磁力耦合壓電電磁復(fù)合俘能器發(fā)電特性研究.pdf

1、近年來，便攜式電子設(shè)備、微機電系統(tǒng)（MEMS）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用、軍事、醫(yī)療和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前大多數(shù)的微電子產(chǎn)品都是利用傳統(tǒng)的電池提供電能。但由于傳統(tǒng)電池存在能量密度小、需要定期更換或充電，以及污染環(huán)境等問題，難以滿足微電子產(chǎn)品高速發(fā)展的需求，因此如何實現(xiàn)微電子產(chǎn)品的能量自給、達到無線形式提供電能的目的成為當(dāng)今急需解決的問題之一。振動能在日常生活和工程實際中廣泛存在，不易受位置、天氣等因素的影響，并且具有較高的能量密度

2、，因此越來越多的學(xué)者和專家致力于研究將環(huán)境中的振動能俘獲并轉(zhuǎn)換成電能，作為一種替代能源為微電子產(chǎn)品供能。振動俘能器依照自身能量轉(zhuǎn)換機理不同分為壓電式、電磁式、靜電式、磁致伸縮式等類型。其中，壓電式和電磁式是目前研究最多的俘能方式，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其應(yīng)用前景非常寬廣。
　　通常學(xué)者們研究的壓電和電磁俘能器大多是以單自由度線性系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其工作頻帶非常窄，對外界振動頻率依賴性高。為了提高俘能器的輸出功率、拓寬其俘能頻帶、增強

3、環(huán)境適應(yīng)能力，本文分別以磁力調(diào)頻壓電電磁復(fù)合俘能器、單梁彈簧式多頻壓電電磁復(fù)合俘能器和雙梁式多頻壓電電磁復(fù)合俘能器為研究對象，進行了俘能器發(fā)電特性的數(shù)學(xué)建模、數(shù)值仿真分析和實驗驗證，并研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和負(fù)載電阻對俘能器動力學(xué)特性和發(fā)電特性的影響規(guī)律，為改善磁力耦合壓電電磁復(fù)合俘能器發(fā)電性能提供了理論和實驗依據(jù)。
　　鑒于環(huán)境中一些振源的振動頻率在基頻附近偶爾小幅變動，而壓電電磁復(fù)合俘能器的諧振頻率固定，無法時刻與振源頻率相匹配，其發(fā)

4、電性能難以達到最優(yōu)。本文以磁力調(diào)頻壓電電磁復(fù)合俘能器為研究對象，考慮機械阻尼、線圈參數(shù)和非線性電磁機電耦合系數(shù)對發(fā)電特性的影響，基于歐拉-伯努利梁理論和能量法，建立了該俘能器的機電耦合模型，分析了磁鐵中心距、磁化方向、負(fù)載電阻、機電耦合系數(shù)、機械阻尼比、線圈參數(shù)和激勵加速度對復(fù)合俘能器發(fā)電特性的影響規(guī)律，研制了實驗樣機，最終用實驗結(jié)果驗證了數(shù)學(xué)模型的正確性。結(jié)果表明，在壓電電磁復(fù)合俘能器基礎(chǔ)上耦合磁力作用，改變磁鐵中心距可以調(diào)節(jié)俘能器的

5、諧振頻率，提高俘能效率，增強環(huán)境適應(yīng)能力；在壓電俘能器基礎(chǔ)上耦合電磁俘能，可以忽略電磁負(fù)載對壓電振子諧振頻率的影響；壓電部分的耦合強度決定復(fù)合俘能在輸出功率和俘能效率方面的優(yōu)勢；在激振頻率低于100Hz的條件下，感應(yīng)線圈的電感可以忽略不計；在線圈內(nèi)徑一定的情況下，增加線圈高度、減小線圈外徑可有效提高電磁機電耦合系數(shù)；磁鐵中心距足夠小且激勵加速度足夠大時，俘能器可表現(xiàn)出硬彈簧特性，正向掃頻時具有寬頻特性；實驗中匹配負(fù)載電阻時，先匹配壓電負(fù)

6、載，再匹配電磁負(fù)載。
　　環(huán)境中有些振動能具有兩個或多個離散的振動頻率，而單自由度俘能器諧振頻率單一，無法高效地收集此類振動能；微型振動俘能器諧振頻率高，調(diào)頻范圍有限，在低頻環(huán)境下俘能效率不高。鑒于此，本文提出了一種單梁彈簧式和一種雙梁式多頻壓電電磁復(fù)合俘能器，分別建立了兩種多頻復(fù)合俘能器的機電耦合數(shù)學(xué)模型，分析了負(fù)載電阻、質(zhì)量比、固有頻率比、機械阻尼比和磁鐵中心距對俘能器動力學(xué)特性和發(fā)電特性的影響規(guī)律，研制了相關(guān)的實驗樣機，并通

7、過實驗驗證了數(shù)學(xué)模型的正確性。研究表明，磁力耦合多頻響應(yīng)結(jié)構(gòu)可有效收集具有兩種離散頻率的振動能，有助于提高俘能器在低頻環(huán)境中的發(fā)電性能；改變磁鐵中心距可調(diào)節(jié)俘能器的諧振頻率，提高系統(tǒng)的輸出功率，增強環(huán)境適應(yīng)能力；壓電電磁復(fù)合俘能機制有助于提高俘能器的輸出功率，拓寬俘能頻帶寬度。
　　單梁彈簧式多頻復(fù)合俘能器適用于收集以低頻為主的多頻振動能，前兩個諧振頻率均高于相應(yīng)的單頻俘能器的諧振頻率；減小磁鐵中心距有助于提高俘能器在低頻段的輸出

8、功率；在4m/s2激勵加速度下，該俘能器主要表現(xiàn)為線性行為。雙梁式多頻復(fù)合俘能器適用于收集以高頻為主的多頻振動能，前兩階諧振頻率均低于相應(yīng)的單頻俘能器的諧振頻率；低頻磁振子用于電磁俘能可提高俘能器的峰值輸出功率，壓電振子用于壓電俘能基礎(chǔ)上耦合電磁俘能并不絕對增加峰值輸出功率；磁振子的懸臂梁長度主要影響復(fù)合俘能器的第一個諧振頻率和第一個峰值輸出功率；在4m/s2激勵加速度下，復(fù)合俘能器第一個諧振頻率處表現(xiàn)為硬彈簧特性，第二個諧振頻率處表現(xiàn)