本文關(guān)鍵詞：新型電磁型振動能量收集裝置的設(shè)計(jì)與研究

  更多相關(guān)文章： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 能量收集 電磁型 有限元仿真 輸出性能

【摘要】：目前,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向是利用微機(jī)電、微無線通信技術(shù),設(shè)計(jì)體積小、壽命長、功耗低的傳感器節(jié)點(diǎn)。然而,尺寸的壓縮提高了結(jié)構(gòu)的整體性要求,在一些特殊場合,傳感器節(jié)點(diǎn)的供電電源無法實(shí)現(xiàn)更換。因此,尋找一種更方便、有效、安全的微型儲能器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池,成為近年來研究的熱點(diǎn)話題。環(huán)境中能量無處不在,太陽能、風(fēng)能、潮汐能、機(jī)械振動能等等。從環(huán)境中收集能量可以有效的解決無線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問題。根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的特點(diǎn),結(jié)合電磁感應(yīng)原理和電磁型能量收集裝置的物理模型,本文設(shè)計(jì)出適宜在低頻環(huán)境中工作的新型電磁型振動能量收集裝置,利用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件對裝置的靜態(tài)特性和動態(tài)特性做定量分析,并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文的主要工作和成果如下:1.針對目前的能量收集裝置仍存在輸出電壓低、結(jié)構(gòu)制作工藝太復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)、能量轉(zhuǎn)換效率低等問題,提出兩種新型電磁型振動能量收集裝置。一、圓筒式振動能量收集裝置,該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)形成閉合磁路,提高振動能量的利用率;(2)齒狀磁軛的設(shè)計(jì),使裝置在低頻環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)磁通量的多次交變,提高線圈中感應(yīng)電動勢;(3)銜鐵為工字型減小磁路中磁損耗,提高能量轉(zhuǎn)換效率。二、永磁體固定式振動能量收集裝置,該裝置繼承了初始結(jié)構(gòu)和圓筒式振動能量收集裝置的優(yōu)點(diǎn),而且在原有的基礎(chǔ)上做了很大的改進(jìn):(1)加入方軸,使振子的運(yùn)動更加穩(wěn)定,克服掉在復(fù)雜環(huán)境中振子受力不均的情況;(2)永磁體被固定住,提高裝置的環(huán)境適應(yīng)能力及使用壽命;(3)結(jié)構(gòu)相對簡單,易于加工制作。2.利用Ansoft Maxwell軟件對裝置做有限元仿真。通過靜態(tài)仿真分析相關(guān)參數(shù)變化對鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響,對參數(shù)優(yōu)化,提高裝置的能量收集能力;通過動態(tài)仿真量化分析參數(shù)優(yōu)化和線圈匝數(shù)變化對輸出性能的影響,改善裝置的輸出性能。優(yōu)化后圓筒式振動能量收集裝置產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是優(yōu)化前的4倍。當(dāng)永磁體固定式振動能量收集裝置的單個(gè)線圈匝數(shù)為222時(shí),負(fù)載可以獲得有效功率為最大,最大有效功率為9.69mW。3.能量收集電路的設(shè)計(jì)。利用全波橋式整流濾波電路將裝置產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電,并通過充電電路將直流電儲存到儲能電池中,由電池給負(fù)載供電。本文設(shè)計(jì)的能量收集裝置在低頻率下可以得到理想的有效功率,可以為多數(shù)低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。
【關(guān)鍵詞】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 能量收集 電磁型 有限元仿真 輸出性能
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM619;TN929.5;TP212.9
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 課題的研究背景及意義11-12
• 1.2 振動能量收集技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀12-19
• 1.3 振動能量收集技術(shù)的發(fā)展趨勢19-20
• 1.4 本文研究內(nèi)容及章節(jié)安排20-21
• 第2章 電磁型振動能量收集裝置初始結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)21-28
• 2.1 電磁型振動能量收集裝置的基本理論21-24
• 2.1.1 電磁感應(yīng)原理21-22
• 2.1.2 電磁型振動能量收集裝置物理模型22-24
• 2.2 電磁型振動能量收集裝置初始結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)24-27
• 2.2.1 初始結(jié)構(gòu)模型24
• 2.2.2 初始結(jié)構(gòu)工作原理24-26
• 2.2.3 初始結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析26-27
• 2.3 本章小結(jié)27-28
• 第3章 圓筒式振動能量收集裝置28-50
• 3.1 圓筒式振動能量收集裝置28-31
• 3.1.1 圓筒式振動能量收集裝置模型28-29
• 3.1.2 圓筒式振動能量收集裝置工作原理29-31
• 3.1.3 圓筒式振動能量收集裝置的特點(diǎn)31
• 3.2 材料選擇31-35
• 3.2.1 漆包線線圈31-33
• 3.2.2 導(dǎo)磁材料33-34
• 3.2.3 永磁體34-35
• 3.3 邊緣效應(yīng)35-36
• 3.4 能量損耗36-37
• 3.5 Ansoft Maxwell軟件37-40
• 3.5.1 Ansoft Maxwell軟件簡介37-38
• 3.5.2 靜態(tài)仿真步驟38-40
• 3.6 靜態(tài)仿真與參數(shù)優(yōu)化40-46
• 3.6.1 氣隙寬度40-41
• 3.6.2 相對磁導(dǎo)率41-42
• 3.6.3 永磁體半徑42-43
• 3.6.4 邊緣效應(yīng)與銜鐵厚度43-45
• 3.6.5 磁飽和與鐵芯半徑45-46
• 3.7 動態(tài)仿真結(jié)果46-49
• 3.7.1 動態(tài)仿真步驟46-47
• 3.7.2 參數(shù)優(yōu)化對裝置輸出性能的影響47-49
• 3.8 本章小結(jié)49-50
• 第4章 永磁體固定式振動能量收集裝置50-61
• 4.1 永磁體固定式振動能量收集裝置的設(shè)計(jì)50-52
• 4.1.1 裝置模型50-51
• 4.1.2 工作原理分析51-52
• 4.2 靜態(tài)仿真52-56
• 4.3 動態(tài)仿真與輸出性能分析56-59
• 4.3.1 參數(shù)優(yōu)化對輸出性能的影響57
• 4.3.2 線圈匝數(shù)對輸出性能的影響57-59
• 4.4 本章小結(jié)59-61
• 第5章 能量收集電路61-65
• 5.1 整流濾波61-63
• 5.1.1 能量收集裝置等效電路61-62
• 5.1.2 整流濾波62-63
• 5.2 能量存儲63-64
• 5.3 本章小結(jié)64-65
• 第6章 結(jié)論與展望65-67
• 6.1 結(jié)論65-66
• 6.2 展望66-67
• 參考文獻(xiàn)67-71
• 致謝71-72
• 攻讀學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目和成果72

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：939808