宽频振动能量收集方法研究与结构设计

发布时间：2020-04-27 17:13

【摘要】：物联网系统的运行需要依赖大量分布式的独立电源来供电,这给物联网技术的发展带来了极大的挑战。振动能,作为一种最常见的分布式能源,以多种形式广泛存在于自然界当中。振动能量收集技术能够将环境中的振动能量转换成电能输出和存储,为物联网系统提供丰富的分布式能量来源。振动能量收集器通常是基于谐振原理设计的,这要求结构的谐振频率必须与环境中振动激励的频率相匹配。为了适应自然环境中振动激励的低频性和随机性特点,本文对现有的宽频振动能量收集方法进行了分析总结和理论研究,并将其分为两类,分别设计出了相应的新型振动能量收集器来实现宽频振动能量收集。在此基础上,本文还提出了一种新的宽频振动能量收集方法——多频协同多稳振动法,这种方法吸收了现有两种方法的优点,并弥补了两种方法的先天缺陷,论文的主要工作和研究内容包括以下四个部分:(1)根据工作原理的不同,本文将宽频振动能量收集方法分为了两大类:线性多频共振法和非线性多稳态法。本文对上述两种方法进行了物理建模、宽频原理分析以及变参数研究。分析了这两种方法各自存在的先天缺陷,并指出了现有的基于上述两种方法所设计的宽频振动能量收集器所存在的问题。对于线性多频共振法,现有的能量收集器普遍存在的问题是不同频率的能量收集单元之间相互独立,结构利用率低,以及只能在特定方向上收集振动能等问题;对于非线性多稳态法,其核心问题是势能垒的引入对低强度振动能量收集有阻碍作用。(2)针对线性多频共振法,本文设计了一种双叉梁多模态振动能量收集器来实现多方向宽频振动能量收集。利用有限元仿真分析,研究了双叉悬臂梁在低频范围内的四阶振动模态和对应的四阶固有频率,确定了不同振动模态对应的振动方向以及结构的变形特征。实验中,在水平、竖直两个方向的振动激励下,通过测量扫频激励下双叉悬臂梁的动态应变,验证了仿真分析结果的正确性。通过与一根传统的直悬臂梁进行对比实验,验证了本文所提出的双叉悬臂梁结构在开路输出电压、工作带宽、输出功率密度以及发电效率等多个方面的性能提升,并且证明了该结构具有多方向振动能量收集的功能。(3)针对非线性多稳态法,本文设计了一种跷跷板式悬臂梁振动能量收集器来实现低强度激励条件下的双稳态运动。通过对这种跷跷板式悬臂梁结构在非线性运动中的能量传递过程进行分析计算,从理论上研究和论证了该结构在双稳态运动过程中越过势垒的机理。在实验中,将该结构与传统的双稳态悬臂梁结构在相同的低强度振动激励下进行对比,分别测量了二者的振动位移、开路输出电压以及输出功率密度等,对该结构的宽工作频带和易越过势垒的特性进行了验证。(4)在前两种方法的基础上,本文提出了一种新的宽频振动能量收集方法——多频协同多稳振动法。利用这种方法将多个不同频率的悬臂梁组成阵列,不同悬臂梁之间依靠自由端的永磁体实现相互排斥,实现了一种不同于现有多稳态运动的新的多稳态物理现象——协同多稳态运动。论文利用磁偶极子模型对协同多稳态悬臂梁之间的磁相互作用进行了分析,并推导了协同多稳态系统的势能函数。通过对势能函数和稳态的分析,证明了协同多稳态的存在,论证了协同多稳态运动的实现条件以及协同多稳态系统的最大稳态个数随悬臂梁数量的增加呈指数增长的新特性。通过与线性悬臂梁阵列在开路输出电压、输出功率密度以及发电量等多个方面进行对比实验,进一步验证了理论分析的正确性和多频协同多稳振动法所带来的宽频特性。
【图文】：

收集器,压电振动,悬臂梁式,振动能量

合肥工业大学学术硕士研究生学位论文较高的输出电压和输出功率[30]。图 1.1（a）展示了一种最为经典且最具代表性的振动能量收集器——悬臂梁式压电振动能量收集器[31]。这种悬臂梁式振动能量收集器的优点是结构和工作原理简单，并且制造成本低廉。工作时，悬臂梁自由端的质量块在外部激励所产生的惯性力的作用下带动悬臂梁振动，，使悬臂梁发生往复弯曲变形。悬臂梁根部粘贴的压电换能元件在交变应力的作用下输出电压，从而将振动的机械能转换成电能。

幅频特性曲线,幅频特性曲线,阻尼系统,单自由度

（a）（b）图 1.2 单自由度弹簧-质量-阻尼系统及其幅频特性曲线：（a）物理模型；（b）幅频特性曲线Figure 1.2 Single-degree-of-freedom spring-mass-damper system and its frequency responses: (a)physical model; (b) frequency responses对于常规的线性振动能量收集器而言，只有当外界振动激励的频率接近结构的谐振频率m 时，振动机构才会有较大的响应振幅，装置才能输出足够高的电压到后续的能量收集电路当中，能量收集器才能有效工作。如果外界激励频率与结构的谐振频率相差较大，振动机构的响应振幅极小，在低强度激励下甚至无有效的电压输出，能量收集器显然无法正常工作，也就不能为低功耗的电子设备（如无线传感网络）采能和供能。因此，对于传统的单自由度线性振动能量收集器而言，尽管其结构和工作原理简单，但却难以适应自然环境中振动激励的低频性和随机性特点。为了拓宽振动能量收集器的工作频带，提高低频激励下的能量收集效率，实现宽频振动能量收集，研究人员提出了多种设计思路，并且对宽频振动能量收集方法进行了大量的理论论证和实验研究。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM619

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