浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所，浙江金华321004
针对现有风致振压电俘能器工作风速范围窄、高风速下振幅过大等问题，提出一种可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器，主要由可变形式翼型钝体、悬臂梁以及压电组合梁构成，钝体的弹性翼受风力影响产生形变，从而实现系统振动特性的自我调节，以期提高俘能器的环境适应性。建立了俘能器的COMSOL有限元模型，通过仿真与试验分析了风速对其钝体形状及振动特性的影响，并获得了迎风角和弹性翼厚对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：选取迎风角120°和弹性翼厚0.15 mm时俘能器的工作风速范围达到21 m/s，且当风速小于8 m/s时，弹性翼变形较小，系统以驰振为主，输出电压随风速增加而增大；当风速在8~17 m/s时，弹性翼形变量进一步增大，系统由驰振逐渐向涡振转变，输出电压变化较小；当风速在17~25 m/s时，钝体因弹性翼变形过大呈弯弧状，系统以涡振为主，其振幅被有效控制，输出电压随风速增加而减小；存在匹配电阻为250 kΩ时俘能器所产生的最大输出功率为3.78 mW。因此，该风致振压电俘能器在满足结构可靠、起振风速低及风速范围宽条件下同时可输出较大的电能。
压电俘能器 风致振动 可变形钝体 驰振 涡激振动 piezoelectric energy harvester wind-induced vibration deformable blunt body galloping vortex-induced vibration 光学 精密工程
2023, 31(24): 3570
1 浙江师范大学 工学院 精密机械研究所，浙江金华32004
2 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室，浙江金华31004
为提高在低频、宽带、高强度及大振幅振动环境下的可靠性，提出一种换向激励式压电振动俘能器，它由拾振器和换能器组成。换能器的振动方向垂直于拾振器振动方向（环境振动方向），振动方向的转换通过磁力换向结构实现，换向结构使响应振幅不随外部激励的增加而一直增加，从而提高可靠性。建立了俘能器的动力学模型，通过数值仿真和实验获得了相关参数对其输出特性的影响。仿真和实验结果表明：激励频率小于20 Hz时，该两自由度系统存在两阶谐振频率使输出电压达到峰值，一阶为拾振器谐振频率，二阶为换能器谐振频率。随着拾振簧片长度和拾振质量的增加，一阶谐振频率升高，所对应的输出电压基本不变；二阶谐振频率基本不变，所对应的输出电压逐渐升高；工作频带变宽。当外部激励振幅达到阈值时，换能器的响应振幅被有效控制，输出电压不再随之增加，最佳负载电阻为540 kΩ，此时输出功率最大为0.4 mW。实际应用中可通过改变俘能器的结构参数调整谐振频率及输出电压，将响应振幅控制在安全区域内，以适应低频、宽带、高强度及大振幅的工作环境。
压电 振动俘能器 低频 换向激励 响应限幅 piezoelectric vibration harvester low-frequency commutation-excited response limits
浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所,浙江 金华 321004
为提高环境监测自供电系统的可靠性及风速适应性, 提出一种间接激励式压电风力俘能器, 通过圆柱型壳体与风场耦合作用产生的涡激振动间接激励壳体内的压电梁振动发电, 具有可靠性高、动态特性调节范围宽等优点。介绍了其结构及原理, 并进行了理论和试验研究。结果表明：壳体质量、压电梁质量对风力俘能器输出性能都有较大影响; 当俘能器总质量确定时, 试验范围内通过增加压电梁质量, 减小壳体质量可以有效提高压电俘能器的输出性能; 此外, 不同风速下存在最佳负载使输出功率最大, 且本文试验范围内输出功率及最佳负载均随风速增加而增大, 风速为28 m/s、电阻600 kΩ时所获得的最大输出功率为0.4 mW。因此, 应根据实际风速范围确定合理的压电梁质量/壳体质量以提高俘能器输出能力。
间接激励 压电发电 风力俘能器 indirect excited piezoelectric power generation wind energy harvester
浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所, 浙江 金华 321004
为提高旋转式压电发电机的安全性与有效带宽, 提出一种可调频旋磁激励式压电发电机, 并从理论、仿真与试验三个方面对发电机的工作特性进行了研究。建立了压电梁在端部外载荷作用下的刚度/频率偏移模型, 并通过仿真获得了刚度、动磁铁数量对发电机响应特性的影响规律。结果表明, 压电梁刚度随端部拉/压力的增大而线性增大/减小, 固有频率相应地提高且趋于平缓/降低且速率增大, 而动磁铁数量将影响发电机的谐振峰数量与放大比。在此基础上进行了相关试验, 试验表明, 压电梁受拉伸/压缩都将提高发电机的固有频率并降低输出电压幅值, 且受压时减幅更大; 此外, 动磁铁数量除仿真中影响因素外对发电机的固有频率也具有一定影响; 通过改变动磁铁数量与调节量, 实现了发电机固有频率在39.2~112 Hz内的调整, 最大频率偏移为185.7%。
压电俘能 旋磁激励 能量回收 变刚度 调频 piezoelectric power harvest rotating excitation energy harvester stiffness adjustment frequency adjustment
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
为了提高压电驱动芯片水冷系统的适用性、可维护性以及冷却效率, 本文提出一种组合式压电驱动芯片水冷系统。首先, 测试和分析了芯片水冷系统中组合式泵单元在220 Vpp方波驱动下不同组合方式(串/并联)、泵工作数量以及相对位置时的输出性能, 接着, 基于组合式泵单元的试验结果进行芯片水冷系统的水冷效果研究。实验结果表明: 串联组合双泵工作时, 双泵位于串联组合首尾位置(AD)时性能较优, 在30 Hz时获得最大输出压力(25 kPa); 串联组合四泵工作时, 分别在35 Hz和55 Hz获得了最大压力(23.5 kPa)和最大流量(13.5 mL/min); 并联组合双泵工作时, 双泵都位于组合首位(AC)时性能较差; 并联组合四泵工作时, 分别在50 Hz和60 Hz获得最大输出流量(22 mL/min)和最大输出压力(12.6 kPa); 通过串并联以及泵工作数量的切换获得了芯片水冷系统的冷却效果, 不同的组合方式以及泵工作数量可以获得不同的冷却效果。获得了组合式压电驱动芯片水冷系统的驱动参数, 为计算机芯片有效散热提供一条新途径。
压电泵 水冷系统 计算机芯片 piezoelectric pump water cooling system computer chip
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
随着微纳器件应用领域的日益拓展, 微能源技术受到国内外研究人员的高度关注和重视, 其中利用涡激振动进行流体能量收集是主要的研究热点。本文首先介绍了基于涡激振动的流体能量收集原理, 归纳了涡激振动式微流体俘能器的典型结构、原理、特性和应用情况。其次, 总结了国内外基于尾涡致动和钝体致振这两种主要涡激振动流体俘能技术的发展概况与研究进展, 并简述了涡激振动压电式俘能器流固耦合数学模型的研究现状。最后, 指出涡激振动能量收集尚缺乏统一的数学模型以及现有的俘能器存在结构可靠性低、稳定性较差等问题。在此基础上, 分析了利用涡激振动实现流体能量收集接下来的发展趋势, 以期推动涡激振动式微流体俘能器的进一步发展与应用。
流体能 涡激振动 俘能器 压电 Fluid energy vortex-induced vibration energy harvester piezoelectricity
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
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Ф60×0.9 mm3双晶压电振子及Ф16×100 mm3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55 Hz左右; 背压0.4 MPa、质量10 kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25 V输出电压有效带宽为9 Hz/88 V/72 Hz, 分别为质量2.5 kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。
压电振动俘能器 气体耦合振动 能量回收 发电 piezoelectric vibration energy harvester pneumato-coupling vibration energy harvesting electric energy generation
1 中国卫星海上测控部, 江苏江阴 214431
2 国防科学技术大学光电科学与工程学院, 长沙 410073
针对船用星惯组合导航系统中惯性导航系统和星敏感器之间刚性和弹性两种不同的安装方式, 提出了一种星敏感器安装角的动态标校方法。该方法以星敏感器得到的姿态数据和惯导系统输出的姿态数据构建滤波观测量, 基于惯导误差传播方程构建状态方程, 通过 Kalman滤波实现对惯导系统姿态误差和星敏感器安装误差的动态最优估计。基于“远望三号”航天测量船的实测导航数据、船体弹性角形变数据对该动态标校方法进行了仿真测试, 结果表明星敏感器与捷联惯导系统之间本地刚性安装时安装角动态标校误差较小, 异地弹性安装时由于安装误差角的动态变化导致标校误差较大。
星惯组合 捷联惯性导航系统 星敏感器 安装角 SINS/CSS strapdown inertial navigation system star sensors installation angle
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
提出了通过控制正压力来改变摩擦力的方案, 进而研制了一种以压电叠堆为动力转换元件的新型压电旋转驱动器。采用两个驱动用压电叠堆对称布置的方式设计了该旋转驱动器结构,探讨了旋转驱动器运动机理, 制作了压电旋转驱动器试验样机并对其进行了试验测试。试验结果表明, 该驱动器输出步长线性度较好, 当驱动电压为10 V、频率为2 Hz时, 驱动器旋转步长为20 μrad。分析了驱动器输出稳定性, 针对存在的问题提出通过施加控制系统来有效提高不同起始位置驱动器的运动稳定性。对试验结果进行误差分析, 找出了产生误差的原因, 为驱动器的进一步优化设计提供了参考。研究证明了该压电旋转驱动器设计方法的可行性, 利用该方法可以制作出结构简单, 体积小, 适合在微驱动领域中应用的驱动器。
压电驱动器 旋转驱动器 压电叠堆 惯性驱动 piezoelectric actuator rotary actuator piezoelectric stack inertial driving
