新型电磁型振动能量收集装置的设计与研究

发布时间：2017-09-29 04:00

  本文关键词：新型电磁型振动能量收集装置的设计与研究

  更多相关文章： 无线传感器网络 能量收集 电磁型 有限元仿真 输出性能

【摘要】：目前,无线传感器网络的发展方向是利用微机电、微无线通信技术,设计体积小、寿命长、功耗低的传感器节点。然而,尺寸的压缩提高了结构的整体性要求,在一些特殊场合,传感器节点的供电电源无法实现更换。因此,寻找一种更方便、有效、安全的微型储能器件代替传统电池,成为近年来研究的热点话题。环境中能量无处不在,太阳能、风能、潮汐能、机械振动能等等。从环境中收集能量可以有效的解决无线传感器节点的供电问题。根据实际工作环境的特点,结合电磁感应原理和电磁型能量收集装置的物理模型,本文设计出适宜在低频环境中工作的新型电磁型振动能量收集装置,利用Ansoft Maxwell有限元仿真软件对装置的静态特性和动态特性做定量分析,并对结构进行优化。本文的主要工作和成果如下:1.针对目前的能量收集装置仍存在输出电压低、结构制作工艺太复杂难以实现、能量转换效率低等问题,提出两种新型电磁型振动能量收集装置。一、圆筒式振动能量收集装置,该装置具有以下优点:(1)形成闭合磁路,提高振动能量的利用率;(2)齿状磁轭的设计,使装置在低频环境中可以实现磁通量的多次交变,提高线圈中感应电动势;(3)衔铁为工字型减小磁路中磁损耗,提高能量转换效率。二、永磁体固定式振动能量收集装置,该装置继承了初始结构和圆筒式振动能量收集装置的优点,而且在原有的基础上做了很大的改进:(1)加入方轴,使振子的运动更加稳定,克服掉在复杂环境中振子受力不均的情况;(2)永磁体被固定住,提高装置的环境适应能力及使用寿命;(3)结构相对简单,易于加工制作。2.利用Ansoft Maxwell软件对装置做有限元仿真。通过静态仿真分析相关参数变化对铁芯中磁感应强度的影响,对参数优化,提高装置的能量收集能力;通过动态仿真量化分析参数优化和线圈匝数变化对输出性能的影响,改善装置的输出性能。优化后圆筒式振动能量收集装置产生的感应电动势是优化前的4倍。当永磁体固定式振动能量收集装置的单个线圈匝数为222时,负载可以获得有效功率为最大,最大有效功率为9.69mW。3.能量收集电路的设计。利用全波桥式整流滤波电路将装置产生的交流电转化为直流电,并通过充电电路将直流电储存到储能电池中,由电池给负载供电。本文设计的能量收集装置在低频率下可以得到理想的有效功率,可以为多数低功耗的无线传感器网络节点供电。
【关键词】：无线传感器网络 能量收集 电磁型 有限元仿真 输出性能
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM619;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题的研究背景及意义11-12
• 1.2 振动能量收集技术在国内外的研究现状12-19
• 1.3 振动能量收集技术的发展趋势19-20
• 1.4 本文研究内容及章节安排20-21
• 第2章 电磁型振动能量收集装置初始结构的设计21-28
• 2.1 电磁型振动能量收集装置的基本理论21-24
• 2.1.1 电磁感应原理21-22
• 2.1.2 电磁型振动能量收集装置物理模型22-24
• 2.2 电磁型振动能量收集装置初始结构的设计24-27
• 2.2.1 初始结构模型24
• 2.2.2 初始结构工作原理24-26
• 2.2.3 初始结构优缺点分析26-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第3章 圆筒式振动能量收集装置28-50
• 3.1 圆筒式振动能量收集装置28-31
• 3.1.1 圆筒式振动能量收集装置模型28-29
• 3.1.2 圆筒式振动能量收集装置工作原理29-31
• 3.1.3 圆筒式振动能量收集装置的特点31
• 3.2 材料选择31-35
• 3.2.1 漆包线线圈31-33
• 3.2.2 导磁材料33-34
• 3.2.3 永磁体34-35
• 3.3 边缘效应35-36
• 3.4 能量损耗36-37
• 3.5 Ansoft Maxwell软件37-40
• 3.5.1 Ansoft Maxwell软件简介37-38
• 3.5.2 静态仿真步骤38-40
• 3.6 静态仿真与参数优化40-46
• 3.6.1 气隙宽度40-41
• 3.6.2 相对磁导率41-42
• 3.6.3 永磁体半径42-43
• 3.6.4 边缘效应与衔铁厚度43-45
• 3.6.5 磁饱和与铁芯半径45-46
• 3.7 动态仿真结果46-49
• 3.7.1 动态仿真步骤46-47
• 3.7.2 参数优化对装置输出性能的影响47-49
• 3.8 本章小结49-50
• 第4章 永磁体固定式振动能量收集装置50-61
• 4.1 永磁体固定式振动能量收集装置的设计50-52
• 4.1.1 装置模型50-51
• 4.1.2 工作原理分析51-52
• 4.2 静态仿真52-56
• 4.3 动态仿真与输出性能分析56-59
• 4.3.1 参数优化对输出性能的影响57
• 4.3.2 线圈匝数对输出性能的影响57-59
• 4.4 本章小结59-61
• 第5章 能量收集电路61-65
• 5.1 整流滤波61-63
• 5.1.1 能量收集装置等效电路61-62
• 5.1.2 整流滤波62-63
• 5.2 能量存储63-64
• 5.3 本章小结64-65
• 第6章 结论与展望65-67
• 6.1 结论65-66
• 6.2 展望66-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-72
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果72

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前9条

1 李如春;征琦;施朝霞;;微型之字形压电式能量收集器输出电压的建模和仿真[J];传感技术学报;2015年05期

2 张端;张帅;;闭合磁路电磁式低频振动能量收集装置[J];传感技术学报;2015年07期

3 杨丽荣;程铁栋;;低频力作用下压电发电模型及实验研究[J];机械设计与研究;2015年05期

4 徐文青;王忠民;张延波;;采用振动能量技术的稳压电源设计[J];山东理工大学学报(自然科学版);2014年05期

5 樊康旗;明正峰;徐春辉;晁锋波;;The dynamic characteristics of harvesting energy from mechanical vibration via piezoelectric conversion[J];Chinese Physics B;2013年10期

6 李如春;征琦;林宇俊;;基于低频驱动的微压电能量收集器的结构研究[J];压电与声光;2014年05期

7 杨丽荣;程铁栋;李绍荣;王信亮;熊根有;;低频简支梁压电发电装置实验研究[J];压电与声光;2014年06期

8 王忠民;张延波;郭林鑫;徐文青;;振动能量收集电源电路设计[J];微型机与应用;2015年05期

9 邵刚;田泽;刘敏侠;蔡叶芳;;一种传感器信号调理的补偿系统的设计及实现[J];计算机技术与发展;2015年06期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 陈定方;孙科;李立杰;杨艳芳;梅杰;;微型压电能量收集器的研究现状和发展趋势[A];武汉机械设计与传动学会第20届学术年会论文集[C];2012年

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 杨柳松;基于小波分析与神经网络滚动轴承故障诊断方法的研究[D];东北林业大学;2013年

2 刘祥建;多方向压电振动能量收集方法及性能优化关键技术研究[D];南京航空航天大学;2012年

3 黄合成;压电晶片主动控制截止阀的理论与试验研究[D];吉林大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前9条

1 刘少波;太阳能供电的无线录井系统研究[D];燕山大学;2013年

2 朱沛;变刚度双稳态电磁式振动发电机的研究[D];太原理工大学;2013年

3 袁天辰;基于车辆运行的轨道振动能量回收系统研究[D];上海工程技术大学;2014年

4 李鹏;基于高速公路振动能量汲取装置的研究[D];华中农业大学;2014年

5 孙殿松;CMOS集成化振动能量获取技术研究[D];西安电子科技大学;2014年

6 陈帅;电磁式桥梁振动能获取的研究[D];燕山大学;2014年

7 徐海龙;流体耦合式压电振动俘能器的设计与试验研究[D];浙江师范大学;2014年

8 刘颖;基于压电效应的低频宽频带振动能量采集器研究[D];太原理工大学;2014年

9 周璇;宽频压电俘能器的分析设计及实验研究[D];安徽工程大学;2014年

，

本文编号：939808