一大把首页 企业库 产品库 行业圈 企业资讯

注册|登录

您的位置: 企业资讯 > 电气资讯 > 新型压电能量采集器,可将机械能快速转换为电能!

新型压电能量采集器,可将机械能快速转换为电能!

2020-11-21 07:10:57

本文介绍了一种采用快速贯通屈曲(STB)机构进行变频(FuC)的压电能量采集器。该采集器由两个主要部件组成:双稳态机械结构和一个压电悬臂梁。采用解析方法和数值模拟方法设计了该装置。一个概念验证的原型制造和测试下,低频机械激励。实验结果表明,在未激发悬臂梁的谐振频率的情况下,如果诱导悬臂梁,从第二稳定结构恢复到未变形结构,则可得到FuC,且梁的响应在较宽范围内呈现频率成分。如果设备被迫在第二个配置稳定,受到低频激励的振幅超过一个阈值,触发机顶盒和随后的FuC引起梁的振动频率范围不断扩大,从而在功率输出方面产生显着的效果。通过使用最佳电阻负载作为STB,从双稳态机构的稳定配置触发另一个负载,可获得最大4 mW的功率。最大能量在带有存储电容器的整流器电路中获得。相关论文以题为“Snap-Through Buckling Mechanism for Frequency-up Conversion in Piezoelectric Energy Harvesting”发表在《Applied Sciences》上。近年来,能源收集(EH)一直是密集研究的对象,因为可以开发的自然无限能源无处不在,特别是来自环境振动的动能。再加上微电子和微机电系统(MEMS)领域的最新进展,使得无电池的小型电子设备成为可能。事实上,机械能可以通过利用不同的转换机制的能量采集器来收集并转换成电能,用于驱动电子设备。EH中最常用的转换机制之一是基于压电效应,因为与静电和电磁转换原理相比,压电效应具有更高的能量密度。由于压电线性能量采集器的高顺应性,通常作为悬臂梁制造,并放置在振动结构上。来自环境振动的机械能通常分布在一个宽频谱,其中频率成分低于几百赫兹通常占主导地位。然而,当线性采集器在接近其共振频率(通常高于环境振动频率)的地方被激发时,效率最高。因此,这就要求在非正弦或随机激励下进行带宽拓宽、频率平移、FuC和非共振操作。一个压电胺化悬臂梁连接到一个非线性双稳态结构,可以触发FuC。与以往的研究不同,双稳态装置不依赖于轴向力的存在,而轴向力很难实现和控制,特别是对于小型装置。系统的特定初始形状需要在两种稳定配置之间设置STB,类似于浅拱的情况。此处所述设备的设计和制造尺寸为厘米。这一想法得到了分析研究和有限元(FE)数值分析的支持,由软件ABAQUS进行。研究人员已经实现了一组不同的原型并进行了彻底的测试。最后,通过在制造的样机上进行电测量,并与FE结果进行比较,实验验证了STB机制触发FuC的有效性,得到了令人鼓舞的结果。,STB机制,所研究的双稳机构,也称为STB机构,由两个双夹紧弯曲梁组成,在跨中相互夹紧,如图1所示。参照图1b,每根曲线梁的预制形状可以用以下公式表示:其中w(x)为,对于每根弯曲梁,为梁到其两个夹紧端连接的直线的距离,h为弯曲梁的初始上升量,即h=w(L/2), L为跨长。图1.双弯梁双稳机构(a)的快速屈曲(STB),几何参数的定义(b), Q>6双稳机构的简化力-位移曲线。,STB机理的特征在于稳定平衡的两种构型:初始未变形构型和反向构型。指示Q =小时/吨初始上升与单个弯曲梁厚度的比值,可以通过分析证明,只要Q > 2.31且双曲梁被夹在中跨以绕过非对称屈曲模式,就可以确保双稳性。当STB机构在中跨受到力F时,该装置的非线性静态行为由非线性力-位移曲线表征(如果发生STB ,F会改变其符号)。,STB-EH装置的设计,该装置由两个部件组成:一个双梁双稳态结构,在初始稳定结构和反向稳定结构之间切换,反之亦然;一个商用双晶压电悬臂梁,以下简称为双晶压电悬臂梁,连接到机构的跨中。为了降低压电悬臂梁的谐振频率,提高整体质量,在其自由端放置了一个顶部质量。双压电晶片零件梁用作能量采集器工作主要是:梁的弯曲振动引起轴向压力,在压电层和相反的迹象,在纵轴的方向和产生一个电压输出电极,其标志取决于两个压电层的极化的方向。当双稳态机制在它的两个稳定状态之间切换时,附加的双晶束经历一个加速度,使其以宽频谱的自由振动状态振荡,而不受激励频率的影响,从而增加了束的振荡,从而增加了电输出。双稳态机制使用厚度1.6 mm的FR4(阻燃)基材,通过铣刀(乐普科ProtoMat C30)制造。FR4基材是一种玻璃增强环氧层压材料,通常用作电绝缘体。通过三点弯曲试验对所采用的FR4基材的力学性能进行了初步实验评估,得到了根据纤维取向在10 - 22 GPa之间的FR4杨氏模量。该设计遵循上一节中报告的解析表达式,并通过一系列数值模拟加以改进。利用不同的原型进行了初步的实验测试,以研究弯曲梁的厚度t和初始上升h的影响。最终的设计是在装置的结构鲁棒性与可实现的弹性抗弯刚度和弹性能量之间进行权衡,以避免夹紧双弯梁在卡扣过程中的失效。图2显示了设计原型的示意图。将双晶压电梁粘夹在双稳态机构的中心块上,在中心块上制造一个与双晶压电梁截面尺寸相同的孔。考虑了两种不同的布局。模型A由双稳态机构和压电梁组成,不考虑叶尖质量。然后对该设置进行了轻微的修改,得到了模型B,通过在双弯管光束的自由端放置一个铅球质量(半径为2.5 mm,因此质量约为ugual到740 mg)来降低其谐振频率并增加其弯曲振动。在图2中可以看到带有虚线边界的球形尖端质量。图2.设计原型在前视图(a)和侧视图(b)的表示。模型a不含叶尖质量(灰球),模型b包含叶尖质量。如图3a所示,双晶片梁的尺寸为L=15mm×w=1.5mm×t=0.62mm,主要由三层组成:一个厚度为ts的钛垫片夹在对极的两层压电层之间。每个压电层表示在图3 b,这显示了等效电路的串联压电层,由电流源ip和并联电容器Cp。电电容Cp和机电耦合系数分别等于1.5 nF和60。图3.(a)电串联两压电层的双晶悬臂梁和(b)压电转换器的等效电路。,STB-EH装置开路结构的有限元分析和数值结果,该装置采用软件ABAQUS进行有限元分析(FEA),其中可以考虑机电耦合和双稳态机构的非线性。在三维建模空间中考虑单个可变形实体零件,并将各种零件按二维形状挤压成型。假设不同分量具有线性弹性本构律,其中FR4、钛和PZT的杨氏模量分别为EFR4=14GPa、Ep=60GPa和Et=115GPa;泊松比:公式FR4=0.16,公式p=0.33,公式t=0.30;质量密度FR4=1560kg/m3, p=7500kg/m3, t = 11340 kg/m3。考虑到曲线梁为几乎与材料方向对齐的薄单元,为简单起见,FR4采用等效各向同性模型,其特征为上述单轴刚度。该模型所适用的约束条件与双稳态机构的弯曲梁的四个端部完全吻合。模型采用二次六面体有限元进行网格划分;特别地,那些采用模型的压电层属于压电族,而其余的装置是建模的三维应力单元。为了对双稳态机理进行建模,有必要对弯曲梁的厚度进行初步测量。用光学显微镜沿着四个弯曲的部分进行四十次厚度测量,如图4所示。测量结果显示了厚度沿单弯曲梁长度变化的显著性:例如,右下端梁的最大测量值为384.23倾值m,最小测量值为345.21倾值m。平均值和变异系数(CoV)(见图2):左上梁352.88流道m (CoV 2.38%);左下梁365.94流道m (CoV 2.65%);右上波束365.44流道m (CoV 2.49%);右下光束351.02,棕m (CoV 2.49%)。在所有的情况下,实际厚度都低于标称厚度约550晃度m。造成的厚度变化引发的不对称公差制造过程建模的有限元仿真工具通过分配到四个曲线元素,为了简单起见,上述平均值的厚度、均匀沿着每个曲梁但不同从一个梁。双稳态机制的不对称性质会影响其预期的双稳态行为,导致在触发从初始状态到反向状态的转换时,中心钳会旋转,如图5所示。通过不同的分析,也得到了相似的结果,例如,根据测量结果,在每个梁的厚度中引入一些局部变化。图4.部分制造的弯曲光束的显微镜图像。图5.器件从初始到反向稳定配置的有限元分析。(a)过渡期间变形形状的前视图;(b)米塞斯等效应力等值线图。结论,事实上,当双稳态机构受到位移的影响,并让其自由地从反向状态冲动地弹跳到初始状态时,测量到的变换器输出电压中包含了很大范围的高频成分。在降低双晶片梁的共振频率的同时,使用尖端质量意味着电压输出的显著增加,这是由于梁的变形增加,导致压电层的高应变。将实验结果与考虑几何非线性和机电耦合的有限元模型的结果进行了比较,结果表明两者具有良好的一致性。在振动筛上测试EH装置时,证明了STB在从低频输入激励中获取能量时的重要性:作为低频励磁设备须有峰值振幅新加坡旅游局阈值以上,稳定之间的双稳态开关机制配置(逆转)到另一个(初始配置)和频率响应谱包含高频组件,无论输入激励的频率。通过STB对输入加速度为2或大于该阈值的振动筛进行STB测试,可以得到一个接近60v的峰值电压,并作用于不同的频率,远低于该设备的谐振频率。试验是在附加质量存在的情况下进行的,目的是减少引起弹跳所需的加速度。此外,实验结果证明了EH设备能够产生一个电输出连接到外部电路:峰值功率约4 mW生成使用400Ω电阻负载和最大的能量约为4.5μJ存储在0.2 s 200 nF电容器。通过对振动筛的测试,也确认了平均功率在100磅左右。论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3614/htm,
转载:贤集网-电工小二

版权与免责声明

1、一大把网站对已注明来源的文章或图片等稿件进行转载是出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。

2、本网转载作品均注明来源,如涉及作品内容、版权等问题,请及时与本网联系,我们将在第一时间删除内容。

3、其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品出处,并自负版权等法律责任。

更多版权相关条款请查看本站“版权声明