提出一种新型静电式振动能量收集器,该器件采用基于聚四氟乙烯体材料驻极体的双面电晕驻极结构,提高了薄膜驻极体静电式振动能量收集器的输出功率.在电晕驻极栅网电压为-700 V的条件下,体材料驻极体的上下表面分别获得了-564.0 V±83.1 V、-636.4 V±69.7 V的表面电位均值.采用组装方式制成器件,并在正弦激振条件下测试器件的输出性能.实验结果表明,在振动频率10 Hz、峰值加速度1.2g的条件下,器件输出峰值功率达到30μW,平均功率达到5.5μW,优于目前多数薄膜驻极体器件的性能,接近低功耗传感器的实际功率要求.

关键词：振动能量收集器静电式体材料驻极体双面电晕驻极

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基于抗磁悬浮的摩擦电式振动能量收集器

微纳电子技术 2023年第6期60卷 896-901页

作者：张坤张博刘斐冯伟申会鹏刘宗尧刘保国河南工业大学机电工程学院郑州450001 河南省超硬磨料磨削装备重点实验室郑州450001 白鸽磨料磨具有限公司郑州450199

针对目前传统电池供电方式无法满足无线传感网络需要长期、持久工作的要求,提出了一种基于抗磁悬浮的摩擦电式振动能量收集器,通过将环境中广泛存在的能量转化为电能,实现对无线传感网络长期、稳定的供电。利用搭建的实验测试平台,研究... 详细信息

针对目前传统电池供电方式无法满足无线传感网络需要长期、持久工作的要求,提出了一种基于抗磁悬浮的摩擦电式振动能量收集器,通过将环境中广泛存在的能量转化为电能,实现对无线传感网络长期、稳定的供电。利用搭建的实验测试平台,研究了采集时间、激励加速度及负载电阻对输出性能的影响。实验结果表明,输出电压随着采集时间的增长出现先增大后趋于稳定的趋势;当激励加速度分别为0.2g、0.4g和0.6g时,最大输出电压分别为21.4、29.3和35.6 V,所对应的激励频率分别为19、25和28 Hz;当负载电阻约为1×10^(7)Ω时,振动能量收集器的最大输出功率为123μW,与之相对应的输出电压为38 V。

关键词：振动能量收集器抗磁悬浮无线传感网络能量采集效率激励频率

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悬浮式低频宽带电磁振动能量收集器

微纳电子技术 2023年第5期60卷 758-763页

作者：张志永赵毫杰张坤冯伟申会鹏刘保国郑州科技学院机械工程学院郑州450064 河南省超硬磨料磨削装备重点实验室郑州450001 河南工业大学机电工程学院郑州450001

振动能量收集技术是一种解决无线传感网络供电难题的理想方案。为实现低频、宽带振动能的高效收集,设计了一种基于抗磁悬浮系统的悬浮式电磁振动能量收集器。利用抗磁悬浮系统的低刚度特性降低系统的工作频率,并通过碰撞实现振动能量收... 详细信息

振动能量收集技术是一种解决无线传感网络供电难题的理想方案。为实现低频、宽带振动能的高效收集,设计了一种基于抗磁悬浮系统的悬浮式电磁振动能量收集器。利用抗磁悬浮系统的低刚度特性降低系统的工作频率,并通过碰撞实现振动能量收集器工作频带的拓宽。对所设计的振动能量收集器进行理论分析和实验研究,分析悬浮磁铁的抗磁悬浮机理,建立振动能量收集器的机电耦合模型,测试了不同振动激励、负载条件下振动能量收集器的电能输出特性。实验结果表明,当激励加速度为0.3g时,峰-峰电压为205 mV,最大均方根输出功率为105.7μW,工作带宽可达8 Hz。

关键词：振动能量收集器抗磁悬浮超低频无线传感网络电磁感应

印刷机实时监测的振动能量收集器理论建模和实验验证

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数字印刷 2022年第6期 92-101页

作者：屠迪龙张媛朱磊杜艳平俞朝晖李笑薇北京印刷学院机电工程学院北京102600 北京印刷学院邮政行业技术研发中心北京102600 北京印刷学院印刷与包装工程学院北京102600

针对印刷机内部实时监测的能源和续航问题,本研究提出了一种自供电解决方案。首先实测在印刷机运转情况下飞达结构的振动分布情况,通过快速傅里叶变换获得振动能量主要集中在35~45Hz;其次,设计了一种电磁式振动能量收集器横向布置在印... 详细信息

针对印刷机内部实时监测的能源和续航问题,本研究提出了一种自供电解决方案。首先实测在印刷机运转情况下飞达结构的振动分布情况,通过快速傅里叶变换获得振动能量主要集中在35~45Hz;其次,设计了一种电磁式振动能量收集器横向布置在印刷机内,对其进行动力学和数学建模;最后通过建模软件建立模型输出结果,并与收集器实验结果相比较,波形基本吻合;输出电压峰-峰值均高于1.45V,满足后续整流升压的基本条件。

关键词：印刷机自供电振动能量收集器电磁数学建模