悬臂式磁致伸缩冲击振动收集器设计与工作特性研究
发布时间：2021-04-08 20:17
近年来,随着低功耗超大规模集成电路设计和CMOS制造的发展,无线传感器节点的功率消耗不断降低,从原来的mW级降至?W级。无线供电以及长期供电是传统的供电方式所不能满足的,能量供给问题已经成为目前限制无线传感器、无线通信系统等电子设备推广和发展的重要影响之一。持续性或间歇性的振动广泛存在于实际的生产生活中,例如加工零件过程中产生的切削振动、车辆行驶中的颠簸振动、行走的人们以及桥梁振动等。通过技术手段利用环境中的振动产生得电能,将是解决小功率电子设备供电问题的有效途径之一。与此同时也是推动绿色环保、低碳生活理念的重要方式。本文采用具有双向换能效应的新型功能材料—磁致伸缩材料设计了悬臂式磁致伸缩冲击振动收集器,并展开相关工作特性研究。本文以磁致伸缩材料的逆效应特性为理论基础,并观测Fe-Ga的金相组织,提出了一种新的以薄膜状磁致伸缩材料做为核心元件,采用ansys有限元分析优化了预磁化场的分布情况,确定永磁体的布置方式,利用实验验证,实验结果与仿真结果基本吻合;分析了基底尺寸的大小对Fe-Ga合金薄片的固有频率和端点位移的影响;对拾取线圈的参数进行了参数设计,最终完成了对以薄片状Fe-Ga作...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁式振动发电系统示意图
沈阳工业大学硕士学位论文4电磁式振动能量收集装置不需要外部驱动电源和智能材料等优势。但需要永磁铁和线圈两个重要元件[18]，电磁式振动能量收集装置其结构尺寸较大、输出电压较低、输出功率较低等不足。1.2.2静电式能量收集技术静电式振动能量收集技术主要依靠静电效应原理，目的将振动能量转换为有效电能。在振动能量收集装置最初通过一个持续供电的设备为电容器施加，实现电压对外传输电能，从而使电容器之间产生电压差，将机械振动引起极板距离或相对位置发生变化，相对改变电容值[19]，当外界环境中的振动发生变化时，回路中会产生电流，电流发生的变化会产生电能，将机械动能转化为电能，从而实现了能量的转化的目的。近年来，国内外学者对静电式能量收集技术进行研究，Roundy等[20]于2002年提出了如图1.3所示的两种不同的静电式能量转换结构,分别为改变距离式结构（a）和改变交叠面积式结构（b）两种结构。图（a）变间距式结构图（b）变面积式结构图1.3静电式振动能量收集装置原理图Fig.1.3Schematicdiagramofelectrostaticvibrationenergycollectingdevice静电式振动能量收集技术，外部激励振源作用时将引起两板之间的距离与相对重叠面积大小发生改变，极板之间间距d、极板间的介质和相对交叠面积S变化时电容C会随改变。通常极板间的电场可以看成均匀的电场，电容量C和电容储存的能量Ec分别表示为:dSεεdεSCr0CQ21E2C式中：ε=ε0εr；为极板间介电常数；ε0为真空介电常数，ε0=8.86×10-12F/m；εr为介电常数；S为极板相对交叠面积；d为极板间距；Q为极板电荷，所以只要改变d、S和ε中任意一个参数，电容量就会发生改变，机械动能就会转化为电能。（1.2）（1.3）
第1章绪论5目前，静电式振动能量收集技术应用在大量能量发电器中得到了广泛的使用。不少国内外学者对驻极体引导的微型能量收集装置进行了研究［21-24］。2007年，Sterken等［25］采用微加工技术研究出驻极体微型能量收集装置，如图1.4所示，研究出装置的力学与电学模型。通过结果可知，该能量收集装置在加速度为1g、负载电阻为1MΩ、频率为500Hz时，输出功率为2nW。2009年，Naruse等［26］研究了微球支撑的低频静电式微型能量收集装置，如图1.5所示，通过滑动部件在导轨上做往复的运动。分析结论可得出，在频率为2Hz、加速度为0.4g的振动激励下，输出功率为40μW，实现低频静电式能量收集。图1.4微加工制作的驻极体能量收集装置图1.5微球支撑的静电式能量收集装置Fig.1.4PolarenergycollectingdeviceFig.1.5Electrostaticenergycollectingformicrofabricationdevicesupportedbymicrospheres由于静电式的振动能量收集方式不需要使用新型功智能材料，可以实现与微机电系统的集成，且锲合度较好，其通常可忽略谐振效应，优点是具有较宽频带的能量收集范围等。但，静电式的振动能量收集方式需要接入一个稳定的外部电源，无法应用于不易更换的场所，且产生的电流较低、输出阻抗高，能量收集装置的加工工艺复杂，效率较低。因此静电式振动能量收集技术优化是未来的研究重点。1.2.3压电式能量收集技术压电式能量收集技术主要依靠压电效应，压电材料具有正压电效应、逆压电效应两种［27-28］。当外力的方向发生改变时，电荷的极性也会随外力方向的改变而随之变化；要使其恢复到初始不带电的状态，即把外界激励撤离。而逆压电效应则指压电材料发生极化和形变，所处在磁场中会对应产生应力和应变，在材料性能允许的范围内应力和应变的变形大小
【参考文献】：
期刊论文
[1]宽频压电振动俘能器的研究现状综述[J]. 徐振龙,单小彪,谢涛. 振动与冲击. 2018(08)
[2]磁致伸缩振动能量采集器的研究进展[J]. 曹淑瑛,孙帅帅,郑加驹,王雪源,韩恭万,刘璐. 微纳电子技术. 2017(09)
[3]从人体行走中收集能量的鞋上压电俘能器[J]. 樊康旗,刘朝辉,王连松,余波. 光学精密工程. 2017(05)
[4]压电式可穿戴集能器的研究现状及发展趋势[J]. 曹文英,聂芳辉,黄巍,谷秋瑾,于伟东. 电子元件与材料. 2016(08)
[5]振动能量收集技术的研究现状与发展趋势[J]. 刘成龙,孟爱华,陈文艺,李厚福,宋红晓. 装备制造技术. 2013(12)
[6]微型振动能量收集器的研究现状及发展趋势[J]. 陈文艺,孟爱华,刘成龙. 微纳电子技术. 2013(11)
[7]微型压电能量收集器的研究现状和发展趋势[J]. 陈定方,孙科,李立杰,杨艳芳,梅杰. 湖北工业大学学报. 2012(04)
[8]基于压电效应的路面能量收集技术[J]. 赵鸿铎,梁颖慧,凌建明. 上海交通大学学报. 2011(S1)
[9]多悬臂梁压电振子频率分析及发电实验研究[J]. 谢涛,袁江波,单小彪,陈维山. 西安交通大学学报. 2010(02)
[10]微机电系统（MEMS）技术及发展趋势[J]. 王亚珍,朱文坚. 机械设计与研究. 2004(01)
博士论文
[1]超磁致伸缩式与永磁式振动发电的理论与实验研究[D]. 王志华.河北工业大学 2010
[2]基于MEMS技术的微型电磁式振动能量采集器的研究[D]. 王佩红.上海交通大学 2010
[3]超磁致伸缩换能器滞回非线性模型的研究[D]. 郑加驹.天津大学 2009
[4]含轻稀土超磁致伸缩材料的合成及物性研究[D]. 刘何燕.河北工业大学 2006
硕士论文
[1]基于MEMS技术的非线性静电式能量采集器的研究[D]. 傅利峰.浙江大学 2016
[2]基于车辆运行的轨道振动能量回收系统研究[D]. 袁天辰.上海工程技术大学 2014
[3]基于压电材料的振动发电装置的研究[D]. 王军龙.江苏大学 2010
[4]超磁致伸缩驱动器精密位移驱动控制研究[D]. 徐彭有.上海交通大学 2010
[5]磁弹受力理论三种模型的建立与描述的初步探讨[D]. 王皞.北京化工大学 2009
[6]微型振动式发电机的基础理论及关键技术研究[D]. 温中泉.重庆大学 2003
本文编号：3126200
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁式振动发电系统示意图
沈阳工业大学硕士学位论文4电磁式振动能量收集装置不需要外部驱动电源和智能材料等优势。但需要永磁铁和线圈两个重要元件[18]，电磁式振动能量收集装置其结构尺寸较大、输出电压较低、输出功率较低等不足。1.2.2静电式能量收集技术静电式振动能量收集技术主要依靠静电效应原理，目的将振动能量转换为有效电能。在振动能量收集装置最初通过一个持续供电的设备为电容器施加，实现电压对外传输电能，从而使电容器之间产生电压差，将机械振动引起极板距离或相对位置发生变化，相对改变电容值[19]，当外界环境中的振动发生变化时，回路中会产生电流，电流发生的变化会产生电能，将机械动能转化为电能，从而实现了能量的转化的目的。近年来，国内外学者对静电式能量收集技术进行研究，Roundy等[20]于2002年提出了如图1.3所示的两种不同的静电式能量转换结构,分别为改变距离式结构（a）和改变交叠面积式结构（b）两种结构。图（a）变间距式结构图（b）变面积式结构图1.3静电式振动能量收集装置原理图Fig.1.3Schematicdiagramofelectrostaticvibrationenergycollectingdevice静电式振动能量收集技术，外部激励振源作用时将引起两板之间的距离与相对重叠面积大小发生改变，极板之间间距d、极板间的介质和相对交叠面积S变化时电容C会随改变。通常极板间的电场可以看成均匀的电场，电容量C和电容储存的能量Ec分别表示为:dSεεdεSCr0CQ21E2C式中：ε=ε0εr；为极板间介电常数；ε0为真空介电常数，ε0=8.86×10-12F/m；εr为介电常数；S为极板相对交叠面积；d为极板间距；Q为极板电荷，所以只要改变d、S和ε中任意一个参数，电容量就会发生改变，机械动能就会转化为电能。（1.2）（1.3）
第1章绪论5目前，静电式振动能量收集技术应用在大量能量发电器中得到了广泛的使用。不少国内外学者对驻极体引导的微型能量收集装置进行了研究［21-24］。2007年，Sterken等［25］采用微加工技术研究出驻极体微型能量收集装置，如图1.4所示，研究出装置的力学与电学模型。通过结果可知，该能量收集装置在加速度为1g、负载电阻为1MΩ、频率为500Hz时，输出功率为2nW。2009年，Naruse等［26］研究了微球支撑的低频静电式微型能量收集装置，如图1.5所示，通过滑动部件在导轨上做往复的运动。分析结论可得出，在频率为2Hz、加速度为0.4g的振动激励下，输出功率为40μW，实现低频静电式能量收集。图1.4微加工制作的驻极体能量收集装置图1.5微球支撑的静电式能量收集装置Fig.1.4PolarenergycollectingdeviceFig.1.5Electrostaticenergycollectingformicrofabricationdevicesupportedbymicrospheres由于静电式的振动能量收集方式不需要使用新型功智能材料，可以实现与微机电系统的集成，且锲合度较好，其通常可忽略谐振效应，优点是具有较宽频带的能量收集范围等。但，静电式的振动能量收集方式需要接入一个稳定的外部电源，无法应用于不易更换的场所，且产生的电流较低、输出阻抗高，能量收集装置的加工工艺复杂，效率较低。因此静电式振动能量收集技术优化是未来的研究重点。1.2.3压电式能量收集技术压电式能量收集技术主要依靠压电效应，压电材料具有正压电效应、逆压电效应两种［27-28］。当外力的方向发生改变时，电荷的极性也会随外力方向的改变而随之变化；要使其恢复到初始不带电的状态，即把外界激励撤离。而逆压电效应则指压电材料发生极化和形变，所处在磁场中会对应产生应力和应变，在材料性能允许的范围内应力和应变的变形大小
【参考文献】：
期刊论文
[1]宽频压电振动俘能器的研究现状综述[J]. 徐振龙,单小彪,谢涛. 振动与冲击. 2018(08)
[2]磁致伸缩振动能量采集器的研究进展[J]. 曹淑瑛,孙帅帅,郑加驹,王雪源,韩恭万,刘璐. 微纳电子技术. 2017(09)
[3]从人体行走中收集能量的鞋上压电俘能器[J]. 樊康旗,刘朝辉,王连松,余波. 光学精密工程. 2017(05)
[4]压电式可穿戴集能器的研究现状及发展趋势[J]. 曹文英,聂芳辉,黄巍,谷秋瑾,于伟东. 电子元件与材料. 2016(08)
[5]振动能量收集技术的研究现状与发展趋势[J]. 刘成龙,孟爱华,陈文艺,李厚福,宋红晓. 装备制造技术. 2013(12)
[6]微型振动能量收集器的研究现状及发展趋势[J]. 陈文艺,孟爱华,刘成龙. 微纳电子技术. 2013(11)
[7]微型压电能量收集器的研究现状和发展趋势[J]. 陈定方,孙科,李立杰,杨艳芳,梅杰. 湖北工业大学学报. 2012(04)
[8]基于压电效应的路面能量收集技术[J]. 赵鸿铎,梁颖慧,凌建明. 上海交通大学学报. 2011(S1)
[9]多悬臂梁压电振子频率分析及发电实验研究[J]. 谢涛,袁江波,单小彪,陈维山. 西安交通大学学报. 2010(02)
[10]微机电系统（MEMS）技术及发展趋势[J]. 王亚珍,朱文坚. 机械设计与研究. 2004(01)
博士论文
[1]超磁致伸缩式与永磁式振动发电的理论与实验研究[D]. 王志华.河北工业大学 2010
[2]基于MEMS技术的微型电磁式振动能量采集器的研究[D]. 王佩红.上海交通大学 2010
[3]超磁致伸缩换能器滞回非线性模型的研究[D]. 郑加驹.天津大学 2009
[4]含轻稀土超磁致伸缩材料的合成及物性研究[D]. 刘何燕.河北工业大学 2006
硕士论文
[1]基于MEMS技术的非线性静电式能量采集器的研究[D]. 傅利峰.浙江大学 2016
[2]基于车辆运行的轨道振动能量回收系统研究[D]. 袁天辰.上海工程技术大学 2014
[3]基于压电材料的振动发电装置的研究[D]. 王军龙.江苏大学 2010
[4]超磁致伸缩驱动器精密位移驱动控制研究[D]. 徐彭有.上海交通大学 2010
[5]磁弹受力理论三种模型的建立与描述的初步探讨[D]. 王皞.北京化工大学 2009
[6]微型振动式发电机的基础理论及关键技术研究[D]. 温中泉.重庆大学 2003
本文编号：3126200
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3126200.html
