旋磁激励式预弯梁压电俘能器建模仿真与试验
发布时间：2021-08-25 06:54
针对现有旋转式压电俘能器存在的问题以及旋转机械监测系统的自供电需求,提出一种旋磁激励式预弯梁压电俘能器。建立了俘能器动态响应模型,通过数值仿真和试验方法获得了转速、磁铁数量比、压缩比及负载电阻对其输出性能的影响规律。结果表明,磁铁数量比对激振力作用形式、最佳转速、谐振峰数及输出电压（振幅放大比）均有影响;激振力形式随磁铁数量比增大由脉冲激励逐渐变为正偏置的三角波激励;随着磁铁数量比的增加,谐振峰数量及最佳转速减小,存在最佳磁铁数量比使得输出电压（振幅放大比）最大;压电振子预弯装配后俘能器可实现等应变发电,适当增大压电振子的压缩比可降低俘能器轴向刚度提高俘能器在低转速域内的输出能力,最佳转速随压缩比的增加而减小,且相邻谐振峰的间距随着压缩比的增加而减小。压缩比为0.17时的最大输出电压是压缩比为0.02时的1.5倍;当磁铁数量比为0.26,压缩比为0.08,转速为448r/min时输出功率可达1.55mW。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
俘能器的结构示意图
??躺暇?嫉亩?盘?拷?ù盘???懦饬Γ?预弯压电振子在自身弹性和弹簧力作用下产生轴向往复伸缩振动，并将机械动能转换成电能。图1俘能器的结构示意图与以往靠压电悬臂梁弯曲振动的俘能器相比，本文俘能器的压电陶瓷工作时仅受压应力、可靠性高，尤适用于径向(Y轴)空间受限，但轴向(X轴)空间较大的工作场合；同时，可轴向串联多个预弯压电振子构造多振子俘能器，满足不同环境的发电需求。两端铰支固定的压电振子滑动端作用预压力F，当F大于临界压力时，压电振子将发生弯曲变形，如图2所示。在服从材料胡克定律时，中间区域应力均匀分布、两端应力最小，且随挠度w增大压电振子受弯矩变形越显著，故经预弯装配后等应力面上的压电陶瓷可实现等应变发电，且避免了压电悬臂梁固定端应力集中等问题；由弯曲理论[14]可知，压电振子的中点挠度和弦长表达式分别为max2pwj=(1)[]1l2E(p)2E(p,)F(p)F(p,)j=φ+φ(2)式中，j=FEI，F为预压力；sin2pα=，γ为两端预压倾角；1arcsinsinp2θφ=，θ为挠曲线切线与x轴夹角；π2220E(p)=∫1psinφdφ为第二类全椭圆积分；220E(p,)=1psindφφ∫φφ为第二类椭圆积分；π2022d()1sinFppφφ=∫为第一类全椭圆积分；022d(,)1sinFppφφφφ=∫为第一类椭圆积分。图2预弯梁压电振子仿真应力云图压电振子的刚度10Fkδl=(3)式中，00δ=(ll)/l为压电振子压缩比，l0为压电振子原长。由式(3)可知，通过改变预弯梁压电?
俘能器结构原理可知，当转盘转速n、动/定磁铁半径r及磁场强度M、动磁铁回转半径R等参数确定时，压电振子所受激振力形式、幅值和频率均与动磁铁数量n0有关，定义磁铁数量比α(α=n0/nm，nm为转盘上最大均布磁铁数)，通过Comsol软件建立了磁力耦合模型，仿真分析了磁铁数量比对激振力的影响规律。仿真时，动/定磁铁同性磁极正对布置，磁铁尺寸均为φ15mm×5mm，M=8.5×105A/m，R=46mm，d=1mm，nm=19。图3动/定磁铁的磁力关系图图4为磁铁数量比α不同时激振力与激励角(单次激励的转动角度)的关系曲线。曲线表明，激励角随着α的增加而减小，即相同转速下的激励周期(0T=60/(nn))随着α的增加而减小；当α≥0.37时，激振力幅值随α的增加而减校原因在于，当α<0.37时，两相邻动磁铁间不具耦合性，激振力形式表现为脉冲激励；当α≥0.37时，相邻动磁铁间磁场相互图4磁铁数量比不同时激振力与激励角的关系曲线叠加，激励角不断减小，激振力形式近似为三角波激励(或偏置的正弦激励)；由于动/定磁铁偏转一定角度时，激振力变为吸引力(负值)，激励角越小，幅值叠加进的吸引力成分越多，导致幅值随α的增加而减校2.2俘能器动力学模型的建立根据振动理论，将预弯梁压电俘能器简化成图5所示的弹簧-质量-阻尼系统，工作时压电振子刚度随弦长(位移)变化存在一定非线性，但其非线性量值较小，故建模时将刚度线性化处理[15]，根据机械振动理论，俘能器的振动微分方程表达式为MX+CX+KX=F(t)(4)式中，M为系统等效质?
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS压电阵列振动能量收集器[J]. 佘引,温志渝,赵兴强,邓丽城,尚正国. 传感技术学报. 2014(08)
[2]旋磁激励式压电悬臂梁发电机性能分析与试验[J]. 阚君武,于丽,王淑云,李洋,陈一峰,金贤芳. 机械工程学报. 2014(08)
硕士论文
[1]旋磁激励式压电预弯梁俘能器研究[D]. 张肖逸.浙江师范大学 2017
本文编号：3361625
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
俘能器的结构示意图
??躺暇?嫉亩?盘?拷?ù盘???懦饬Γ?预弯压电振子在自身弹性和弹簧力作用下产生轴向往复伸缩振动，并将机械动能转换成电能。图1俘能器的结构示意图与以往靠压电悬臂梁弯曲振动的俘能器相比，本文俘能器的压电陶瓷工作时仅受压应力、可靠性高，尤适用于径向(Y轴)空间受限，但轴向(X轴)空间较大的工作场合；同时，可轴向串联多个预弯压电振子构造多振子俘能器，满足不同环境的发电需求。两端铰支固定的压电振子滑动端作用预压力F，当F大于临界压力时，压电振子将发生弯曲变形，如图2所示。在服从材料胡克定律时，中间区域应力均匀分布、两端应力最小，且随挠度w增大压电振子受弯矩变形越显著，故经预弯装配后等应力面上的压电陶瓷可实现等应变发电，且避免了压电悬臂梁固定端应力集中等问题；由弯曲理论[14]可知，压电振子的中点挠度和弦长表达式分别为max2pwj=(1)[]1l2E(p)2E(p,)F(p)F(p,)j=φ+φ(2)式中，j=FEI，F为预压力；sin2pα=，γ为两端预压倾角；1arcsinsinp2θφ=，θ为挠曲线切线与x轴夹角；π2220E(p)=∫1psinφdφ为第二类全椭圆积分；220E(p,)=1psindφφ∫φφ为第二类椭圆积分；π2022d()1sinFppφφ=∫为第一类全椭圆积分；022d(,)1sinFppφφφφ=∫为第一类椭圆积分。图2预弯梁压电振子仿真应力云图压电振子的刚度10Fkδl=(3)式中，00δ=(ll)/l为压电振子压缩比，l0为压电振子原长。由式(3)可知，通过改变预弯梁压电?
俘能器结构原理可知，当转盘转速n、动/定磁铁半径r及磁场强度M、动磁铁回转半径R等参数确定时，压电振子所受激振力形式、幅值和频率均与动磁铁数量n0有关，定义磁铁数量比α(α=n0/nm，nm为转盘上最大均布磁铁数)，通过Comsol软件建立了磁力耦合模型，仿真分析了磁铁数量比对激振力的影响规律。仿真时，动/定磁铁同性磁极正对布置，磁铁尺寸均为φ15mm×5mm，M=8.5×105A/m，R=46mm，d=1mm，nm=19。图3动/定磁铁的磁力关系图图4为磁铁数量比α不同时激振力与激励角(单次激励的转动角度)的关系曲线。曲线表明，激励角随着α的增加而减小，即相同转速下的激励周期(0T=60/(nn))随着α的增加而减小；当α≥0.37时，激振力幅值随α的增加而减校原因在于，当α<0.37时，两相邻动磁铁间不具耦合性，激振力形式表现为脉冲激励；当α≥0.37时，相邻动磁铁间磁场相互图4磁铁数量比不同时激振力与激励角的关系曲线叠加，激励角不断减小，激振力形式近似为三角波激励(或偏置的正弦激励)；由于动/定磁铁偏转一定角度时，激振力变为吸引力(负值)，激励角越小，幅值叠加进的吸引力成分越多，导致幅值随α的增加而减校2.2俘能器动力学模型的建立根据振动理论，将预弯梁压电俘能器简化成图5所示的弹簧-质量-阻尼系统，工作时压电振子刚度随弦长(位移)变化存在一定非线性，但其非线性量值较小，故建模时将刚度线性化处理[15]，根据机械振动理论，俘能器的振动微分方程表达式为MX+CX+KX=F(t)(4)式中，M为系统等效质?
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS压电阵列振动能量收集器[J]. 佘引,温志渝,赵兴强,邓丽城,尚正国. 传感技术学报. 2014(08)
[2]旋磁激励式压电悬臂梁发电机性能分析与试验[J]. 阚君武,于丽,王淑云,李洋,陈一峰,金贤芳. 机械工程学报. 2014(08)
硕士论文
[1]旋磁激励式压电预弯梁俘能器研究[D]. 张肖逸.浙江师范大学 2017
本文编号：3361625
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