針對(duì)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器存在的問題以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自供電需求,提出一種旋磁激勵(lì)式預(yù)彎梁壓電俘能器。建立了俘能器動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型,通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)方法獲得了轉(zhuǎn)速、磁鐵數(shù)量比、壓縮比及負(fù)載電阻對(duì)其輸出性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,磁鐵數(shù)量比對(duì)激振力作用形式、最佳轉(zhuǎn)速、諧振峰數(shù)及輸出電壓（振幅放大比）均有影響;激振力形式隨磁鐵數(shù)量比增大由脈沖激勵(lì)逐漸變?yōu)檎玫娜遣?lì);隨著磁鐵數(shù)量比的增加,諧振峰數(shù)量及最佳轉(zhuǎn)速減小,存在最佳磁鐵數(shù)量比使得輸出電壓（振幅放大比）最大;壓電振子預(yù)彎裝配后俘能器可實(shí)現(xiàn)等應(yīng)變發(fā)電,適當(dāng)增大壓電振子的壓縮比可降低俘能器軸向剛度提高俘能器在低轉(zhuǎn)速域內(nèi)的輸出能力,最佳轉(zhuǎn)速隨壓縮比的增加而減小,且相鄰諧振峰的間距隨著壓縮比的增加而減小。壓縮比為0.17時(shí)的最大輸出電壓是壓縮比為0.02時(shí)的1.5倍;當(dāng)磁鐵數(shù)量比為0.26,壓縮比為0.08,轉(zhuǎn)速為448r/min時(shí)輸出功率可達(dá)1.55mW。 

【文章來源】：機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2020,56(14)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

俘能器的結(jié)構(gòu)示意圖

??躺暇?嫉畝?盤?拷?ù盤???懦飭Γ?預(yù)彎壓電振子在自身彈性和彈簧力作用下產(chǎn)生軸向往復(fù)伸縮振動(dòng)，并將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。圖1俘能器的結(jié)構(gòu)示意圖與以往靠壓電懸臂梁彎曲振動(dòng)的俘能器相比，本文俘能器的壓電陶瓷工作時(shí)僅受壓應(yīng)力、可靠性高，尤適用于徑向(Y軸)空間受限，但軸向(X軸)空間較大的工作場(chǎng)合；同時(shí)，可軸向串聯(lián)多個(gè)預(yù)彎壓電振子構(gòu)造多振子俘能器，滿足不同環(huán)境的發(fā)電需求。兩端鉸支固定的壓電振子滑動(dòng)端作用預(yù)壓力F，當(dāng)F大于臨界壓力時(shí)，壓電振子將發(fā)生彎曲變形，如圖2所示。在服從材料胡克定律時(shí)，中間區(qū)域應(yīng)力均勻分布、兩端應(yīng)力最小，且隨撓度w增大壓電振子受彎矩變形越顯著，故經(jīng)預(yù)彎裝配后等應(yīng)力面上的壓電陶瓷可實(shí)現(xiàn)等應(yīng)變發(fā)電，且避免了壓電懸臂梁固定端應(yīng)力集中等問題；由彎曲理論[14]可知，壓電振子的中點(diǎn)撓度和弦長(zhǎng)表達(dá)式分別為max2pwj=(1)[]1l2E(p)2E(p,)F(p)F(p,)j=φ+φ(2)式中，j=FEI，F(xiàn)為預(yù)壓力；sin2pα=，γ為兩端預(yù)壓傾角；1arcsinsinp2θφ=，θ為撓曲線切線與x軸夾角；π2220E(p)=∫1psinφdφ為第二類全橢圓積分；220E(p,)=1psindφφ∫φφ為第二類橢圓積分；π2022d()1sinFppφφ=∫為第一類全橢圓積分；022d(,)1sinFppφφφφ=∫為第一類橢圓積分。圖2預(yù)彎梁壓電振子仿真應(yīng)力云圖壓電振子的剛度10Fkδl=(3)式中，00δ=(ll)/l為壓電振子壓縮比，l0為壓電振子原長(zhǎng)。由式(3)可知，通過改變預(yù)彎梁壓電?

俘能器結(jié)構(gòu)原理可知，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速n、動(dòng)/定磁鐵半徑r及磁場(chǎng)強(qiáng)度M、動(dòng)磁鐵回轉(zhuǎn)半徑R等參數(shù)確定時(shí)，壓電振子所受激振力形式、幅值和頻率均與動(dòng)磁鐵數(shù)量n0有關(guān)，定義磁鐵數(shù)量比α(α=n0/nm，nm為轉(zhuǎn)盤上最大均布磁鐵數(shù))，通過Comsol軟件建立了磁力耦合模型，仿真分析了磁鐵數(shù)量比對(duì)激振力的影響規(guī)律。仿真時(shí)，動(dòng)/定磁鐵同性磁極正對(duì)布置，磁鐵尺寸均為φ15mm×5mm，M=8.5×105A/m，R=46mm，d=1mm，nm=19。圖3動(dòng)/定磁鐵的磁力關(guān)系圖圖4為磁鐵數(shù)量比α不同時(shí)激振力與激勵(lì)角(單次激勵(lì)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度)的關(guān)系曲線。曲線表明，激勵(lì)角隨著α的增加而減小，即相同轉(zhuǎn)速下的激勵(lì)周期(0T=60/(nn))隨著α的增加而減�。划�(dāng)α≥0.37時(shí)，激振力幅值隨α的增加而減校原因在于，當(dāng)α<0.37時(shí)，兩相鄰動(dòng)磁鐵間不具耦合性，激振力形式表現(xiàn)為脈沖激勵(lì)；當(dāng)α≥0.37時(shí)，相鄰動(dòng)磁鐵間磁場(chǎng)相互圖4磁鐵數(shù)量比不同時(shí)激振力與激勵(lì)角的關(guān)系曲線疊加，激勵(lì)角不斷減小，激振力形式近似為三角波激勵(lì)(或偏置的正弦激勵(lì))；由于動(dòng)/定磁鐵偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，激振力變?yōu)槲?負(fù)值)，激勵(lì)角越小，幅值疊加進(jìn)的吸引力成分越多，導(dǎo)致幅值隨α的增加而減校2.2俘能器動(dòng)力學(xué)模型的建立根據(jù)振動(dòng)理論，將預(yù)彎梁壓電俘能器簡(jiǎn)化成圖5所示的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，工作時(shí)壓電振子剛度隨弦長(zhǎng)(位移)變化存在一定非線性，但其非線性量值較小，故建模時(shí)將剛度線性化處理[15]，根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論，俘能器的振動(dòng)微分方程表達(dá)式為MX+CX+KX=F(t)(4)式中，M為系統(tǒng)等效質(zhì)?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]MEMS壓電陣列振動(dòng)能量收集器[J]. 佘引,溫志渝,趙興強(qiáng),鄧麗城,尚正國(guó).  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2014(08)
[2]旋磁激勵(lì)式壓電懸臂梁發(fā)電機(jī)性能分析與試驗(yàn)[J]. 闞君武,于麗,王淑云,李洋,陳一峰,金賢芳.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2014(08)

碩士論文
[1]旋磁激勵(lì)式壓電預(yù)彎梁俘能器研究[D]. 張肖逸.浙江師范大學(xué) 2017



本文編號(hào)：3361625