单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.002

中国机械工程 ›› 2021, Vol. 32 ›› Issue (19): 2288-2293，2304.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.002

单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验

张忠华1，2;柴君凌1;阚君武1，2;林仕杰1;王淑云1;黄乐帅1

1.浙江师范大学精密机械与智能结构研究所，金华，321004
2.浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室，金华，321004

出版日期:2021-10-10 发布日期:2021-11-04
通讯作者: 阚君武（通信作者），男，1965年生，教授、博士研究生导师。研究方向为研究方向为压电驱动器、能量回收与自供电技术、精密机械与微小机械等。E-mail：kanjw@zjnu.edu.cn。
作者简介:张忠华，男，1980年生，教授。研究方向为压电能量收集技术。E-mail：zhangzhh@zjnu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金(51877199，52077201)；
浙江省重点研发计划（2021C01181）；
浙江省自然科学基金（LY20F010006）；
国家大学生创新创业训练计划（202010345068）

Modeling and Tests for Magnetically Coupled Piezoelectric Vibration Energy Harvesters Using a Single Magnet

ZHANG Zhonghua1，2;CHAI Junling1;KAN Junwu1，2;LIN Shijie1;WANG Shuyun1;HUANG Leshuai1

1.Institute of Precision Machinery and Smart Structure，Zhejiang Normal University，Jinhua，Zhejiang，321004
2.Key Laboratory of Urban Rail Transit Intelligent Operation and Maintenance Technology and Equipment of Zhejiang Province，Jinhua，Zhejiang，321004

Online:2021-10-10 Published:2021-11-04

摘要/Abstract

摘要： 为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收，提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器。建立了俘能器的动力学方程，采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响；设计制作了样机，并进行了试验测试。试验结果表明，俘能器的势能曲线随水平耦合距离d减小由单势阱变为双势阱，且存在较佳的磁铁水平耦合距离（d=11 mm），使双势阱的阱深适中、俘能器的固有频率减小、有效频带变宽；竖直耦合距离h增大对有效频带的影响较小，h≤2 mm时，相较于无磁耦合（NMC）降低了固有频率；仅改变耦合角α时，存在最佳参数组合（d=14 mm、h=6 mm、α=67.5°）使俘能器获得较低的固有频率（16 Hz）和较宽的有效带宽（19.6 Hz），较无磁耦合时的有效带宽拓宽了6 Hz，进而提高了俘能器的发电性能。

关键词: 磁耦合, 振动俘能器, 可靠性, 磁调频, 有效频带

Abstract: In order to achieve high reliability and broadband vibration energy recovery， a magnetically coupled piezoelectric vibration energy harvester using a single magnet was proposed. The kinetic equation of the energy harvesters was established. The effects of magnet horizontal coupling distance d， vertical coupling distance h and coupling angle α on potential energy were simulated and analyzed using COMSOL. A prototype was designed and made to test the output characteristics. The testing results show that the potential energy curve of the energy harvesters changes from single potential well to double potential well as d decreases， at the same time there is a better condition where d is as 11 mm， which may make the depth of the double potential well moderate and then reduce the natural frequency of the energy harvesters and broaden the effective frequency band. The increase of h has little effect on the effective frequency band. When h≤2 mm， the natural frequency is reduced compared to non-magnetic coupling（NMC）. When only changing α， there is an optimal combination of parameters（d=14 mm， h=6 mm， α=67.5°）to enable the energy harvesters to obtain a lower natural frequency（16 Hz） and a wider effective bandwidth（23.6 Hz）， which is as 6 Hz wider than that of NMC， then the power generation performance of the energy harvesters is improved.

Key words: magnetic coupling, vibration energy harvester, reliability, magnetic frequency modulation, effective frequency band

中图分类号:

TP384
TM619

张忠华, 柴君凌, 阚君武, 林仕杰, 王淑云, 黄乐帅. 单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验[J]. 中国机械工程, 2021, 32(19): 2288-2293，2304.

ZHANG Zhonghua, CHAI Junling, KAN Junwu, LIN Shijie, WANG Shuyun, HUANG Leshuai. Modeling and Tests for Magnetically Coupled Piezoelectric Vibration Energy Harvesters Using a Single Magnet[J]. China Mechanical Engineering, 2021, 32(19): 2288-2293，2304.

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参考文献

［1］樊康旗，刘朝辉，王连松，等. 从人体行走中收集能量的鞋上压电俘能器［J］. 光学精密工程， 2017， 25（5）：1272-1280.
FAN Kangqi， LIU Zhaohui， WANG Liansong， et al. Shoe-mounted Piezoelectric Energy Harvester for Collecting Energy from Human Walking［J］. Optics and Precision Engineering， 2017， 25（5）：1272-1280.
［2］阚君武，何恒钱，王淑云，等. 基于压电简支梁拉伸调频的旋磁发电机［J］. 中国机械工程， 2019， 30（23）：2857-2862.
KAN Junwu， HE Hengqian， WANG Shuyun， et al. Rotary Magnet-coupled Generator with Frequency Adjustment Using Extensions of a Piezoelectric Simply-supported Beam［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（23）：2857-2862.
［3］WANG Junlei， GENG Linfeng， DING Lin， et al. The State-of-the-art Review on Energy Harvesting from Flow-induced Vibrations［J］. Applied Energy， 2020， 267：114902.
［4］王均山，陈超，石明友，等. 悬浮式球转子压电作动器的设计及实验研究［J］. 中国机械工程， 2020， 31（17）：2064-2070.
WANG Junshan， CHEN Chao， SHI Mingyou， et al. Experimental Study and Design of Piezoelectric Actuators with Suspension Spherical Rotor［J］. China Mechanical Engineering， 2020， 31（17）：2064-2070.
［5］FIROOZY P， KHADEM S E， POURKIAEE S M. Broadband Energy Harvesting Using Nonlinear Vibrations of a Magnetopiezoelastic Cantilever Beam［J］. International Journal of Engineering Science， 2017， 111：113-133.
［6］HARNE R L， WANG K W. A Review of the Recent Research on Vibration Energy Harvesting via Bistable Systems［J］. Smart Materials and Structures， 2013， 22（2）：023001.
［7］阚君武，唐可红，王淑云，等. 压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析［J］. 光学精密工程， 2008， 16（1）：71-75.
KAN Junwu， TANG Kehong， WANG Shuyun， et al. Modeling and Simulation of Piezoelectric Cantilever Generators［J］. Optics and Precision Engineering， 2008， 16（1）：71-75.
［8］JI Hongli， QIU Jinhao， ZHU Kongjun. Vibration Control of a Composite Beam Using Self-sensing Semi-active Approach［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2010， 23（5）：663-670.
［9］马骁骏，冷永刚，刘进军，等. 三向压电悬臂梁振动能量采集器的研究［J］. 振动与冲击， 2018， 37（22）：57-66.
MA Xiaojun， LENG Yonggang， LIU Jinjun， et al. Three-dimensional Piezoelectric Cantilever-beam Energy Harvester［J］. Journal of Vibration and Shock， 2018， 37（22）：57-66.
［10］PEREIRAT L， PAULA A S D， FABRO A T， et al. Random Effects in a Nonlinear Vibration-based Piezoelectric Energy Harvesting System［J］. International Journal of Bifurcation and Chaos， 2019， 29（4）：1950046.
［11］杨斌强，徐文潭，陆国丽，等. 宽频压电振动能量采集器的分布参数模型与实验［J］. 中国机械工程， 2017， 28（2）：127-134.
YANG Binqiang， XU Wentan， LU Guoli， et al. Distributed Parameter Model and Experiments of a Broadband Piezoelectric Vibration Energy Harvester［J］. China Mechanical Engineering， 2017， 28（2）：127-134.
［12］WANG X， CHEN C， WANG N， et al. A Frequency and Bandwidth Tunable Piezoelectric Vibration Energy Harvester Using Multiple Nonlinear Techniques［J］. Applied Energy， 2017， 190：368-375.
［13］CHIACCHIARIS， ROMEO F， MCFARLAND D M， et al. Vibration Energy Harvesting from Impulsive Excitations via a Bistable Nonlinear Attachment［J］. International Journal of Non-Linear Mechanics， 2017， 94：84-97.
［14］YANG W， TOWFIGHIAN S. A Parametric Resonator with Low Threshold Excitation for Vibration Energy Harvesting［J］. Journal of Sound and Vibration， 2019， 446：129-143.
［15］DENG H， WANG Z， DU Y， et al. A Seesaw-type Approach for Enhancing Nonlinear Energy Harvesting［J］. Applied Physics Letters， 2018， 112（21）：213902.
［16］ZHOU S， ZUO L. Nonlinear Dynamic Analysis of Asymmetric Tristable Energy Harvesters for Enhanced Energy Harvesting［J］. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation， 2018， 61：271-284.
［17］王淑云，张肖逸，阚君武，等. 气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器［J］. 光学精密工程， 2015， 23（2）：497-503.
WANG Shuyun， ZHANG Xiaoyi， KAN Junwu， et al. Wideband/Low Frequency Piezoelectric Vibration Energy Harvester Based on Pneumato-coupling［J］. Optics and Precision Engineering， 2015， 23（2）：497-503.
［18］COTTONE F， VOCCA H， GAMMAITONI L. Nonlinear Energy Harvesting［J］. Physical Review Letters， 2009， 102（8）：080601.
［19］AND B， BAGLIO S， TRIGONA C， et al. Nonlinear Mechanism in MEMS Devices for Energy Harvesting Applications［J］. Journal of Micro-mechanics and Microengineering， 2010， 20（12）：125020.

[1]	高进, 崔海冰, 樊涛, 李昂, 杜尊峰. 一种基于自适应Kriging集成模型的结构可靠性分析方法[J]. 中国机械工程, 2024, 35(01): 83-92.
[2]	屈小章, 张加贝, 翟方志. 非随机载荷不确定的机车侧墙过滤系统两相流可靠性分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(15): 1881-1889.
[3]	赵雷雷, 于曰伟, 曹建虎, 高尚鹏, 周长城, 袁建. 新型准零刚度非线性悬置座椅特性分析与参数匹配[J]. 中国机械工程, 2023, 34(01): 36-46.
[4]	余晗琳, 罗亚波. 掺配车间的双中心物流路径规划[J]. 中国机械工程, 2022, 33(21): 2531-2537.
[5]	王巧, 杜雪松, 宋朝省, 朱才朝, 孙健铨, 廖德林. 谐波减速器加速寿命试验方法研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(19): 2317-2324.
[6]	陈东宁, 胡彦龙, 姚成玉, 王宽通, 马雷, . 多维动态贝叶斯网络及其重要度分析方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(19): 2340-2346.
[7]	易茜, 李聪波, 潘建, 张友. 薄板类零件加工精度可靠性分析及工艺参数优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(11): 1269-1277.
[8]	陈一凡, 张根保, 冉琰, 李宇龙, 庾辉, . 面向元动作的机械传动系统可靠性分配方法[J]. 中国机械工程, 2021, 32(17): 2032-2039.
[9]	周金宇, 朱达伟, 王志凌. 基于通用生成函数的结构可靠性优化策略[J]. 中国机械工程, 2021, 32(12): 1442-1448.
[10]	赵丽娟, 王雅东, 王斌. 含夹矸煤层条件下采煤机螺旋滚筒工作性能分析与预测[J]. 中国机械工程, 2021, 32(08): 976-986.
[11]	王康, 齐金平, 周亚辉, 李少雄, 赵睿虎, 郭浩. [轨道交通运维技术]基于离散时间贝叶斯网络的列控中心可靠性分析[J]. 中国机械工程, 2021, 32(04): 390-398.
[12]	吴锦辉1,2；陶友瑞1,2. 工业机器人定位精度可靠性研究现状综述[J]. 中国机械工程, 2020, 31(18): 2180-2188.
[13]	刘鑫1;龚敏1;周振华1;李宝童2;董建业1. 基于证据理论的机械结构高效可靠性分析方法[J]. 中国机械工程, 2020, 31(17): 2031-2037.
[14]	杨培林, 刘青, 樊娟妮, 侯翌. 机电系统的概率行为树建模及可靠性评价[J]. 中国机械工程, 2020, 31(14): 1639-1646.
[15]	王新刚, 张鑫垚, 杨禄杰, 马瑞敏. 竞争失效条件下针对磨损退化数据的刀具可靠性分析[J]. 中国机械工程, 2020, 31(14): 1672-1677,1746.

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