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基于流致振动的磁力非线性压电俘能系统模拟与实验研究

冯雎  
【摘要】:近年来,为缓解能源紧缺加上MEMS等的发展,许多学者将目光投入到基于压电材料的正压电效应的压电俘能上来。环境振动俘能通常有频率多变的特点,因此拓宽压电俘能器的频带是一项研究热点,引入磁力带来非线性是可采取的调频手段之一,因此本文设计了一套水流环境中的,基于流致振动原理的磁力作用下的非线性压电俘能器,通过永磁铁间的磁力作用为系统调频提供基础。首先本文建立了磁力非线性俘能系统输出特性的数学模型,将系统模型参数分为俘能器结构参数和磁力参数两部分,运用等效原理求解了系统各等效结构参数,同时建立了磁铁间的磁势能模型,确定了所引入的磁力参数与磁铁相对位置间的关系。接下来利用建立的数学模型,数值分析并结合仿真对比总结了系统的输出特性。引入的磁力参数简化为线性刚度系数1与非线性刚度系数2,求解了不同的磁铁位置参数下的等效的磁力参数的变化,确定了数值分析与仿真所需参数的取值范围,根据1的取值将系统分为硬刚度系统和软刚度系统。结果表明:1取负值的硬刚度系统,起振流速滞后但在高流速时电压输出增大,提升效果随2绝对值的增大而减弱,随1绝对值的增大而加强,系统的频带得到了拓宽,最大拓宽了36%,适合应用在流速较高的场合。1取正值且小于压电振子本身刚度的软刚度系统,起振流速提前,提前效果随1绝对值的增大而加强,达到4V的流速数值分析中降幅最大达到23.5%,流体仿真则达到36.4%,高流速时电压输出普遍降低,但磁力参数取值合适时电压输出也会有所提升,拓宽了俘能器的适用场合。最后依据前文中设计的磁力非线性俘能系统的模型研制了实验样机,并且为满足变速流体的实验环境搭建了可调流速的实验平台,进行了测试实验。结果显示硬刚度系统起振流速滞后,高流速输出提升,软刚度系统起振流速降低,4V起振流速降幅为33.5%,接近仿真中的36.4%,低流速输出提升效果显著,在0.2m/s的低流速下输出由0.48V提升至4.9V。验证了输出特性变化规律的正确性。


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