采用MSMA智能材料的振动能量采集器研究

发布时间：2020-10-16 22:48

　　 近几年来,由于微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)技术的迅速发展,使得出现了大量微型电子设备。与此同时,如何寻找一种能够持续为微型电子设备供电的方式也愈加受到科技人员的关注。机械振动能量作为一种普遍存在于自然界的能量,是一种良好的可采集利用的能量。目前,根据国内外研究表明,磁控形状记忆合金(Magnetically controlled Shape Memory Alloy,MSMA)具有良好的磁控合金逆特性,并且利用该逆特性可以将振动能转化为电能。本文基于磁控形状记忆合金的逆效应,提出并设计了一种新型振动能量采集器,并在此基础上设计了相关检测系统与能量存储装置。以下为本文主要内容:一、本文分别叙述了电磁式、静电式、压电式、磁致伸缩式能量收集技术。针对上述不同方式的收集技术确定了各自优缺点及适用范围。二、本文介绍了磁控形状记忆合金的材料特性,给出了MSMA能量采集器的工作原理。三、借助有限元分析软件ANSYS14.0对所设计的振动能量采集器进行电磁仿真,并采用西门子三维设计软件UG进行机械结构设计,制作完成该能量采集器。四、本文搭建了一套高速数据采集系统,实时地记录实验过程中MSMA材料所受到的压力、磁场强度、温度的变化。五、针对能量采集器的输出电压,设计了一种基于有源功率校正的能量存储电路,便于能量的收集与利用。最后,本文对设计完成的振动能量采集器进行振动试验,发现在恒定偏置磁场条件下,感应电压与应力大小和频率呈正相关关系且能量收集电路可实现电压的高效存储。
【学位单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH-39;TB381
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 本文研究背景及意义
    1.2 振动能量采集器研究现状
        1.2.1 压电式振动能量采集技术
        1.2.2 电磁式振动能量采集技术
        1.2.3 静电式振动能量采集技术
        1.2.4 磁致伸缩式振动能量采集技术
    1.3 本文主要研究内容
第2章 磁控形状记忆合金材料特性与工作机理
    2.1 磁控形状记忆合金材料特性
        2.1.1 磁控形状记忆合金晶体结构
        2.1.2 磁控形状记忆合金变形机理
        2.1.3 磁控形状记忆合金逆特性
    2.2 磁控形状记忆合金性能的影响因素
        2.2.1 磁场强度对MSMA材料性能的影响
        2.2.2 外部应力对MSMA材料性能的影响
    2.3 振动能量采集器工作机理
    2.4 本章小结
第3章 MSMA振动能量采集器结构设计与实现
    3.1 引言
    3.2 MSMA振动能量采集器结构设计
        3.2.1 振动能量采集器总体设计
        3.2.2 振动能量采集器预压装置设计
        3.2.3 磁路设计
        3.2.4 感应绕组设计
        3.2.5 永磁体选择
    3.3 振动能量采集器电磁分析
        3.3.1 模型建立及材料参数设置
        3.3.2 网格划分
        3.3.3 施加边界条件并求解
        3.3.4 矢量显示
    3.4 本章小结
第4章 振动能量采集器的数据采集与样机实验
    4.1 引言
    4.2 数据采集系统设计
        4.2.1 数据采集系统控制电路设计
        4.2.2 温度数据采集模块
        4.2.3 应力数据采集模块
        4.2.4 位移数据采集模块
        4.2.5 磁感应强度数据采集模块
        4.2.6 感应电压数据采集模块
        4.2.7 数据采集显示软件设计
    4.3 振动能量采集器样机实验
    4.4 本章小结
第5章 一种有源Boost型PFC振动能量采集电路
    5.1 Boost型APFC电路简介
    5.2 Boost型APFC电路模态分析
    5.3 Boost型APFC控制电路设计
    5.4 电路仿真与实验结果
    5.5 本章小结
结论
参考文献
致谢
攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文

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本文编号：2843883