基于磁悬浮系统的电磁-摩擦电混合振动能量收集器研究

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作者 刘保国 梁佳园 +2 位作者 张坤 赵毫杰 冯伟 《仪表技术与传感器》 北大核心 2025年第2期16-21,27,共7页

为了解决传统化学电池无法为无线传感网络持久供能的问题,设计了一种高效转换低频振动能的磁悬浮基电磁-摩擦电混合能量收集器,利用磁悬浮系统感应低频环境振动,通过电磁-摩擦电复合能量转换机制高效提取振动能量。研究了平面弹簧刚度... 为了解决传统化学电池无法为无线传感网络持久供能的问题,设计了一种高效转换低频振动能的磁悬浮基电磁-摩擦电混合能量收集器,利用磁悬浮系统感应低频环境振动,通过电磁-摩擦电复合能量转换机制高效提取振动能量。研究了平面弹簧刚度和激励加速度对混合能量收集器输出性能的影响,实验结果表明,输出电压随平面弹簧刚度的增大而降低,随激励加速度的增大而增大,当平面弹簧刚度为562 N/m、激励加速度为1.2g时,电磁能量收集单元(EMG)、摩擦电能量收集单元Ⅰ(TENGⅠ)和摩擦电能量收集单元Ⅱ(TENGⅡ)的最大输出峰峰值电压分别为1.15、53、167 V。 展开更多

关键词 低频 电磁-摩擦电 磁悬浮 振动能量收集器 平面弹簧

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新型微型电磁式振动能量收集器 被引量：11

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作者 蓝澜 何青 +1 位作者 赵晓彤 宋博 《中南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第S1期436-442,共7页

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... 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。 展开更多

关键词 振动能量收集器 电磁式 有限元分析

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基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节 被引量：16

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作者 赵兴强 温志渝 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2013年第2期241-244,共4页

振动能量收集器的最大输出电压发生在共振状态,因此其谐振频率应与环境振动频率一致。针对振动能量收集器与环境频率不匹配的问题,采用单自由度模型分析了悬臂梁-质量块结构的振动能量收集器谐振频率等性能,加工并测试了压电式的微型振... 振动能量收集器的最大输出电压发生在共振状态,因此其谐振频率应与环境振动频率一致。针对振动能量收集器与环境频率不匹配的问题,采用单自由度模型分析了悬臂梁-质量块结构的振动能量收集器谐振频率等性能,加工并测试了压电式的微型振动能量收集器样机,结果谐振频率的误差最大为6%。通过质量调节方法进一步将样机的谐振频率调节了10.5Hz的宽度。针对50Hz的振动环境,将谐振频率为58.7Hz的样机调节到了50.4Hz,输出电压提高了4倍。 展开更多

关键词 压电悬臂梁 微型振动能量收集器 单自由度模型 谐振频率调节 频率匹配

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不同频带宽度的振动能量收集器研究进展 被引量：5

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作者 王小丽 方玉明 +3 位作者 丁立群 杨孟媛 钮飞 邓丽城 《传感器与微系统》 CSCD 2016年第7期5-8,共4页

振动能量收集器由于具有体积小、寿命长、高能量密度等特点,被广泛用于微机电系统设备的供电。从频率角度出发,介绍了单谐振频率、宽频式、频率可调式三种不同频带宽度的振动能量收集器,并系统介绍了上述结构优缺点、国内外现状和发展... 振动能量收集器由于具有体积小、寿命长、高能量密度等特点,被广泛用于微机电系统设备的供电。从频率角度出发,介绍了单谐振频率、宽频式、频率可调式三种不同频带宽度的振动能量收集器,并系统介绍了上述结构优缺点、国内外现状和发展趋势。其中,单谐振频率能量收集结构最为简单,研究较早,技术比较成熟。而宽频式和频率可调式由于更加符合外界环境振动条件,成为研究热点。 展开更多

关键词 振动能量收集器 单谐振频率 宽频式 频率可调式

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压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证 被引量：9

5

作者 王宏金 孟庆丰 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第10期75-80,共6页

提出了一种用于压电振动能量收集器的等效电路建模分析法。这种方法将有限元分析和电子电路分析相结合,根据机电类比机制,把压电振动能量收集器的建模问题从复杂的机械领域转换到纯电学领域进行分析。利用该等效电路法,建立并分析了线性... 提出了一种用于压电振动能量收集器的等效电路建模分析法。这种方法将有限元分析和电子电路分析相结合,根据机电类比机制,把压电振动能量收集器的建模问题从复杂的机械领域转换到纯电学领域进行分析。利用该等效电路法,建立并分析了线性和AC-DC非线性负载电路条件下双压电层并联的振动能量收集器电能预测模型。通过对比发现,经等效电路建模分析得到的电压和功率响应结果与实验测量结果的最大误差不超过5%,这充分证实了等效电路建模分析法能在避免理论建模时的复杂推导过程的前提下,保证电能预测模型的精确性。该研究为创建复杂机械和电学边界条件下压电振动能量收集器电能预测模型提供了一种新的、有效的解决途径。 展开更多

关键词 压电 振动能量收集器 有限元 机电类比 等效电路

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磁致伸缩振动能量收集器的全耦合非线性等效电路模型 被引量：9

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作者 黄文美 刘泽群 +2 位作者 郭万里 薛天祥 翁玲 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第15期4076-4086,共11页

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... 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。 展开更多

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 被引量：9

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作者 张坤 武科迪 苏宇锋 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2020年第9期140-145,共6页

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... 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。 展开更多

关键词 分段线性系统 振动能量收集器 宽频 电磁感应

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圆片级低真空封装的MEMS压电振动能量收集器结构设计 被引量：2

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作者 张颖异 温志渝 邓丽城 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第9期1323-1327,共5页

MEMS低真空封装技术能为MEMS器件的可动部分提供低阻尼环境,降低能量损耗,有效提高器件的能量转换效率,具有重要的研究意义和应用前景,是MEMS技术的研究热点和难点。为了进一步提高MEMS压电振动能量收集器的输出性能,提出了圆片级低真... MEMS低真空封装技术能为MEMS器件的可动部分提供低阻尼环境,降低能量损耗,有效提高器件的能量转换效率,具有重要的研究意义和应用前景,是MEMS技术的研究热点和难点。为了进一步提高MEMS压电振动能量收集器的输出性能,提出了圆片级低真空封装的共质量块MEMS压电悬臂梁阵列振动能量收集器新结构,通过有限元分析方法对器件结构参数进行了优化设计,在优化结构参数下仿真器件输出性能:在610 Hz、2 gn加速度下,器件的输出电压为8.88 V,输出功率为1220μW,能满足实际应用需求;根据器件结构设计了加工工艺流程,对低真空封装结构的实现和封装工艺探索具有重要意义。 展开更多

关键词 MEMS 压电 振动能量收集器 低真空封装

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印刷机实时监测的振动能量收集器理论建模和实验验证 被引量：2

9

作者 屠迪龙 张媛 +3 位作者 朱磊 杜艳平 俞朝晖 李笑薇 《数字印刷》 CAS 北大核心 2022年第6期92-101,共10页

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... 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。 展开更多

关键词 印刷机 自供电 振动能量收集器 电磁 数学建模

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简谐激励下的双稳态振动能量收集器动力学分析 被引量：2

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作者 李孙猛 吴子英 牛峰琦 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第6期1033-1037,1121,共5页

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... 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。 展开更多

关键词 水平摆 振动能量收集器 稳定性 双稳态

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基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器 被引量：5

11

作者 高凯 彭晗 +4 位作者 王劭菁 徐鹏 陈永 陈佳桦 孙寒燚 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第10期2832-2840,共9页

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... 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。 展开更多

关键词 平面弹簧 振动能量收集器 非对称弹簧 宽频率范围

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压电悬臂梁振动能量收集器的建模与仿真 被引量：2

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作者 谢志 《农业装备与车辆工程》 2020年第12期46-50,共5页

针对双晶片悬臂梁式压电能量收集器的集总参数模型,考虑质量块质心位移与压电悬臂梁末端位移的关系,对Roundy模型进行了修正,用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对一定尺寸的双晶片悬臂梁式振动能量收集器进行建模仿真,分析了外界激... 针对双晶片悬臂梁式压电能量收集器的集总参数模型,考虑质量块质心位移与压电悬臂梁末端位移的关系,对Roundy模型进行了修正,用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对一定尺寸的双晶片悬臂梁式振动能量收集器进行建模仿真,分析了外界激励频率、外接负载电阻和外界激励加速度对于压电能量收集器输出电压和输出功率的影响。针对双晶片悬臂梁压电能量收集器的优化问题,研究了通过改变质量块的形状来改变质心高度对于系统的固有频率和输出电压的影响,发现当质量块的质量不变时,随着质心高度的增加,系统一阶固有频率降低的同时,发电能力也相应提高。 展开更多

关键词 压电效应 振动能量收集器 悬臂梁 COMSOL Multiphysics

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一种基于故障监测的MEMS压电能量收集器 被引量：4

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作者 陈永军 温泉 +3 位作者 周雅慧 张颖异 贺显明 温志渝 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2017年第3期383-386,共4页

为了实现对轮船发动机故障监测系统的可持续供电,针对轮船发动机振动特性以及故障监测系统应用需求,设计了一种基于d31工作模式的微机电系统(MEMS)压电振动能量收集器。该能量收集器采用了共质量块压电悬臂梁阵列结构,与传统单梁结构相... 为了实现对轮船发动机故障监测系统的可持续供电,针对轮船发动机振动特性以及故障监测系统应用需求,设计了一种基于d31工作模式的微机电系统(MEMS)压电振动能量收集器。该能量收集器采用了共质量块压电悬臂梁阵列结构,与传统单梁结构相比,其降低了MEMS压电振动能量收集器的机械阻尼。通过ANSYS软件对结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁的优化尺寸为2.72mm×3.55mm×0.125mm,硅质量块的优化尺寸为14mm×8.45 mm×0.575 mm。设计了器件的加工工艺流程,并完成了芯片的制作。在加速度2g(g=9.8m/s2),谐振频率606Hz,最优化负载45kΩ下,输出电压为4.32V,输出功率为414.7μW,能够满足故障检测系统的可持续供电需求。 展开更多

关键词 微机电系统 压电 振动能量收集器 故障监测 阵列

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应用于压电能量收集器的PZT-PZN系陶瓷材料

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作者 谢真真 姜胜林 +3 位作者 曾亦可 张光祖 王静 刘汉东 《压电与声光》 CAS CSCD 北大核心 2012年第3期421-424,共4页

压电材料作为环境振动能量收集器的核心功能材料,是制备高性能能量收集器的关键。该文从提高能量收集效率入手,研究适合于能量转换的高性能压电陶瓷材料。采用两步合成工艺制备出了0.7Pb(Zr0.51Ti0.49)0.99O3-0.3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZT-P... 压电材料作为环境振动能量收集器的核心功能材料,是制备高性能能量收集器的关键。该文从提高能量收集效率入手,研究适合于能量转换的高性能压电陶瓷材料。采用两步合成工艺制备出了0.7Pb(Zr0.51Ti0.49)0.99O3-0.3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZT-PZN)压电陶瓷,研究了La2O3掺杂对其微观结构和机电性能的影响。实验结果表明,掺杂少量的La2O3能显著提高PZT-PZN陶瓷的压电系数(d33)、机电耦合系数(k31、kp)、介电常数(εr)等。当掺杂量为4%(摩尔分数)时,在1 200℃烧结PZT-PZN,显示出良好的压电和介电性能:d33=560pC/N,k31=0.376,kp=0.642,s1E1=16.5×10-12 m2/N,εr=3 125。 展开更多

关键词 环境振动能量收集器 PZT-PZN LA掺杂 机电性能 弹性柔性系数

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用于能量收集器的不锈钢基PZT厚膜制备研究

15

作者 崔林 王士军 +1 位作者 陈伟 张临松 《压电与声光》 CAS CSCD 北大核心 2018年第4期604-607,611,共5页

采用了溶胶-凝胶技术在不锈钢基体上制备了厚为10μm、结构致密的锆钛酸铅(PZT)厚膜。研究了不同退火条件对厚膜结晶状况的影响,X射线衍射分析表明,采用700℃退火处理20min后得到了PZT厚膜的纯钙钛矿相结构。厚膜的电学性能测试结果显示... 采用了溶胶-凝胶技术在不锈钢基体上制备了厚为10μm、结构致密的锆钛酸铅(PZT)厚膜。研究了不同退火条件对厚膜结晶状况的影响,X射线衍射分析表明,采用700℃退火处理20min后得到了PZT厚膜的纯钙钛矿相结构。厚膜的电学性能测试结果显示,厚膜的剩余极化强度(Pr)为7.5μC/cm^2,矫顽场强(Ec)为7.2V/μm,压电常数(d_(33))为73pC/N。设计制作了长20mm、宽4mm的压电悬臂梁结构振动能量收集器。输出性能测试结果显示,振动频率为95Hz,采集器输出电压最高,输出电压值为862mV。 展开更多

关键词 锆钛酸铅(PZT) 厚膜 溶胶-凝胶法 电学性能 振动能量收集器

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面向快递包裹运输的自供电环境监测系统设计和仿真 被引量：1

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作者 屠迪龙 张媛 +2 位作者 朱磊 秦勇 杜艳平 《包装工程》 CAS 北大核心 2022年第11期189-197,共9页

目的针对包裹运输实时状态监测的能源和续航问题,文中设计一种自供电物流环境监测系统以解决相应的续航问题。方法分析公路运输车辆振动分布情况;设计一种电磁振动能量收集器和能量管理电路,建立能量收集器的物理和数学模型;通过仿真和... 目的针对包裹运输实时状态监测的能源和续航问题,文中设计一种自供电物流环境监测系统以解决相应的续航问题。方法分析公路运输车辆振动分布情况;设计一种电磁振动能量收集器和能量管理电路,建立能量收集器的物理和数学模型;通过仿真和实验对比文中提出的收集器的模型和实测的输出结果,并测试能量管理电路性能以及相应阻抗匹配分析。结果收集器仿真结果和实测结果基本吻合,输出电压的峰值均高于1 V。文中提出的能量管理电路能够有效完成收集器输出电压的升压整流,与收集器配合后充电效率最高可达51.1%,阻抗匹配在1 kΩ时输出效果最优。结论文中提出的数学模型有效、可靠,且自供电物流环境监测系统方案有效提升了包裹实时监测的续航能力。 展开更多

关键词 快递包裹 数学建模 物流环境监测 电磁 振动能量收集器 阻抗匹配

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