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悬臂式Fe-Ga合金振动收集器的预磁化条件研究

赵强  
【摘要】:随着电子技术以及无线电通讯的快速发展,分布式传感器、微型处理器、智能芯片等这些低功耗的微型器件有了比较好的发展前景,但是电能供给问题是制约低功耗设备的应用及后续发展的问题之一。目前微型器件常采用传统电池来进行供电,传统化学电池对环境造成了一定的污染且储能有限。由于环境振动在自然界中广泛存在且环境振动能量转换效率最高,因此,收集环境中的振动并转换为电能显得尤为重要。本文以超磁致伸缩材料为核心元件,设计制造了一种振动能量收集装置,并对该装置在不同的永磁铁布置方式、规格尺寸、NS极朝向等不同的预磁化优化条件下进行了深入研究,发现预磁化优化对能量收集具有重要的影响,最后分析在最佳预磁化优化条件下该振动能量收集装置的输出特性。本文首先介绍了振动能量收集器的国内外研究现状,比较了磁致伸缩振动能量收集器相对于其它振动能量收集器的优点,Fe-Ga合金具有机械强度高,适用于复杂机械机构等优点,最后采用薄片状Fe-Ga合金作为振动收集装置的能量转换核心元件。基于磁致伸缩材料的本构关系,从微观的角度研究Fe-Ga合金的性能特性,并对磁致伸缩式振动能量收集装置的机电转换原理进行了研究。此外,对预磁化磁场提供方式及样机结构进行了设计,提出三种不同的预磁化场的布置方式以及五种不同的永磁铁规格尺寸,并且在每种不同的预磁化场布置方式下,用ANSYS仿真软件仿真分析了分布在Fe-Ga合金薄片上的磁场强度以及磁感线分布,发现不同的布置方式其磁场强度的大小以及分布是不同的。考虑到磁场强度分布不均匀的情况,构建了数学表达式来解释磁电转换的问题。并通过实验详细研究了不同预磁化场下,该悬臂式振动能量收集装置的输出特性分析,最终确定了较佳的预磁化条件。最后,在较佳的预磁化条件下,分别对Fe-Ga合金悬臂式收集装置的输出特性系统地进行了实验测量。实验结果表明:在最佳的预磁化条件下,测得6g加速度、90Hz时,其输出最高电压为910mv,向外接负载输出的最大功率为3.94mW。并尝试将该装置进行实际应用,结果表明,该振动能量装置借助四倍压整流电路的信号处理后可持续点亮多个LED发光二极管和USB实物小灯,该结果验证了该装置的可持续发电性能。


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