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
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
桂林电子科技大学 机电工程学院, 广西 桂林 541004
针对高频压电振动能量回收效率低的缺点, 提出了一种基于非完美声学黑洞的压电阵列式能量收集系统。首先建立了非完美声学黑洞薄板结构模型, 并分析了在时域和频域条件下能量聚集特性, 非完美声学黑洞结构能量集聚于中心平台的多个位置。然后建立了阵列式压电俘能系统实验模型, 结构中心平台上能量聚集点的输出电压存在较大的相位差, 通过引入整流电路消除此相位差, 对比分析了整流前后串、并联电路的输出电压, 结果表明, 整流后系统输出电压能力得到了较大提高。
声学黑洞 压电阵列 压电俘能 整流电路 acoustic black hole piezoelectric array piezoelectric energy capture rectifier circuit
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
西南交通大学 机械工程学院, 四川 成都 610031
该文提出了一种在压电梁与末端质量块之间加装一个弹簧的二自由度压电俘能器。利用扩展哈密顿原理建立了俘能器的机电耦合方程。仿真结果表明, 当压电梁不屈曲时, 压电梁子系统与质量块-弹簧子系统之间的运动相互影响, 弹簧刚度、质量块的质量对俘能器的俘能性能有重要影响。当质量块-弹簧子系统的固有频率为压电梁子系统的固有频率2倍时, 系统为自参数共振系统, 此时的激励阈值为最小, 且俘能带宽也会增大。
压电俘能器 自参数共振 激励阈值 宽带 piezoelectric energy harvester auto-parametric resonance excitation threshold broadband
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
西安电子科技大学 机电工程学院, 陕西 西安 710071
设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH), 用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励, 并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式; 然后, 建立仿真模型, 对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后, 加工了实验样机, 并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明, 当受到沿胫骨方向的激励时, 压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压; 受到沿胫骨和脚面两个方向激励时, 压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8 km/h时, 每根压电梁的峰值电压可达到10 V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量, 并能够同时收集两个方向的加速度能量, 提高了压电梁的发电性能。
压电俘能器 压电效应 人体步态 能量收集 升频 双稳态结构 piezoelectric energy harvester piezoelectric effect human gait energy harvesting frequency up-conversion bistable structure
浙江师范大学精密机械研究所, 浙江 金华 321004
考虑现有旋转发电机无法适应高/匀速旋转运动且振动冲击/ 噪音大、可靠性低等弊端, 提出了一种由旋转磁铁激励的压电俘能器, 并从理论及试验两方面研究了旋转磁铁数量(间距)对激振力及压电振子发电特性的影响规律。结果表明, 在其它条件确定的情况下, 存在使激振力最大的最佳旋转磁铁间隙比(磁铁直径与相邻磁铁间距离之比); 间隙比为2时的激振力幅值为间隙比为0和4时的6.2倍。采用2,12,24个旋转磁铁激励发电时, 电压-转速特性曲线中均存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速, 其中最大峰值电压及其所对应的最佳转速分别为29.4,87.2,28.4 V和1 282.5,707.5,2451 r·min-1; 12个旋转磁铁激励的最大输出电压为其它两种情况的3倍。此外, 压电振子一次激励所生成电能(波形数量及幅值)还与旋转磁铁数量及转速有关。2个旋转磁铁在低转速时仅能激励出1个较大幅值电压波形, 而高转速时可生成4个幅值较大的自由振荡波形; 12个磁铁在任何转速下都仅能激励出1个电压波形。实验显示动磁铁数量是影响旋转压电俘能器发电量及输出功率的关键要素。
压电俘能器 旋转激励 磁铁间距 输出电压 piezoelectric energy harvester rotating excitation Number of Rotating Magnets(NRMs) generated voltage
