基于懸臂式鐵鎵合金的動力學(xué)模型、等效電路模型和伏安特性建立懸臂式鐵鎵合金振動能量收集裝置的輸出電壓和輸出功率模型,設(shè)計能量存儲電路,搭建了鐵鎵合金振動能量收集裝置實驗平臺。實驗結(jié)果表明,在67Hz固有頻率、外接17Ω負(fù)載時,樣機(jī)的最大輸出功率為116mW,對應(yīng)的功率密度約為271μW/cm3;電壓智能調(diào)解電路的最大輸出電壓可保持在5.1V,且可為鋰電池提供4.18V的充電電壓,實驗驗證了振動收集裝置的輸出電壓經(jīng)過所設(shè)計的能量存儲電路可有效地為超級電容器和鋰電池充電,實現(xiàn)對能量的存儲;樣機(jī)可持續(xù)點亮LED燈和數(shù)碼管,進(jìn)一步證明了文中涉及的振動收集裝置及存儲電路的有效性,并為其在無線傳感器節(jié)點供電中的實際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。 

【文章來源】：電工技術(shù)學(xué)報. 2020,35(14)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

9 樣機(jī)為多個數(shù)碼管供電

懸臂式鐵鎵合金振動收集裝置原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于懸臂式鐵鎵合金的振動能量收集裝置有兩個單元：一個是振動收集機(jī)構(gòu)，包括鐵鎵MsM層，鐵鎵層粘合在基底上并由拾取線圈纏繞包裹，如圖1a所示，該裝置總體上是一個復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)，鐵鎵層與基底以及拾取線圈層由3MDP100雙組分環(huán)氧膠粘劑固化；另一個是能量收集和存儲電路。鐵鎵合金的易磁化軸沿縱向，在壓縮應(yīng)力下對該材料進(jìn)行應(yīng)力退火，以提供內(nèi)置的單軸各向異性[18]，從而在壓縮和拉伸應(yīng)力下磁通量均能產(chǎn)生變化。當(dāng)振動通過基座激勵或自由激勵作用在梁上時，該結(jié)構(gòu)會像懸臂一樣彎曲，即梁內(nèi)產(chǎn)生彎曲應(yīng)變和應(yīng)力。彎曲引起的振動應(yīng)變將通過Villari效應(yīng)改變鐵鎵層的磁通量，由周期性彎曲變形引起的變化磁通量會通過法拉第電磁感應(yīng)在拾取線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。最后，能量采集與存儲電路將感應(yīng)電壓作為電能進(jìn)行采集和存儲，并根據(jù)電子元件的電壓與功率要求向其供電，如圖1b所示。1.1 輸出電壓

鐵鎵合金復(fù)合懸臂梁的機(jī)械結(jié)構(gòu)與動力學(xué)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，懸臂梁長和寬分別為l和b，在基座施加的位移激勵y(t)作用下，懸臂梁自由端所產(chǎn)生的位移為z(t)。基于平均應(yīng)變，推導(dǎo)出等效系統(tǒng)單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼近似模型（見圖2b），該模型僅在基本固有頻率范圍內(nèi)有效，當(dāng)工作在更高頻率時，需要研究更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪Ｐ�。根�?jù)建立的動力學(xué)模型，可得到懸臂梁自由的運動方程[19]為

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]考慮磁化及磁致伸縮特性各向異性的感應(yīng)電機(jī)鐵心電磁應(yīng)力分析[J]. 賁彤,陳龍,閆榮格,張宇嬌,楊慶新.  電工技術(shù)學(xué)報. 2019(01)
[2]電動汽車無線充電系統(tǒng)對人體及體內(nèi)植入器件電磁安全研究[J]. 趙軍,李乃良,王磊,辛建波,劉超群.  電工技術(shù)學(xué)報. 2018(S1)
[3]T型直線超聲波電動機(jī)的運行機(jī)理及其特性分析[J]. 王光慶,徐文潭,楊斌強(qiáng).  電工技術(shù)學(xué)報. 2017(15)
[4]磁致伸縮懸臂梁振動能量采集器建模與仿真[J]. 趙冉,盧全國,劉柳,聶勤.  南昌工程學(xué)院學(xué)報. 2016(04)
[5]電磁能量收集技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 趙爭鳴,王旭東.  電工技術(shù)學(xué)報. 2015(13)
[6]新型高性能電工材料應(yīng)用特性建模技術(shù)研究[J]. 楊慶新,閆榮格,陳海燕,楊文榮,劉素貞.  電工技術(shù)學(xué)報. 2006(06)

博士論文
[1]壓電板殼風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計與振動控制研究[D]. 喬印虎.合肥工業(yè)大學(xué) 2014

碩士論文
[1]基于自供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議研究[D]. 李志.南京航空航天大學(xué) 2014
[2]壓電發(fā)電在汽車輪胎報警器上的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D]. 羅洪波.吉林大學(xué) 2008
[3]基于壓電陶瓷的汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)無源化研究[D]. 菅新樂.吉林大學(xué) 2007



本文編號：3440579