【摘 要】
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随着环境健康监测领域的发展,为满足特殊场景下低功耗无线节点自供电需求,减少人为更换电池的频率和解决现有旋转压电俘能器输出功率较小等问题,利用旋转机构的旋转运动特征,设计出一种结构紧凑、非接触、俘能效率高的叠加梁式旋磁激励压电俘能器。从理论及实验两方面,对影响其发电性能的参数进行规律探究,获得最终的输出功率。首先,阐述了俘能器的工作原理,引入动、定磁铁间非线性作用力将旋转运动转化为压电振子末端振动。
【基金项目】
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2020年度安徽省自然科学基金资助项目:基于压电振动俘能的立井提升导向装置健康管理系统研究（项目编号:2008085ME178）；
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随着环境健康监测领域的发展,为满足特殊场景下低功耗无线节点自供电需求,减少人为更换电池的频率和解决现有旋转压电俘能器输出功率较小等问题,利用旋转机构的旋转运动特征,设计出一种结构紧凑、非接触、俘能效率高的叠加梁式旋磁激励压电俘能器。从理论及实验两方面,对影响其发电性能的参数进行规律探究,获得最终的输出功率。首先,阐述了俘能器的工作原理,引入动、定磁铁间非线性作用力将旋转运动转化为压电振子末端振动。利用压电理论及材料力学知识,获得复合梁中性层位置及系统的动力学模型,为弹性基板选材和俘能器结构参数设计提供了理论参考。其次,利用COMSOL仿真及实验对压电振子结构参数、旋磁激励性质及强度等进行优化分析,并对压电振子进行纵向叠加阵列和横向阵列设计,探究了末端连接方式、阵列间距、阵列数量等参数对俘能器发电性能的影响规律。通过仿真及实验结果表明:压电元件长宽比为4.333时,最大输出电压是长宽比为2.333的1.15倍,是长宽比为1.325的1.8倍;亚克力材料替代传统金属基板可以使压电元件的受力更加均匀,有效提高压电片利用率和低幅响应灵敏度,最优弹性基板参数为90*12*1.5 mm（长*宽*厚）;动磁铁吸斥交替排布方式能够有效提高输出电压,末端定磁铁数量可用于调节峰值频率和电压幅值,激振力与动定磁铁间距成反比关系;采用底层和顶层末端铰接,中间层末端滑槽连接的纵向叠加梁结构,在纵向阵列数量为8层,阵列间距为1.5 mm时,实现了较高的电压输出和振动一致性;峰值频率在6 r/s,与研究背景中罐耳工作转速5.4 r/s较吻合,输出电压达27.2 V。最后,横向阵列7组,负载10 kΩ时,并联最大输出功率达11.26 m W。输出端作为电源,验证了用于无线发射节点供电的可行性。图[66]表[7]参[74]
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