發(fā)布時(shí)間：2020-02-26 22:57

【摘要】：為滿足旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自供電需求,提出一種由旋轉(zhuǎn)磁鐵與壓電梁端磁鐵耦合激勵(lì)(簡(jiǎn)稱旋磁激勵(lì))的新型壓電懸臂梁發(fā)電機(jī)。建立磁力沖擊載荷作用下壓電梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型,通過數(shù)值分析方法獲得轉(zhuǎn)速、載荷作用時(shí)間以及周期比(載荷作用時(shí)間與振動(dòng)周期之比)對(duì)壓電梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(響應(yīng)波形及放大比)的影響規(guī)律。結(jié)果表明,低速時(shí)屬于脈沖激勵(lì),壓電梁不發(fā)生共振,而高速時(shí)屬周期激勵(lì)且存在多個(gè)最佳轉(zhuǎn)速使放大比最大。此外,周期比給定時(shí)存在最佳轉(zhuǎn)速使放大比最大,轉(zhuǎn)速固定時(shí)存在最佳周期比使放大比最大、且最佳周期比隨轉(zhuǎn)速增加而增加。在此基礎(chǔ)上,測(cè)試分析旋轉(zhuǎn)磁鐵轉(zhuǎn)速/磁鐵厚度以及壓電梁端附加質(zhì)量對(duì)發(fā)電機(jī)發(fā)電能力及特性的影響規(guī)律,證明旋磁激勵(lì)式發(fā)電機(jī)原理的可行性及理論分析結(jié)論的合理性;此外,通過確定合理的沖擊載荷或采用多個(gè)具有不同諧振頻率壓電梁同步工作的方法可有效提高發(fā)電機(jī)的速帶寬度,實(shí)現(xiàn)較大轉(zhuǎn)速范圍的實(shí)時(shí)供電。
【圖文】：

較蚣だ鈊?電振子的發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)及原理上均存在某些難以克服的弊端，嚴(yán)重地制約了其推廣應(yīng)用，尤其不適于高速、勻速及使用空間受限等場(chǎng)合。針對(duì)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)激勵(lì)式壓電發(fā)電機(jī)所存在的問題以及高速、勻速旋轉(zhuǎn)體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自供電需求，作者提出研究一種基于旋轉(zhuǎn)磁鐵與壓電梁端固定磁鐵耦合激勵(lì)的新型旋磁式壓電發(fā)電機(jī)，從理論和試驗(yàn)兩方面研究旋磁激勵(lì)狀態(tài)下磁力大孝載荷作用時(shí)間、激勵(lì)周期及旋轉(zhuǎn)磁鐵轉(zhuǎn)速等對(duì)壓電梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及其發(fā)電能力的影響規(guī)律。1壓電發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理旋磁激勵(lì)式壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其中由金屬基板和壓電晶片粘接而成的壓電梁一端固定在軸承蓋上、另一端安裝有“定磁鐵”和質(zhì)量塊，轉(zhuǎn)盤上安裝有一個(gè)或一組“動(dòng)磁鐵”，且動(dòng)、靜磁鐵的同性磁極靠近安裝。工作過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)盤上的動(dòng)磁鐵與壓電梁上的定磁鐵靠近時(shí)其同性磁極間產(chǎn)生排斥力并使壓電梁軸向彎曲，旋轉(zhuǎn)磁鐵遠(yuǎn)離后壓電梁在其自身彈性力的作用下恢復(fù)變形(或產(chǎn)生持續(xù)的自由振動(dòng))。根據(jù)壓電學(xué)原理，壓電梁發(fā)生彎曲變形的同時(shí)即將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，且所生成的開路電壓Vg與所受外力F及端部變形量δ間的關(guān)系為[6]gVFk(1)式中——與壓電梁結(jié)構(gòu)尺寸及材料有關(guān)的系數(shù)；k——壓電梁的彎曲剛度。本文所提出的旋磁激勵(lì)式壓電發(fā)電機(jī)屬非接觸激勵(lì)，工作過程中不會(huì)產(chǎn)生沖擊與噪聲；激振力的大小易于通過磁力大小(磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁鐵間距)加以調(diào)整；此外，亦可通過質(zhì)量塊大小調(diào)節(jié)壓電梁的基頻，使之與轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，故理論上可在高速及勻速時(shí)發(fā)電。因旋磁式壓電發(fā)電機(jī)承受沖擊載荷，壓電梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及發(fā)電特性與簡(jiǎn)諧激勵(lì)的縱振式壓電發(fā)電機(jī)都將有較大的區(qū)別，目前無(wú)任何可借鑒的相關(guān)成果，尚需要進(jìn)行大量的理論與試驗(yàn)研究。圖1旋磁

146機(jī)械工程學(xué)報(bào)第50卷第8期期x(t)——壓電梁彎曲變形時(shí)其上磁極的偏移量(其大小取決于壓電梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、兩磁鐵間磁力及激勵(lì)頻率)；1m,2m——安裝于轉(zhuǎn)盤和壓電梁端磁鐵的磁矩，與磁鐵厚度成正比。圖2壓電梁的激勵(lì)過程與原理簡(jiǎn)圖根據(jù)圖2所示發(fā)電機(jī)的激勵(lì)過程及原理，載荷函數(shù)為msmm20m4mm0()03sin02[()]0FtTfttTmttTlxtTtT(3)式中λs——?jiǎng)?定磁鐵重疊面積與磁鐵總面積之比；smsintT。2r0r1mrhB；h——圓磁鐵厚度；r——相對(duì)磁導(dǎo)率；B——剩磁。顯然，動(dòng)磁鐵與定磁鐵之間切入前與切出后s0，完全重疊時(shí)s1。式(3)表明，壓電梁某一時(shí)刻所受外力與其端部位移間存在非線性的耦合關(guān)系，，難以通過簡(jiǎn)單的計(jì)算獲得所受外力或變形量的大校根據(jù)振動(dòng)分析理論，壓電梁受沖擊作用的響應(yīng)函數(shù)為[12]0n0n0dddnd0d()exp()cossin1()exp(())sin()dtxxxttxttfttm(4)式中0x——初始位移；0x——初始速度；c/(2kM)為阻尼比；c——阻尼系數(shù)；m'——總質(zhì)量；yzcmmmm；ym——壓電梁質(zhì)量；zm——質(zhì)量塊質(zhì)量；cm——定磁鐵質(zhì)量；nk/m，無(wú)阻尼時(shí)，壓電梁的基頻；2dn1有阻尼時(shí)，壓電梁的基頻。當(dāng)壓電梁受初次激勵(lì)時(shí)，0x0、0x0，則根據(jù)式(4)可得其動(dòng)態(tài)放大比(亦稱放大因子)mnd0dmmnd0dmmsinexp()sin()d0sinexp()sin()dtTkttmTtTkttmTtT(5)式(5)表明，沖擊載荷作用下壓電梁的放大系數(shù)(影響發(fā)電特性)受諸多因素的影響，如壓電梁結(jié)構(gòu)?

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 袁江波;謝濤;單小彪;陳維山;;復(fù)合型懸臂梁壓電振子振動(dòng)模型及發(fā)電試驗(yàn)研究[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2010年09期

2 閆世偉;楊志剛;羅洪波;菅新樂;廖志勇;;TPMS用壓電發(fā)電裝置研究[J];壓電與聲光;2010年05期

3 季宏麗;裘進(jìn)浩;趙永春;朱孔軍;;基于壓電元件的半主動(dòng)振動(dòng)控制的研究[J];振動(dòng)工程學(xué)報(bào);2008年06期

【共引文獻(xiàn)】

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1 李生權(quán);季宏麗;裘進(jìn)浩;;基于壓電智能結(jié)構(gòu)狀態(tài)估計(jì)誤差補(bǔ)償?shù)淖钥箶_振動(dòng)控制[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2012年05期

2 朱曉錦;吳小軍;李帆;高守瑋;;基于雙核處理器的機(jī)敏結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J];計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制;2010年02期

3 李艷華;肖文光;;采用低頻配置的新型胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年04期

4 王佩紅;杜和軍;;基于雙ZnO薄膜單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)的微型壓電振動(dòng)能量采集器(英文)[J];納米技術(shù)與精密工程;2013年04期

5 張利偉;鄭國(guó)強(qiáng);李濟(jì)順;;壓電能量采集技術(shù)研究[J];火力與指揮控制;2013年11期

6 龔俊杰;阮志林;李康超;邊義祥;;新型多層懸臂梁壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能研究[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2014年05期

7 劉祥建;;基于能量法的雙晶壓電懸臂梁發(fā)電裝置機(jī)電耦合系數(shù)分析[J];機(jī)電工程;2014年06期

8 ;Vibration Control of a Composite Beam Using Self-sensing Semi-active Approach[J];Chinese Journal of Mechanical Engineering;2010年05期

9 李生權(quán);季宏麗;裘進(jìn)浩;;基于輸出預(yù)估自抗擾策略的加筋壁板結(jié)構(gòu)多模態(tài)振動(dòng)主動(dòng)控制[J];振動(dòng)工程學(xué)報(bào);2012年01期

10 閆震;何青;;激勵(lì)環(huán)境下懸臂梁式壓電振動(dòng)發(fā)電機(jī)性能分析[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2011年30期

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1 李生權(quán);季宏麗;裘進(jìn)浩;;基于輸出預(yù)估自抗擾策略的加筋壁板結(jié)構(gòu)多模態(tài)振動(dòng)主動(dòng)控制[A];第十屆全國(guó)振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（2011）上冊(cè)[C];2011年

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1 劉祥建;多方向壓電振動(dòng)能量收集方法及性能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

2 李生權(quán);基于前饋補(bǔ)償?shù)膲弘娭悄芙Y(jié)構(gòu)復(fù)合振動(dòng)主動(dòng)控制[D];南京航空航天大學(xué);2012年

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1 蔡亮亮;基于觀測(cè)器的半主動(dòng)多模態(tài)振動(dòng)控制研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

2 彭少鋒;壓電饋能式半主動(dòng)液壓阻尼器研究[D];吉林大學(xué);2012年

3 徐文超;基于延遲線型聲表面波傳感器的無(wú)源胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D];山東大學(xué);2012年

4 劉學(xué)凱;反饋控制摩擦阻尼器設(shè)計(jì)及耗能機(jī)理研究[D];濟(jì)南大學(xué);2012年

5 趙子超;多振子串聯(lián)壓電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2013年

6 彭飛;基于磁諧振的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)研究[D];北京交通大學(xué);2013年

7 趙吉鶴;串聯(lián)結(jié)構(gòu)和共面電極結(jié)構(gòu)的d_(15)模式壓電俘能器[D];湘潭大學(xué);2012年

8 龐高磊;車路耦合振動(dòng)對(duì)壓電陶瓷機(jī)電轉(zhuǎn)換性能影響的研究[D];武漢理工大學(xué);2013年

9 朱縣亮;光刻機(jī)主動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

10 鐘勇;用于路面機(jī)械能量回收的壓電換能器研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

【二級(jí)參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前9條

1 陸杰;高明煜;余厲陽(yáng);;基于壓電陶瓷發(fā)電的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào);2007年05期

2 程光明;龐建志;唐可洪;楊志剛;曾平;闞君武;;壓電陶瓷發(fā)電能力測(cè)試系統(tǒng)的研制[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2007年02期

3 溫志渝;溫中泉;賀學(xué)鋒;廖海洋;劉海濤;;振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)及其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2008年11期

4 劉佳鑫;王寧會(huì);李國(guó)鋒;;基于壓電俘能器的免電池學(xué)習(xí)型遙控開關(guān)[J];通信電源技術(shù);2008年06期

5 謝濤;袁江波;單小彪;陳維山;;多懸臂梁壓電振子頻率分析及發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2010年02期

6 褚金奎;杜小振;樸相鎬;;壓電發(fā)電微電源國(guó)外研究進(jìn)展[J];壓電與聲光;2008年01期

7 曾平;佟剛;程光明;楊志剛;唐可洪;闞君武;;壓電發(fā)電能量?jī)?chǔ)存方法的初步研究[J];壓電與聲光;2008年02期

8 閆世偉;楊志剛;羅洪波;菅新樂;廖志勇;;TPMS用壓電發(fā)電裝置研究[J];壓電與聲光;2010年05期

9 李威 ,尹術(shù)飛;TPMS的無(wú)源化發(fā)展方向研究[J];重型汽車;2005年05期

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1 季宏麗;智能結(jié)構(gòu)的自感知主動(dòng)振動(dòng)控制以及半主動(dòng)振動(dòng)控制的研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

【相似文獻(xiàn)】

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1 王運(yùn)民;;125MW機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)整試驗(yàn)分析[J];河南電力;1995年02期

2 ;分立器件[J];世界電子元器件;2003年12期

3 ;[J];;年期

4 ;[J];;年期

5 ;[J];;年期

6 ;[J];;年期

7 ;[J];;年期

8 ;[J];;年期

9 ;[J];;年期

10 ;[J];;年期

本文編號(hào)：2583122