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
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院， 南京 210023
为了降低谐振频率，实现多方向收集和提高输出性能，提出了一种4π圆弧螺旋压电能量收集器。通过分析器件尺寸与输出性能之间的关系来提高器件性能，将优化后的模型进行COMSOL仿真，分析振动位移、应力以及谐振频率。相对于2π圆弧螺旋压电能量收集器，4π圆弧螺旋压电能量收集器具有更低的谐振频率和更高的输出电压。4π圆弧螺旋压电能量收集器的谐振频率为48 Hz，输出电压达到12.3 V，输出功率达到400 μW。
4π圆弧螺旋 压电能量收集器 输出电压 谐振频率 4π circular arc spiral piezoelectric energy harvester output voltage resonant frequency
1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院 上海 201620
2 上海工程技术大学 工程实训中心, 上海 201620
针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题, 该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型, 并制作了实验样机, 研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下, 磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明, 随着磁极对间距减小, 带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱, 由此确定最佳磁极对间距为12 mm, 谐振频率为18 Hz, 最大输出均方根电压达到12.01 V, 采集器有效工作频率为15.5~22.5 Hz, 工作带宽达到7 Hz, 带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带, 在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。
非线性磁力 双稳态 共振频率 压电能量采集器 异形孔 nonlinear magnetic bistable resonant frequency piezoelectric energy harvester shaped hole
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院, 南京 210003
提出了一种新型组合螺旋压电能量收集器。该收集器的底部是直角螺旋结构,顶部是圆弧螺旋结构,圆弧螺旋结构固定在直角螺旋结构的质量块上。通过旋转圆弧螺旋结构90°,可以得到四种结构,角度分别为0°,90°,180°,270°。直角螺旋结构的设计可以降低谐振频率,而圆弧螺旋结构的设计不仅可以降低谐振频率,还可以使整体结构进行多方向能量收集,从而提高输出。文章所提到的单个悬臂梁结构的厚度为1 mm,宽度为6 mm。通过计算及仿真可得,当两种结构的组合角度为180°时,可以得到最大输出电压为13 V,最大输出功率为1.3 mW。
直角螺旋 圆弧螺旋 压电能量收集器 输出电压 输出功率 right angle spiral arc spiral piezoelectric energy harvester output voltage output power
南京邮电大学 电子与光学工程学院, 南京 210023
提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04 μW,测试输出功率最大为5.79 μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。
直角螺旋 悬臂梁 压电能量收集器 谐振频率 right angle spiral cantilever piezoelectric energy harvester resonant frequency
河海大学 土木与交通学院, 江苏 南京 210098
为了俘获更大的能量, 提出了一种含槽变截面悬臂式压电俘能器。首先, 梁形式采用给定的指数函数进行变化, 并且在内部挖槽; 其次, 推导对应的振动方程, 参考相关文献确定振型表达式, 进而写出相应的特征方程,推导出电压和输出功率表达式, 并根据电压和输出功率确定最优指数。结果表明, 在保持梁长度不变的前提下, 锥形梁的弯曲程度系数越大, 则输出电压及功率越大, 但系统的特征频率也将变大。
变截面悬臂梁 挖槽 指数形梁 压电俘能器 振型 variable-sectional cantilever beam grooving beam of exponential type piezoelectric energy harvester mode of vibration
西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 610031
该文提出在参数激励压电俘能器中增设弹性振幅放大器。利用扩展哈密顿原理，建立了系统的动力学方程，通过数值仿真，研究了弹性振幅放大器及其刚度系数对俘能器性能的影响。研究结果表明，当压电梁未发生屈曲，且压电梁的固有频率与弹性振幅放大器固有频率比满足1∶2共振条件时，能够降低参数激励俘能器的激励阈值，并拓宽俘能器的频率带宽。此时的刚度系数称为共振刚度系数ksr。研究表明，当弹性振幅放大器的刚度系数小于ksr时，俘能器的平均输出功率、均方根电压峰值及频率带宽均随着刚度系数的增加而增加；当弹性振幅放大器的刚度系数大于ksr时，随着刚度系数的增加，俘能器的频率带宽增大，均方根电压峰值略减小，而平均输出功率在激励幅值较大时趋于相同。
压电俘能器 弹性振幅放大器 参数激励 刚度系数 激励阈值 带宽 piezoelectric energy harvester elastic magnifier parameter excitation stiffness coefficient excitation threshold band width
南京邮电大学 电子与光学工程学院、 微电子学院, 南京 210023
提出了一种螺旋悬臂梁结构的可植入式压电能量收集器, 这种结构的能量收集器可为植入式医疗器件供电。螺旋结构的设计一方面可以使悬臂梁从多个方向的振动中吸收能量, 另一方面还可以降低谐振频率。提出的悬臂梁整体结构厚度为40 μm, 宽度为1 mm, 整体外部大小为 9 mm×9 mm。该结构中, 悬臂梁的末端附上质量块, 进一步降低悬臂梁的谐振频率。该收集器的谐振频率为66 Hz, 当施加的激励为1g加速度时, 输出开路电压为2.2 V, 输出功率为4.8 μW。
螺旋 悬臂梁 压电能量收集器 植入式 spiral cantilever piezoelectric energy harvester implantable
苏州大学 电子信息学院, 江苏 苏州 215006
压电能量采集器能把环境振动能转换为电能, 该文基于如何将压电能量采集器转化电能最大化提取的研究, 提出了一种压电能量采集器高效能量提取接口电路, 采用有源二极管整流电路降低了整流过程中的导通压降损耗, 电感同步开关电荷提取电路有效提取了寄生电容中储存的电能。利用华虹宏力0.11 μm CMOS工艺进行电路设计和版图布局。测试结果表明, 接口电路可提取80.4%寄生电容中存储的电能, 20 kΩ电阻负载下导通压降为20.2 mV, 在加速度5g(g=9.8 m/s2)和频率40 Hz条件下平均提取功率是标准接口电路的2.58倍。该芯片可应用于基于振动能供电的无线无源传感节点等领域。
压电能量采集器 有源二极管整流电路 电感同步开关电荷提取电路 piezoelectric energy harvester active diode rectifier circuit inductor synchronous switch charge extraction circ
中北大学 机电工程学院, 山西 太原 030051
悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了 研究在1.5~5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响, 该文选择聚氯乙烯(PVC)、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯(PVDF)压电悬臂梁结构, 并进行了对比实验与分析。结果表明, 以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现, 在低风速工况下, 梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下, 梁的结构刚度越小, 接触式压电俘能器的启动风速越低, 风致振动的激振力频率越高; 减幅因数越小, 悬臂梁的输出功率越大。
压电俘能器 风能 悬臂梁结构 聚偏氟乙烯(PVDF) 基底 piezoelectric energy harvester wind energy cantilever beam structure PVDF substrate
