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一种风力驱动的新型宽频带旋转式压电发电机设计与性能测试分析

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可再生能源 2016年第4期34卷 524-529页

作者：纪潇褚金奎韩冰峰大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室辽宁大连116023 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室辽宁大连116023

近年来旋转式压电发电装置广泛地应用于风能发电领域。为解决旋转式压电发电机工作频带宽较窄的问题,提出一种利用缓冲块增大工作频带宽的风力驱动的新型旋转式压电发电机结构,建立其理论模型并搭建了单悬臂梁测试实验平台。通过对比有... 详细信息

近年来旋转式压电发电装置广泛地应用于风能发电领域。为解决旋转式压电发电机工作频带宽较窄的问题,提出一种利用缓冲块增大工作频带宽的风力驱动的新型旋转式压电发电机结构,建立其理论模型并搭建了单悬臂梁测试实验平台。通过对比有无缓冲块时压电悬臂梁输出性能,研究了缓冲块的位置参数对压电发电机输出性能的影响规律。实验结果表明,加入缓冲块能增大压电发电机的工作频带宽,工作频带宽可由无缓冲时的3.23～3.83 r/s增大至1.75～7.80 r/s,且缓冲块与悬臂梁的纵向间距越小频带越宽;最佳匹配电阻可由无缓冲时的350 kΩ减小至1 kΩ。在缓冲块与悬臂梁的横向间距为7 mm、纵向间距为0.8～1.2 mm时发电机的工作频带宽和输出功率较大,为宽频带旋转式压电发电机的设计提供了重要的依据。

关键词：风能压电发电机旋转式发电机工作频带宽

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微风驱动的宽频带旋转式压电发电机设计

微风驱动的宽频带旋转式压电发电机设计

作者：纪潇大连理工大学

学位级别：硕士

随着便携电子设备和无线传感器的广泛应用,利用环境中的可再生能源为其提供实时电量已成为研究热点。振动能在环境中存在范围广,资源丰富且无污染,适用于为便携式设备供能,而风可使物体产生振动。然而,目前基于风能的发电设备主要是在... 详细信息

随着便携电子设备和无线传感器的广泛应用,利用环境中的可再生能源为其提供实时电量已成为研究热点。振动能在环境中存在范围广,资源丰富且无污染,适用于为便携式设备供能,而风可使物体产生振动。然而,目前基于风能的发电设备主要是在较大风速环境中发电或利用较高频率振动能发电的发电机。为了实现对微风环境下的低频振动能量的利用,本文设计了一种微风驱动的宽频带旋转式压电发电机。该发电机结构主要包括：风力传动、压电发电以及增频缓冲三部分。在微风驱动下,风力传动部分通过旋转将风力转化为迫使压电发电部分产生振动的驱动力,根据压电效应,压电发电部分将振动转化为电能输出。该发电机结构中加入增频缓冲部分,用来增加工作频带宽,同时可以限制压电发电部分的振动位移对其加以保护。本文的主要工作如下：首先,以垂直轴为基本形式设计了微风驱动的宽频带旋转式压电发电机的总体结构。其中,为减小启动风速,发电机整体为垂直轴,风力传动部分采用S型叶轮;压电发电部分采用压电悬臂梁：为增大工作频带宽收集更大范围风能,在发电机结构中加入增频缓冲部分,并且针对增频缓冲部分设计了两种结构形式：块状结构和圆弧状结构。其次,梳理了发电机风力传动部分的理论计算公式,包括磁铁间的作用力等物理量的计算。根据所得公式设计该部分各零件的尺寸,计算其输出功率、风能利用效率等参数,并推导得出叶轮上游风速与叶轮转速的线性关系。然后,针对发电机增频缓冲部分的两种结构：块状结构和圆弧状结构,分别建立其理论模型并进行仿真分析。当增频缓冲部分为块状结构时,对压电悬臂梁与块状结构碰撞过程提出不同的分析建模方式：将压电悬臂梁与块状结构看作两个对象或看作一个整体进行分析。比较仿真结果发现,块状结构能够在非最佳风速下增加输出功率,且前一种计算繁琐,后一种分析简洁清晰。比较增频缓冲部分的两种结构形式,在相同情况下,圆弧状结构能够使压电悬臂梁的输出电压更大,但与块状结构相比使用起来受限较多,安装要求高。最后,为改善压电发电机输出性能,根据其压电发电及增频缓冲部分结构的特点搭建实验平台,测试了加入增频缓冲部分对压电发电机输出性能的影响,验证了增频缓冲部分能够增大压电发电机的工作频带宽,并对压电发电及增频缓冲部分几项重要参数进行优化。优化测试结果表明：当驱动轮上磁铁数量为4,固定在驱动轮与压电悬臂梁自由端的磁铁间距d为10 mm～15 mm,块状缓冲结构在横向间距△l为7 mm和纵向间距△为0.8 mm～1.2 mm的位置时,压电发电机有最好的输出性能。本文通过在旋转式压电发电机系统中加入增频缓冲部分,可将工作风速范围由5.38m/s～6.38 m/s最大增大至2.92 m/s～13.0 m/s,增大了9.1倍,有效地增大了工作频带宽;最佳匹配电阻可由无缓冲时的350 kΩ最小减小至1 kΩ,并且块状缓冲结构块状缓冲结构在合适的位置时既能增加工作频带宽又能增大输出功率。优化结果为压电发电机整体尺寸设计提供了重要的参考依据。

关键词：微风旋转式发电机压电发电增频

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旋转式微发电机的设计与制造

光学精密工程 2011年第6期19卷 1306-1312页

作者：孙韶春石庚辰北京理工大学机电工程与控制国家级重点实验室北京100081

为了实现旋转式微发电机对微系统的持续供电,研究了旋转式微发电机的设计、制造以及实验方法。首先,设计了具有单转子和单定子的三相、永磁同步微发电机模型。使用传统的磁路分析法得出了微发电机气隙磁密和感应电动势的表达式,确定了... 详细信息

为了实现旋转式微发电机对微系统的持续供电,研究了旋转式微发电机的设计、制造以及实验方法。首先,设计了具有单转子和单定子的三相、永磁同步微发电机模型。使用传统的磁路分析法得出了微发电机气隙磁密和感应电动势的表达式,确定了微发电机的主要设计参数。对模型进行有限元分析,得到了感应电动势波形。然后,利用精密加工技术加工了转子和定子各构件,并装配成为尺寸为(Φ7×2)mm3的微发电机样机。最后,通过实验得出了微发电机在不同气隙厚度和不同转速下的感应电动势。实验结果显示,在气隙厚度为300μm,转子转速为10kr/min时,微发电机的一相感应电动势峰峰值为26.2mV;当接入0.23Ω的对称负载时,三相输出功率为357.3μW。结果表明,微发电机输出结果比较理想,有望作为微系统的电源装置。

关键词：微机电系统微电源微发电机旋转式发电机

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旋转式微发电机磁场分析

传感器与微系统 2011年第5期30卷 44-46,50页

作者：孙韶春石庚辰北京理工大学机电工程与控制国家级重点实验室北京100081

研究旋转式微发电机的磁场分布特性和磁路计算方法。设计了尺寸为Φ7mm×2mm的单定子、单转子结构旋转式微发电机。运用磁路分析法得出了微发电机空载气隙磁密的表达式。使用磁场数值仿真软件对微发电机模型进行了有限元分析,得到了空... 详细信息

研究旋转式微发电机的磁场分布特性和磁路计算方法。设计了尺寸为Φ7mm×2mm的单定子、单转子结构旋转式微发电机。运用磁路分析法得出了微发电机空载气隙磁密的表达式。使用磁场数值仿真软件对微发电机模型进行了有限元分析,得到了空载运行时磁场的主要参数值和感应电动势波形。将数值仿真结果与磁路计算结果进行比较,空载气隙磁密的误差小于2.32%,空载感应电动势最大值的误差小于2.57%。仿真得到的磁场参数值可以用于微发电机的设计与分析,同时验证了磁路分析法可以用于微发电机研究。

关键词：微机电系统旋转式发电机磁场分析磁路分析数值仿真电动势

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旋转式微发电机研究现状及发展趋势

微电机 2010年第8期43卷 75-78页

作者：孙韶春石庚辰北京理工大学机电工程与控制国家级重点实验室北京100081

基于MEMS技术的微发电机体积小、可长期使用,成为研究的热点。目前微发电机主要分为振动式和旋转式两大类:振动式微发电机结构简单,但能量密度小;旋转式微发电机可在高转速下工作,产生高的能量密度。描述了旋转式微发电机的工作原理与... 详细信息

基于MEMS技术的微发电机体积小、可长期使用,成为研究的热点。目前微发电机主要分为振动式和旋转式两大类:振动式微发电机结构简单,但能量密度小;旋转式微发电机可在高转速下工作,产生高的能量密度。描述了旋转式微发电机的工作原理与特点。着重介绍了旋转式微发电机的研究现状,列举了典型的研究成果,总结了其所用的结构、材料和加工工艺。指出了旋转式微发电机的发展趋势,即寻求简化装配、适合大批量生产的材料与工艺。旋转式微发电机的出现,使"小机器产生大功率"的设想成为可能。

关键词：微机电系统(MEMS) 旋转式发电机结构材料工艺

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旋转式微发电机的设计与制造

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 2021年第4期 259-259页

作者：张成财山东青能安装维修工程有限公司山东青州262500

给基于MEMS技术它的微型发电机的体积比较小,但是它的优点就是使用的寿命比较长,现如今已变成了研究的重点。当前,微型发电机主要可以分为两大类;旋转型以及震动行。振动型微型发电机它的结构相对于比较简单,能量的密度比较低,旋转型的... 详细信息

给基于MEMS技术它的微型发电机的体积比较小,但是它的优点就是使用的寿命比较长,现如今已变成了研究的重点。当前,微型发电机主要可以分为两大类;旋转型以及震动行。振动型微型发电机它的结构相对于比较简单,能量的密度比较低,旋转型的微型发动机工作的速度比较快并且它的能量更加的密集。文章主要是分析了微发电机设计,在此基础上讲解了微发电机的加工水平,最后探讨了实验的方式和结果,望可以为有关人员提供到一定的参考和帮助。

关键词：微机电系统微电源微发电机旋转式发电机

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通过增大转速与磁通提高旋转发电机反应速度

机械科学与技术 2010年第2期29卷 175-178页

作者：李福松张龙山徐敏陈志敏西北工业大学航天学院西安710072 西安机电信息技术研究所西安710065

气动式旋转发电机的反应速度不仅是其作为引信电源的一项重要指标。而且也是其作为速度传感器的一项重要的灵敏度指标。采用降低发电机的启动风速的措施来提高发电机的反应速度不仅效果有限,而且还会影响引信的安全性。通过对气动式旋... 详细信息

气动式旋转发电机的反应速度不仅是其作为引信电源的一项重要指标。而且也是其作为速度传感器的一项重要的灵敏度指标。采用降低发电机的启动风速的措施来提高发电机的反应速度不仅效果有限,而且还会影响引信的安全性。通过对气动式旋转发电机的组成、工作机理、运动方程的分析,得出发电机输出电压幅值的数学表达式;通过对该表达式的讨论分析,提出采用增大转速ω(t)与增加磁路磁通m的方法来提高气动式旋转发电机反应速度,并给出了增大ω(t)与增加m的措施以及算例和试验结果。

关键词：引信发电机气动式发电机旋转式发电机永磁式发电机