非对称三稳态压电能量采集器的性能分析与实验验证

1

作者 时培明 张博飞 《燕山大学学报》 北大核心 2025年第1期34-43,共10页

为解决对称三稳态压电能量采集器在低强度振动激励下无法进行阱间运动,进而无法产生较高电压信号的问题,设计了一种基于非对称三稳态振动模型的压电能量采集器结构。利用磁偶极子模型、力平衡和基尔霍夫定律建立了采集器的势能模型以及... 为解决对称三稳态压电能量采集器在低强度振动激励下无法进行阱间运动,进而无法产生较高电压信号的问题,设计了一种基于非对称三稳态振动模型的压电能量采集器结构。利用磁偶极子模型、力平衡和基尔霍夫定律建立了采集器的势能模型以及运动控制方程,仿真分析了简谐激励力幅值和噪声强度对采集器运动状态和发电性能的影响规律。得到结论:非对称三稳态压电能量采集器中磁铁的偏移导致了非对称势能阱的产生。非对称势能阱不仅可以拓宽三稳态压电能量采集器的有效工作频带,还可以降低采集器对环境振动强度的要求,使其在低激励幅值下进行阱间运动,改善发电性能。最后制作样机验证了理论仿真结果的正确性。 展开更多

关键词 三稳态压电能量采集器 非对称势阱 集总参数模型 噪声激励

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可调势阱型三稳态压电能量采集器的动力学特性研究

2

作者 侯露刚 李广博 +2 位作者 周宇洋 江一帆 王光庆 《振动工程学报》 北大核心 2025年第8期1711-1721,共11页

为了提高三稳态压电能量采集器的动态输出性能和环境适应能力,提出一种势阱深度和势垒高度可实时调节的柔性三稳态压电能量采集器。在传统磁耦合三稳态压电能量采集器的基础上,引入两个结构和尺寸相同的辅助柔性梁,两个外部磁铁分别固... 为了提高三稳态压电能量采集器的动态输出性能和环境适应能力,提出一种势阱深度和势垒高度可实时调节的柔性三稳态压电能量采集器。在传统磁耦合三稳态压电能量采集器的基础上,引入两个结构和尺寸相同的辅助柔性梁,两个外部磁铁分别固定在上述两个辅助柔性梁末端,当采集器受到外部环境激励时,两个辅助梁在水平方向产生微幅振动,从而实时调节外部磁铁与压电悬臂梁末端磁铁之间的水平间距,达到调节势能阱深度和势垒高度的目的,由此改善三稳态压电能量采集器的动态输出性能和环境适应能力。相较于其他势阱可调型能量采集器,所提柔性结构更加简单、直观。基于欧拉-伯努利梁理论和广义哈密顿原理建立准确描述该三稳态压电能量采集器动态响应特性的机电耦合动力学模型,利用龙格-库塔算法仿真分析了柔性梁特性、磁铁间距等参数对采集器非线性磁力和动力学特性的影响,并与经典的三稳态磁耦合压电能量采集器模型进行仿真和试验比较。结果表明:柔性梁微幅振动是产生变势能阱的主要因素;柔性梁刚度使势能阱的深度变浅,使采集器更易进入大幅阱间振动状态;引入柔性梁后该三稳态采集器具有更低的跳转激励加速度和更宽的工作频带。 展开更多

关键词 三稳态压电能量采集器 非线性动力学特性 可调势能阱 辅助柔性梁

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三稳态压电能量采集器的动态特性与实验 被引量：5

3

作者 赵泽翔 王光庆 +2 位作者 王学保 崔素娟 武海强 《振动．测试与诊断》 EI CSCD 北大核心 2020年第4期668-672,820,821,共7页

为了探究三稳态压电振动能量采集器的动力学特性,以磁-机-压电耦合型三稳态压电振动能量采集器(tristable piezoelectric vibration energy harvester,简称TPVEH)为研究对象,利用磁荷法、力平衡和基尔霍夫定律分别建立了采集器末端磁铁... 为了探究三稳态压电振动能量采集器的动力学特性,以磁-机-压电耦合型三稳态压电振动能量采集器(tristable piezoelectric vibration energy harvester,简称TPVEH)为研究对象,利用磁荷法、力平衡和基尔霍夫定律分别建立了采集器末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型和系统集总参数动力学模型。仿真分析了磁铁间距、激励加速度幅值和频率等参数对采集器动力学特性和采集电压的影响。研制了三稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验验证了仿真结果的正确性。研究结果表明,随着激励加速度幅值增大,能量采集器依次经历单稳态、双稳态和三稳态3种运动状态,且三稳态运动时的工作频带和输出性能(位移、速度和采集电压)比双稳态和单稳态时要高。 展开更多

关键词 三稳态压电采集器 振动能量 非线性动力学特性 集总参数模型

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窄带随机激励下具有时滞反馈的三稳态能量采集系统动力学分析

4

作者 肖玉柱 王若涵 +1 位作者 孙中奎 赵楠楠 《应用数学和力学》 北大核心 2025年第6期742-754,共13页

提出了一种窄带随机激励下具有时滞反馈控制的三稳态能量采集器.首先,利用多尺度方法得到了能量采集系统在主共振附近的稳态响应.然后,采用矩方法推导出了系统的一阶与二阶非平凡稳态矩,并通过Monte⁃Carlo仿真验证了其准确性.最后,基于... 提出了一种窄带随机激励下具有时滞反馈控制的三稳态能量采集器.首先,利用多尺度方法得到了能量采集系统在主共振附近的稳态响应.然后,采用矩方法推导出了系统的一阶与二阶非平凡稳态矩,并通过Monte⁃Carlo仿真验证了其准确性.最后,基于上述稳态响应矩,探讨了系统参数对能量采集性能的影响.研究结果表明:非线性刚度系数的增加可以扩大能量采集系统的工作带宽,窄带随机激励强度的增加可以使能量采集系统的输出电压增大,压电耦合项的增加将导致振幅的二阶稳态矩减小,进而有利于实现能量采集器的小型化设计.此外,当控制反馈增益为负值时,既有利于实现能量采集器的小型化设计,又能有效地增大系统的功率输出.相关结果可为进一步探索和优化能量采集系统提供一定的理论参考. 展开更多

关键词 非线性动力学 三稳态压电能量采集 时滞反馈 随机激励

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变截面压电悬臂梁能量采集器在高斯白噪声激励下的稳态统计特性研究 被引量：1

5

作者 周坤涛 杨涛 +3 位作者 葛根 郝淑英 冯晶晶 张琪昌 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第5期864-874,共11页

环境振动是一种非周期、随机的宽频激励,研究振动能量采集器在环境振动下的能量采集特性具有重要意义。本文采用改进随机平均法,求解了变截面压电梁在高斯白噪声激励下的等效振幅、位移、速度的稳态概率密度函数,位移与速度的联合概率... 环境振动是一种非周期、随机的宽频激励,研究振动能量采集器在环境振动下的能量采集特性具有重要意义。本文采用改进随机平均法,求解了变截面压电梁在高斯白噪声激励下的等效振幅、位移、速度的稳态概率密度函数,位移与速度的联合概率密度函数以及稳态均方输出电压,随后研究了变截面压电梁的能量采集效能。结果表明:负载电阻一定时,截面系数β>0时的变截面压电梁相比β=0时的等截面压电梁有更好的稳态均方输出电压;截面系数β>0时,随着电阻电容乘积的倒数的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐减小的趋势,当电阻电容乘积的倒数值一定时,β值越大,均方电压也越高;随着噪声强度的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐增大的趋势,当噪声强度一定时,β值越大,均方电压也越高。本文研究结果可为变截面压电悬臂梁能量采集系统的设计及应用提供理论依据。 展开更多

关键词 能量采集器 变截面压电悬臂梁 高斯白噪声激励 稳态概率密度 均方电压

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三稳态压电振动能量采集器的动力学建模、仿真与实验研究 被引量：8

6

作者 李颍 鞠洋 +2 位作者 谭江平 赵泽翔 王光庆 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第8期1098-1109,共12页

为探究磁-机-压电耦合型三稳态压电能量采集器的非线性动力学行为,利用磁偶极子点荷方法计算得到了能量采集器末端受到的非线性磁力,基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程建立了三稳态压电振动能量采集器的分布参数机电耦合动力学模型,... 为探究磁-机-压电耦合型三稳态压电能量采集器的非线性动力学行为,利用磁偶极子点荷方法计算得到了能量采集器末端受到的非线性磁力,基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程建立了三稳态压电振动能量采集器的分布参数机电耦合动力学模型,仿真分析了系统参数(d、dg)对能量采集器的势能、磁力以及非线性动力学输出特性的影响。研制了磁-机-压电耦合型三稳态振动能量采集器原理样机,搭建了样机实验平台,实验验证了理论模型与仿真结果的正确性。研究结果表明:适当调整d和dg可使压电振动能量采集器分别作单稳态、双稳态和三稳态运动,其中三稳态运动存在3个势能阱,势能阱的深度和宽度均小于双稳态压电振动能量采集器的势能阱深度和宽度,这有利于提升振动能量采集器的工作频带和采集输出效率。 展开更多

关键词 三稳态压电振动能量采集器 非线性磁力 分布参数机电耦合动力学 实验验证

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非对称、变势能阱三稳态压电振动能量采集器特性研究 被引量：3

7

作者 郑友成 朱强国 +2 位作者 刘周龙 周铄 王光庆 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第5期1280-1291,共12页

为了提升压电振动能量采集器的综合输出性能,提出了一种具有非对称、变势能阱的三稳态压电振动能量采集器,它由一个末端带磁铁的压电悬臂梁以及一对可随弹簧拉伸和压缩而变动的外部磁铁构成。外部磁铁固定在水平弹簧自由端并与基座相连... 为了提升压电振动能量采集器的综合输出性能,提出了一种具有非对称、变势能阱的三稳态压电振动能量采集器,它由一个末端带磁铁的压电悬臂梁以及一对可随弹簧拉伸和压缩而变动的外部磁铁构成。外部磁铁固定在水平弹簧自由端并与基座相连,且能够随着弹簧压缩和拉伸发生水平移动和转动,从而使系统产生非对称且随时间变化的势能阱。基于点磁荷法和拉格朗日函数,建立了压电振动能量采集系统的非线性磁力模型和分布参数动力学模型;仿真分析了磁铁间距离以及加速度和弹簧刚度等参数对系统势能及其动力学响应特性的影响规律。研究结果表明:弹簧拉压是产生非对称、变势能阱的主要因素;弹簧刚度使非对称势能阱的深度变浅,使采集器更易进入大幅阱间振动状态;随着弹簧刚度的增大,采集器输出电压随之先增大后减小。在低激励振幅下,非对称、变势阱能量采集器比传统对称势阱采集器有更广的频带宽度和更高的采集效率。 展开更多

关键词 三稳态压电能量采集 非对称、变势能阱 非线性磁力 动力学特性

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三稳态压电振动能量采集器的非对称势能阱产生机理及其动力学特性研究 被引量：2

8

作者 鞠洋 郑友成 +3 位作者 朱强国 李颍 赵泽翔 王光庆 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第8期1051-1061,共11页

为了揭示三稳态压电振动能量采集器非对称势能阱的产生机理及其对采集器动力学特性的影响机制,考虑采集器压电悬臂梁大扰度几何非线性和末端磁铁重力效应,利用能量法和Hamilton原理建立了三稳态压电振动能量采集器的非线性动力学模型。... 为了揭示三稳态压电振动能量采集器非对称势能阱的产生机理及其对采集器动力学特性的影响机制,考虑采集器压电悬臂梁大扰度几何非线性和末端磁铁重力效应,利用能量法和Hamilton原理建立了三稳态压电振动能量采集器的非线性动力学模型。仿真研究了几何非线性和磁铁重力对系统静态解分岔、势能阱特性及其动力学响应特性的影响规律,结果表明几何非线性和磁铁重力使压电振动能量采集器产生附加的三阶和五阶非线性刚度及重力势能,导致非对称势能阱的产生。非对称势能阱不仅有利于提高三稳态压电振动能量采集器的有效工作频带和能量转换效率,还可以降低采集器对环境振动强度的要求使其在较低激励加速度下可以进入高能轨道运动。实验验证了理论仿真结果的正确性。 展开更多

关键词 三稳态能量采集器 非对称势能阱 几何非线性 重力效应 动力学特性

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三稳态压电-电磁复合能量采集器性能研究 被引量：4

9

作者 彭召洋 宋芳 熊玉仲 《压电与声光》 CAS 北大核心 2023年第6期872-877,共6页

为了提高双稳态压电电磁复合能量采集器(BPEEH)的能量转换性能和转换效率,该文在典型BPEEH的基础上,提出了一种新颖的三稳态压电电磁复合能量采集器(TPEEH)。与传统的BPEEH相比,其兼有一个新颖的电磁发电装置,进一步构成三稳态系统。该... 为了提高双稳态压电电磁复合能量采集器(BPEEH)的能量转换性能和转换效率,该文在典型BPEEH的基础上,提出了一种新颖的三稳态压电电磁复合能量采集器(TPEEH)。与传统的BPEEH相比,其兼有一个新颖的电磁发电装置,进一步构成三稳态系统。该文通过对TPEEH结构装置建立数学模型,进行了数值分析,并得到该采集器系统的势能变化函数。在此基础上,通过实验验证了外界激励频率、磁铁间距及电路负载电阻对该采集器输出电压和功率的影响。实验结果表明,当磁距为16 mm,外部磁间距为26 mm,外部激励频率为10.2 Hz时,TPEEH采集器有最大的输出电压(为6.3489 V),同时在外部负载电阻为500Ω时,采集器获得最大输出功率(为0.08 W)。与传统的BPEEH采集器相比,TPEEH采集器的采集谐振频率低,采集频带宽,输出电压和功率高,从而提高了能量转换性能和效率。 展开更多

关键词 压电 电磁 三稳态 数学模型 复合能量采集器

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多稳态压电振动能量采集器的非线性动力学特性及其实验研究 被引量：12

10

作者 谭江平 王光庆 +2 位作者 鞠洋 李颍 赵泽翔 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第4期765-774,共10页

为了提高非线性双稳态压电振动能量采集器的输出性能,提出了一种基于磁⁃机⁃压电耦合的非线性多稳态振动能量采集器,通过在双稳态压电振动能量采集器模型基础上增加一对外部磁铁,构造了具有四个稳态的非线性压电振动能量采集器。利用磁... 为了提高非线性双稳态压电振动能量采集器的输出性能,提出了一种基于磁⁃机⁃压电耦合的非线性多稳态振动能量采集器,通过在双稳态压电振动能量采集器模型基础上增加一对外部磁铁,构造了具有四个稳态的非线性压电振动能量采集器。利用磁偶极子理论建立了采集器悬臂梁末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型;利用Hamilton原理和Raleigh⁃Ritz方法建立了四稳态压电振动能量采集系统的分布参数机电耦合动力学模型;仿真分析了磁铁水平间距和外部磁铁间距等参数对系统非线性磁力、非线性分岔特性和动力学特性的影响。制作了四稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了样机性能测试平台,实验结果与仿真结果具有较好的吻合度。研究结果表明四稳态压电振动能量采集器可以在低激励水平作用下显著提高能量收集效率,且具有较宽的工作频带。 展开更多

关键词 机电耦合动力学 多稳态压电能量采集器 非线性磁力

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基于双环永磁体结构的多稳态能量采集器建模及性能分析 被引量：1

11

作者 周振华 易正旸 +2 位作者 陈书涵 李战慧 刘鑫 《噪声与振动控制》 CSCD 北大核心 2021年第4期203-209,共7页

宽频带能量采集已经成为当前国际上振动能量采集的研究热点之一。提出基于双环永磁体结构的非线性多稳态能量采集器。采用库伦模型建立双环永磁体磁力数学模型,分析外环永磁体结构参数对能量采集装置势能函数的影响规律,确定能量采集器... 宽频带能量采集已经成为当前国际上振动能量采集的研究热点之一。提出基于双环永磁体结构的非线性多稳态能量采集器。采用库伦模型建立双环永磁体磁力数学模型,分析外环永磁体结构参数对能量采集装置势能函数的影响规律,确定能量采集器在单稳态、双稳态到三稳态之间变化时外环永磁体结构参数范围。通过数值仿真分析能量采集器处于双稳态和三稳态状态时在不同激励加速度幅值和不同激励频率下的动力学响应特性及其电压输出特性。结果表明可以通过调整外环永磁体参数对所提出基于双环永磁体结构的多稳态能量采集器多稳态的状态进行调节,同时三稳态状态下的能量采集带宽显著优于双稳态状态下的采集带宽,电压输出幅值也优于双稳态状态下的能量采集器。最后对比能量采集器处于不同稳态状态时的吸振效果,结果表明能量采集装置处于三稳态状态时吸振性能最好。 展开更多

关键词 振动与波 宽频带能量采集 双稳态 三稳态 双环永磁体

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三稳态能量收集系统的同宿分岔及混沌动力学分析 被引量：10

12

作者 李海涛 丁虎 +1 位作者 陈立群 秦卫阳 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2020年第12期1311-1322,共12页

通过考虑动力系统平衡点的变化,构建了三稳态能量收集装置,分析了系统的同宿分岔和混沌等非线性动力学行为,全面研究了势能函数形状对压电能量收集系统响应的影响规律.建立了三稳态能量收集系统的集中参数模型,基于Padé逼近方法得... 通过考虑动力系统平衡点的变化,构建了三稳态能量收集装置,分析了系统的同宿分岔和混沌等非线性动力学行为,全面研究了势能函数形状对压电能量收集系统响应的影响规律.建立了三稳态能量收集系统的集中参数模型,基于Padé逼近方法得到了同宿轨道解析形式的表达式.根据Melnikov理论发展了能量收集系统同宿分岔以及混沌动力学的定性研究方法,得到了发生同宿分岔的阈值曲线.利用分岔图、最大Lyapunov指数和相平面图等数值方法验证解析结果,当激励幅值超过Melnikov临界阈值时,系统由阱内运动演变为大幅阱间振动.结果表明,调整对称的稳定平衡位置至非对称情形将导致三稳态能量收集系统非线性动力学行为的变化,不仅使系统在低激励强度下实现大幅阱间跳跃,还抑制了混沌响应产生,相关结果为实现优化能量输出效率提供了一定的理论参考. 展开更多

关键词 三稳态 能量收集 MELNIKOV函数 同宿分岔

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三稳态尾流驰振能量捕获系统发电性能研究 被引量：2

13

作者 刘丽兰 吴子英 谭红波 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期498-505,526,共9页

利用流体动能能量发电为微电子器件供电已逐渐成为非线性振动领域的研究热点。利用永磁铁产生非线性回复力,将非线性回复力引入到悬臂梁压电能量捕获装置中,提出了一种三稳态尾流驰振能量压电发电装置,获得力学模型及系统控制方程,获得... 利用流体动能能量发电为微电子器件供电已逐渐成为非线性振动领域的研究热点。利用永磁铁产生非线性回复力,将非线性回复力引入到悬臂梁压电能量捕获装置中,提出了一种三稳态尾流驰振能量压电发电装置,获得力学模型及系统控制方程,获得了三稳态系统的稳定和不稳定平衡点表达式,给出了发电系统存在三稳态运动时的结构参数的取值范围。重点研究了等平衡点不同势阱深度、等势阱深度不同平衡点位置对系统的动力学响应及发电性能的影响。结果表明,等平衡点条件下浅阱系统的起振折合流速更低、发电性能更好。 展开更多

关键词 三稳态 尾流驰振 能量捕获 发电性能

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线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究 被引量：5

14

作者 张旭辉 陈路阳 +3 位作者 陈孝玉 徐冬梅 朱福林 郭岩 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第11期2996-3006,共11页

利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路.通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规... 利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路.通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规律.利用磁偶极子法建立磁力模型,通过实验测量线形-拱形组合梁的恢复力,并采用多项式拟合得到恢复力模型,基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程建立系统的动力学模型,从时域角度仿真分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对系统动力学特性的影响规律.研制线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器样机并搭建实验平台进行实验研究,通过采集组合梁末端响应速度数据,验证了理论分析的正确性.研究表明:引入非线性磁场能够使系统势能呈现单势阱、双势阱或三势阱,激励一定时,调整磁铁水平间距和垂直间距能够使系统实现单稳态、双稳态或三稳态运动,且在三稳态运动时响应位移较大,增大激励水平有利于系统越过势垒实现大幅响应.研究为线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器的设计提供了理论指导. 展开更多

关键词 三稳态压电俘能器 线形-拱形组合梁 非线性磁力 动力学建模 数值仿真

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三稳态驰振能量捕获器发电性能研究 被引量：8

15

作者 谭红波 刘丽兰 薛白鸽 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2020年第10期1539-1546,共8页

将三稳态振动模式引入到流体驰振能量捕获器中,提出了一种用于流致振动环境下的三稳态压电悬臂梁驰振能量捕获器,建立了其力学模型及动力学方程。利用数值仿真比较了双稳态和三稳态驰振系统的动力学特性和发电性能,证明了在较低流速下... 将三稳态振动模式引入到流体驰振能量捕获器中,提出了一种用于流致振动环境下的三稳态压电悬臂梁驰振能量捕获器,建立了其力学模型及动力学方程。利用数值仿真比较了双稳态和三稳态驰振系统的动力学特性和发电性能,证明了在较低流速下三稳态系统更容易发生大幅运动,发电性能更好。进一步研究了三稳态系统参数对驰振能量捕获器发电性能的影响。 展开更多

关键词 三稳态 驰振 能量捕获 动力学响应 发电性能

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梁端磁铁尺寸对三稳态压电俘能器性能影响分析 被引量：4

16

作者 满大伟 王建国 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第4期1459-1467,I0006,共10页

考虑梁端磁铁的尺寸效应和转动惯量,利用广义Hamilton变分原理,建立了较为准确的非线性三稳态压电悬臂梁俘能系统的分布参数型力电耦合运动方程。采用多尺度法求出了该系统运动方程的解析解,主要研究了磁铁间的相对位置、负载阻抗以及... 考虑梁端磁铁的尺寸效应和转动惯量,利用广义Hamilton变分原理,建立了较为准确的非线性三稳态压电悬臂梁俘能系统的分布参数型力电耦合运动方程。采用多尺度法求出了该系统运动方程的解析解,主要研究了磁铁间的相对位置、负载阻抗以及梁端磁铁偏心距和质量对俘能系统性能的影响。结果表明:改变梁端磁铁偏心距和质量对阱间运动最优负载阻抗的影响明显;通过调节磁铁间的相对位置可以改变内、外势阱深度,从而改善俘能效率;阱间运动的最大输出功率和频带宽度随着梁端磁铁偏心距的增加而增大;增加梁端磁铁质量可以大幅拓宽阱间运动的工作频率范围,有效地提高阱间运动的输出功率。 展开更多

关键词 非线性动力学 压电俘能器 多尺度法 三稳态特性 阱间运动

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三稳态压电俘能器的势能函数及对其性能的影响 被引量：1

17

作者 汪灿 马戈 +1 位作者 邹政 谢进 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第2期677-684,共8页

基于压电本构方程、牛顿第二定律和基尔霍夫定律,推导了机械式三稳态非线性压电俘能器的数学模型,采用数值方法研究了压电俘能器的势能函数及其对系统动力学响应和俘能特性的影响,同时,分析了刚度比和弹簧位置参数对势能函数性状的影响... 基于压电本构方程、牛顿第二定律和基尔霍夫定律,推导了机械式三稳态非线性压电俘能器的数学模型,采用数值方法研究了压电俘能器的势能函数及其对系统动力学响应和俘能特性的影响,同时,分析了刚度比和弹簧位置参数对势能函数性状的影响。研究结果表明:三稳态压电俘能器系统的势能函数具有三个势阱且具有对称性,当系统初始位置位于较浅的势阱附近时,系统将更容易做大幅阱间运动,降低有效俘能的激励幅值阈值,能够在较小的激励幅值下产生较大的均方根电压;在阱间运动情况下,势阱宽度越大,系统的均方根电压越大;弹簧位置参数和刚度比等系统参数会影响势阱深度与势阱宽度的大小,通过合理地设计系统参数,能有效提高系统均方根电压、降低有效俘能的激励幅值阈值。 展开更多

关键词 非线性压电俘能器 三稳态 势能函数 势阱深度 势阱宽度

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摆式三稳态摩擦纳米发电机低频振动能量收集研究

18

作者 谭栋国 黄丹丹 +3 位作者 欧旭 覃凌云 王凯 周加喜 《振动与冲击》 2025年第16期29-40,65,共13页

针对传统能量收集装置难以高效收集低频振动能量的问题,利用磁铁之间的相互作用设计了一种磁致式负刚度机构,并将其拓展至摩擦纳米发电,提出一款摆式三稳态摩擦纳米发电机(pendulum-type tristable triboelectric nanogenerator,PT-TEN... 针对传统能量收集装置难以高效收集低频振动能量的问题,利用磁铁之间的相互作用设计了一种磁致式负刚度机构,并将其拓展至摩擦纳米发电,提出一款摆式三稳态摩擦纳米发电机(pendulum-type tristable triboelectric nanogenerator,PT-TENG),用于收集低频振动能量。首先,介绍了PT-TENG的模型设计与工作原理;其次,建立了该发电机的机电耦合模型,利用数值方法研究了该发电机的力学特性和电学性能;然后,分析了系统关键参数对该发电机性能的影响;最后,制备了该发电机的试验样机,进行了验证试验和应用演示试验。结果表明,PT-TENG可以高效地将低频振动能量转化为电能,最高输出功率可达0.27 mW,能够驱动发光二极管阵列。此外,通过选择合理的系统参数可以有效拓宽该发电机低频俘能频带。因此,该研究对低频振动能量收集以及自供电装置设计具有一定指导意义。 展开更多

关键词 低频振动 三稳态 能量收集 非线性动力学

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