气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器
发布时间：2021-10-20 15:09
为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。
【文章来源】：光学精密工程. 2015,23(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１俘能器结构及原理图Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ
而使活塞产生运动时，压电振子两侧（即气缸上腔Ａ及下腔Ｂ内）气体压力交替增加或减小，使其弯曲变形并将机械能转换成电能。就功能而言，所提出的俘能器可用于单纯能量回收、被动振动抑制（直接将所收集的电能耗散掉）及基于同步开关能量回收技术［４－６］的主动控制，本文仅研究其俘能特性。３理论建模及性能影响因素分析３．１压电振子所受的流体压力由图１可知，压电振子弯曲变形的动力源于气缸活塞与缸体间相对运动所引起的气体压力变化。为获得压电振子所受激振力，将俘能器简化图２俘能器的弹簧－质量系统模型Ｆｉｇ．２Ｓｐｒｉｎｇ－ｍａｓｓｍｏｄｅｌｏｆｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ为图２所示的弹簧－质量系统，其中ｙ（ｔ）＝Ｈｓｉｎωｔ和ｘ（ｔ）分别为振源及活塞位移函数，Ｈ为振源振幅，ω为振动频率，则活塞与缸体间相对位移为Ｘ（ｔ）＝ｘ（ｔ）－ｙ（ｔ）。根据振动分析理论［９］，有：Ｍ¨Ｘ＋Ｃ?Ｘ＋ｋｅＸ＝－Ｍ¨ｙ－Ｆｆ，（１）Ｘ＝Ｈλ２（１－λ２）２＋（２ξλ）槡２ｓｉｎ（ωｔ－φ）－Ｆｆｋｅ，（２）Ｘ０＝Ｈλ２（１－λ２）２＋（２ξλ）槡２－Ｆｆｋｅ，（３）式中：Ｍ为质量块质量，Ｃ为阻尼系数，Ｆｆ为气缸摩擦力，ｋｅ＝ｋｐ（ｋｓｐ＋ｋｌ）／（ｋｐ＋ｋｓｐ＋ｋｌ）为系统等效刚度，ｋｓｐ为弹簧刚度，ｋｐ为压电振子刚度，ｋｌ＝ｋｌＡ＋ｋｌＢ，ｋｌＡ＝βｅＡ２Ａ
－３Ｖｍ·Ｎ－１）１１．１弹簧刚度ｋｓｐ／（１０３Ｎ·ｍ－１）３．５系统背压ｐｂ／ＭＰａ０．４弹簧长度ｌ０／ｍｍ７０大气压ｐ０／ＭＰａ０．１气缸摩擦力Ｆｆ／Ｎ３气缸半径ｒ／ｍｍ８气缸长度ｌ／ｍｍ１００活塞杆半径ｒ／ｍｍ４振子半径Ｒ／ｍｍ３０振子厚度ｈ／ｍｍ０．６振子厚度比α０．３３系统质量Ｍ／ｋｇ７．５振子质量ｍ／ｋｇ０．０２附加容积Ｖ０／ｃｍ３３３图３背压及质量固定时相关参数与频率的关系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｖｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｎｄｅｒｇｉｖｅｎｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｒｏｏｆ－ｍａｓｓ图３示出系统背压为０．４ＭＰａ、质量为７．５ｋｇ时的活塞振幅Ｘ０、压电振子所受流体压力Δｐｐ、以及压电振子振幅Ｚ０与激励频率ｆ的关系曲线。曲线变化趋势表明，存在一个使活塞及压电振子产生振动的最低临界频率ｆ０（８Ｈｚ）：当ｆ＜ｆ０时，因激振力小于气缸摩擦力、活塞相对缸体静止，故Ｘ０＝０、Δｐｐ＝０、Ｚ０＝０；当ｆ＞ｆ０时，Ｘ０及Δｐｐ均与ｆ呈近似的对数递增关系，且存在一个最佳频率ｆ＊（５３Ｈｚ）使Ｚ０最大（０．３１ｍｍ，低于所允许的最大值０．４３ｍｍ）。图４质量７．５ｋｇ、背压不同时输出电压与频率的关系Ｆｉｇ．４Ｖｏｌｔａｇｅｖｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｔ７．５ｋｇａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅ图４和图５分别为质量恒定
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电-气动隔振器的能量回收特性[J]. 阚君武,徐海龙,王淑云,蒋永华,杨振宇,程光明. 振动.测试与诊断. 2013(05)
[2]基于圆弧限位的压电发电装置[J]. 王淑云,阚君武,王鸿云,凌荣华,杨振宇,蒋永华,张忠华. 光学精密工程. 2013(02)
[3]基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器[J]. 李征,万杰,阚君武,王淑云,杨志刚,程光明. 光学精密工程. 2012(05)
本文编号：3447127
【文章来源】：光学精密工程. 2015,23(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１俘能器结构及原理图Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ
而使活塞产生运动时，压电振子两侧（即气缸上腔Ａ及下腔Ｂ内）气体压力交替增加或减小，使其弯曲变形并将机械能转换成电能。就功能而言，所提出的俘能器可用于单纯能量回收、被动振动抑制（直接将所收集的电能耗散掉）及基于同步开关能量回收技术［４－６］的主动控制，本文仅研究其俘能特性。３理论建模及性能影响因素分析３．１压电振子所受的流体压力由图１可知，压电振子弯曲变形的动力源于气缸活塞与缸体间相对运动所引起的气体压力变化。为获得压电振子所受激振力，将俘能器简化图２俘能器的弹簧－质量系统模型Ｆｉｇ．２Ｓｐｒｉｎｇ－ｍａｓｓｍｏｄｅｌｏｆｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ为图２所示的弹簧－质量系统，其中ｙ（ｔ）＝Ｈｓｉｎωｔ和ｘ（ｔ）分别为振源及活塞位移函数，Ｈ为振源振幅，ω为振动频率，则活塞与缸体间相对位移为Ｘ（ｔ）＝ｘ（ｔ）－ｙ（ｔ）。根据振动分析理论［９］，有：Ｍ¨Ｘ＋Ｃ?Ｘ＋ｋｅＸ＝－Ｍ¨ｙ－Ｆｆ，（１）Ｘ＝Ｈλ２（１－λ２）２＋（２ξλ）槡２ｓｉｎ（ωｔ－φ）－Ｆｆｋｅ，（２）Ｘ０＝Ｈλ２（１－λ２）２＋（２ξλ）槡２－Ｆｆｋｅ，（３）式中：Ｍ为质量块质量，Ｃ为阻尼系数，Ｆｆ为气缸摩擦力，ｋｅ＝ｋｐ（ｋｓｐ＋ｋｌ）／（ｋｐ＋ｋｓｐ＋ｋｌ）为系统等效刚度，ｋｓｐ为弹簧刚度，ｋｐ为压电振子刚度，ｋｌ＝ｋｌＡ＋ｋｌＢ，ｋｌＡ＝βｅＡ２Ａ
－３Ｖｍ·Ｎ－１）１１．１弹簧刚度ｋｓｐ／（１０３Ｎ·ｍ－１）３．５系统背压ｐｂ／ＭＰａ０．４弹簧长度ｌ０／ｍｍ７０大气压ｐ０／ＭＰａ０．１气缸摩擦力Ｆｆ／Ｎ３气缸半径ｒ／ｍｍ８气缸长度ｌ／ｍｍ１００活塞杆半径ｒ／ｍｍ４振子半径Ｒ／ｍｍ３０振子厚度ｈ／ｍｍ０．６振子厚度比α０．３３系统质量Ｍ／ｋｇ７．５振子质量ｍ／ｋｇ０．０２附加容积Ｖ０／ｃｍ３３３图３背压及质量固定时相关参数与频率的关系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｖｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｎｄｅｒｇｉｖｅｎｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｒｏｏｆ－ｍａｓｓ图３示出系统背压为０．４ＭＰａ、质量为７．５ｋｇ时的活塞振幅Ｘ０、压电振子所受流体压力Δｐｐ、以及压电振子振幅Ｚ０与激励频率ｆ的关系曲线。曲线变化趋势表明，存在一个使活塞及压电振子产生振动的最低临界频率ｆ０（８Ｈｚ）：当ｆ＜ｆ０时，因激振力小于气缸摩擦力、活塞相对缸体静止，故Ｘ０＝０、Δｐｐ＝０、Ｚ０＝０；当ｆ＞ｆ０时，Ｘ０及Δｐｐ均与ｆ呈近似的对数递增关系，且存在一个最佳频率ｆ＊（５３Ｈｚ）使Ｚ０最大（０．３１ｍｍ，低于所允许的最大值０．４３ｍｍ）。图４质量７．５ｋｇ、背压不同时输出电压与频率的关系Ｆｉｇ．４Ｖｏｌｔａｇｅｖｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｔ７．５ｋｇａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅ图４和图５分别为质量恒定
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电-气动隔振器的能量回收特性[J]. 阚君武,徐海龙,王淑云,蒋永华,杨振宇,程光明. 振动.测试与诊断. 2013(05)
[2]基于圆弧限位的压电发电装置[J]. 王淑云,阚君武,王鸿云,凌荣华,杨振宇,蒋永华,张忠华. 光学精密工程. 2013(02)
[3]基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器[J]. 李征,万杰,阚君武,王淑云,杨志刚,程光明. 光学精密工程. 2012(05)
本文编号：3447127
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