發(fā)布時間：2021-10-20 15:09

　　為實現(xiàn)低頻/寬頻帶/高強度振動能量回收及基于能量回收的主動振動控制,提出了一種氣體耦合式振動俘能器。介紹了俘能器的系統(tǒng)構(gòu)成原理,對其能量回收特性進行了理論與試驗研究。理論分析結(jié)果表明,俘能器的發(fā)電能力及特性是由環(huán)境振動強度、氣缸/壓電振子的結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)、系統(tǒng)質(zhì)量/背壓等多種要素共同決定的;其它條件確定時,存在使電壓最大的最佳頻率以及使俘能器工作與否的最低臨界頻率;增加背壓/質(zhì)量可不同程度地提高俘能器的輸出電壓和有效帶寬、降低臨界頻率,但對最佳頻率無明顯影響。采用Ф60×0.9mm3雙晶壓電振子及Ф16×100mm3氣缸制作了樣機,測試了不同背壓及質(zhì)量時俘能器的電壓-頻率特性。結(jié)果表明,俘能器最佳/臨界頻率、最大輸出電壓及有效帶寬等與背壓/質(zhì)量關(guān)系均與理論分析結(jié)果相吻合。不同條件下所測得的最佳頻率均為55Hz左右;背壓0.4 MPa、質(zhì)量10kg時所獲得臨界頻率/最大輸出電壓/對應(yīng)25V輸出電壓有效帶寬為9Hz/88V/72Hz,分別為質(zhì)量2.5kg時的0.36倍、2倍和2.2倍。 

【文章來源】：光學(xué)精密工程. 2015,23(02)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

圖１俘能器結(jié)構(gòu)及原理圖Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ

而使活塞產(chǎn)生運動時，壓電振子兩側(cè)（即氣缸上腔Ａ及下腔Ｂ內(nèi)）氣體壓力交替增加或減小，使其彎曲變形并將機械能轉(zhuǎn)換成電能。就功能而言，所提出的俘能器可用于單純能量回收、被動振動抑制（直接將所收集的電能耗散掉）及基于同步開關(guān)能量回收技術(shù)［４－６］的主動控制，本文僅研究其俘能特性。３理論建模及性能影響因素分析３．１壓電振子所受的流體壓力由圖１可知，壓電振子彎曲變形的動力源于氣缸活塞與缸體間相對運動所引起的氣體壓力變化。為獲得壓電振子所受激振力，將俘能器簡化圖２俘能器的彈簧－質(zhì)量系統(tǒng)模型Ｆｉｇ．２Ｓｐｒｉｎｇ－ｍａｓｓｍｏｄｅｌｏｆｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ為圖２所示的彈簧－質(zhì)量系統(tǒng)，其中ｙ（ｔ）＝Ｈｓｉｎωｔ和ｘ（ｔ）分別為振源及活塞位移函數(shù)，Ｈ為振源振幅，ω為振動頻率，則活塞與缸體間相對位移為Ｘ（ｔ）＝ｘ（ｔ）－ｙ（ｔ）。根據(jù)振動分析理論［９］，有：Ｍ¨Ｘ＋Ｃ?Ｘ＋ｋｅＸ＝－Ｍ¨ｙ－Ｆｆ，（１）Ｘ＝Ｈλ２（１－λ２）２＋（２ξλ）槡２ｓｉｎ（ωｔ－φ）－Ｆｆｋｅ，（２）Ｘ０＝Ｈλ２（１－λ２）２＋（２ξλ）槡２－Ｆｆｋｅ，（３）式中：Ｍ為質(zhì)量塊質(zhì)量，Ｃ為阻尼系數(shù)，Ｆｆ為氣缸摩擦力，ｋｅ＝ｋｐ（ｋｓｐ＋ｋｌ）／（ｋｐ＋ｋｓｐ＋ｋｌ）為系統(tǒng)等效剛度，ｋｓｐ為彈簧剛度，ｋｐ為壓電振子剛度，ｋｌ＝ｋｌＡ＋ｋｌＢ，ｋｌＡ＝βｅＡ２Ａ

－３Ｖｍ·Ｎ－１）１１．１彈簧剛度ｋｓｐ／（１０３Ｎ·ｍ－１）３．５系統(tǒng)背壓ｐｂ／ＭＰａ０．４彈簧長度ｌ０／ｍｍ７０大氣壓ｐ０／ＭＰａ０．１氣缸摩擦力Ｆｆ／Ｎ３氣缸半徑ｒ／ｍｍ８氣缸長度ｌ／ｍｍ１００活塞桿半徑ｒ／ｍｍ４振子半徑Ｒ／ｍｍ３０振子厚度ｈ／ｍｍ０．６振子厚度比α０．３３系統(tǒng)質(zhì)量Ｍ／ｋｇ７．５振子質(zhì)量ｍ／ｋｇ０．０２附加容積Ｖ０／ｃｍ３３３圖３背壓及質(zhì)量固定時相關(guān)參數(shù)與頻率的關(guān)系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｖｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｎｄｅｒｇｉｖｅｎｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｒｏｏｆ－ｍａｓｓ圖３示出系統(tǒng)背壓為０．４ＭＰａ、質(zhì)量為７．５ｋｇ時的活塞振幅Ｘ０、壓電振子所受流體壓力Δｐｐ、以及壓電振子振幅Ｚ０與激勵頻率ｆ的關(guān)系曲線。曲線變化趨勢表明，存在一個使活塞及壓電振子產(chǎn)生振動的最低臨界頻率ｆ０（８Ｈｚ）：當ｆ＜ｆ０時，因激振力小于氣缸摩擦力、活塞相對缸體靜止，故Ｘ０＝０、Δｐｐ＝０、Ｚ０＝０；當ｆ＞ｆ０時，Ｘ０及Δｐｐ均與ｆ呈近似的對數(shù)遞增關(guān)系，且存在一個最佳頻率ｆ＊（５３Ｈｚ）使Ｚ０最大（０．３１ｍｍ，低于所允許的最大值０．４３ｍｍ）。圖４質(zhì)量７．５ｋｇ、背壓不同時輸出電壓與頻率的關(guān)系Ｆｉｇ．４Ｖｏｌｔａｇｅｖｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｔ７．５ｋｇａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅ圖４和圖５分別為質(zhì)量恒定

【參考文獻】：
期刊論文
[1]壓電-氣動隔振器的能量回收特性[J]. 闞君武,徐海龍,王淑云,蔣永華,楊振宇,程光明.  振動.測試與診斷. 2013(05)
[2]基于圓弧限位的壓電發(fā)電裝置[J]. 王淑云,闞君武,王鴻云,凌榮華,楊振宇,蔣永華,張忠華.  光學(xué)精密工程. 2013(02)
[3]基于流固耦合作用的壓電液壓振動俘能器[J]. 李征,萬杰,闞君武,王淑云,楊志剛,程光明.  光學(xué)精密工程. 2012(05)



本文編號：3447127