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非线性磁式压电振动能量采集系统建模与分析

唐炜 王小璞 曹景军

非线性磁式压电振动能量采集系统建模与分析

唐炜, 王小璞, 曹景军
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  • 为便于评价、优化磁式压电振动能量采集系统的性能, 系统研究了该类系统的建模与分析方法, 建立了非线性的分布参数模型用于描述系统的非线性动力学行为, 并采用谐波平衡法给出了谐波响应的解析解. 随后利用仿真模型分析了磁铁间距、加速度幅值、负载阻抗对输出功率的影响, 比较了不同激励频率和加速度幅值下的最优阻抗. 结果表明: 双稳态特性适用于低强度的振动环境, 且愈接近临界区域, 输出功率愈高, 而单稳态渐硬特性适用于高强度振动环境, 其最优间距并不靠近临界区域; 阱间大幅运动和阱内小幅运动均存在高低能量态共存的现象, 愈接近临界区域, 现象愈明显; 激振频率是影响最优负载阻抗的决定性因素.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 50905140)、陕西省自然科学基础研究计划(批准号: 2012JQ7003)和长安大学高速公路筑养装备与技术教育部工程中心开放基金(批准号: 2013G1502054)资助的课题.
    [1]

    Zhu D B, Tudor M J, Beeby S P 2010 Meas. Sci. Technol. 21 022001

    [2]

    Tang L H, Yang Y, Soh C K 2010 J. Intell. Mater. Syst. Struct. 21 1867

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    Shahruz S M 2008 J. Comput. Nonlinear Dyn. 3 041001

    [4]

    Stanton S, McGehee C, Mann B 2009 Appl. Phys. Lett. 95 174103

    [5]

    Ramlan R, Brennan M J, Mace B R, Burrow S G 2012 J. Intell. Mater. Syst. Struct. 23 1423

    [6]

    Erturk A, Hoffmann J, Inman D J 2009 Appl. Phys. Lett. 94 254102

    [7]

    Tang L H, Yang Y, Soh C K 2012 J. Intell. Mater. Syst. Struct. 23 1433

    [8]

    Stanton S C, McGehee C C, Mann B P 2010 Physica D 239 640

    [9]

    Chen Z S, Yang Y M 2011 Acta Phys. Sin. 60 074301 (in Chinese) [陈仲生, 杨永民 2011 物理学报 60 074301]

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    Sun S, Cao S Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 210505 (in Chinese) [孙舒, 曹树谦 2012 物理学报 61 210505]

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    Gao Y J, Leng Y G, Fan S B, Lai Z H 2014 Acta Phys. Sin. 63 090501 (in Chinese) [高毓璣, 冷永刚, 范胜波, 赖志慧 2014 物理学报 63 090501]

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    Fan K Q, Xu C H, Wang W D, Fang Y 2014 Chin. Phys. B 23 084501

    [13]

    Erturk A, Inman D J 2011 Piezoelectric Energy Harvesting (Chichester: Wiley), pp171, 345

    [14]

    Yung K W, Landecker P B, Villani D D 1998 Magn. Electr. Separ. 9 39

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    Bryant M, Ephrahim G 2011 J. Vib. Acoust. 133 011010

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    Erturk A, Inman D J 2011 J. Sound Vib. 330 2339

  • [1]

    Zhu D B, Tudor M J, Beeby S P 2010 Meas. Sci. Technol. 21 022001

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    Ramlan R, Brennan M J, Mace B R, Burrow S G 2012 J. Intell. Mater. Syst. Struct. 23 1423

    [6]

    Erturk A, Hoffmann J, Inman D J 2009 Appl. Phys. Lett. 94 254102

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    Chen Z S, Yang Y M 2011 Acta Phys. Sin. 60 074301 (in Chinese) [陈仲生, 杨永民 2011 物理学报 60 074301]

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  • [1] 高毓璣, 冷永刚, 范胜波, 赖志慧. 弹性支撑双稳压电悬臂梁振动响应及能量采集研究. 物理学报, 2014, 63(9): 090501. doi: 10.7498/aps.63.090501
    [2] 谭丹, 冷永刚, 范胜波, 高毓璣. 外加磁场压电悬臂梁能量采集系统的磁化电流法磁力研究. 物理学报, 2015, 64(6): 060502. doi: 10.7498/aps.64.060502
    [3] 吴娟娟, 冷永刚, 乔海, 刘进军, 张雨阳. 窄带随机激励双稳压电悬臂梁响应机制与能量采集研究. 物理学报, 2018, 67(21): 210502. doi: 10.7498/aps.67.20180072
    [4] 张源, 高雁军, 胡诚, 谭兴毅, 邱达, 张婷婷, 朱永丹, 李美亚. 磁铁/压电双晶片复合材料磁电耦合性能的优化设计. 物理学报, 2016, 65(16): 167501. doi: 10.7498/aps.65.167501
    [5] 武丽明, 张晓青. 交联聚丙烯压电驻极体的压电性能及振动能量采集研究. 物理学报, 2015, 64(17): 177701. doi: 10.7498/aps.64.177701
    [6] 代显智, 刘小亚, 陈蕾. 一种采用双换能器和摆式结构的宽频振动能量采集器. 物理学报, 2016, 65(13): 130701. doi: 10.7498/aps.65.130701
    [7] 秦立振, 张振宇, 张坤, 丁建桥, 段智勇, 苏宇锋. 抗磁悬浮振动能量采集器动力学响应的仿真分析. 物理学报, 2018, 67(1): 018501. doi: 10.7498/aps.67.20171551
    [8] 丁虎, 严巧赟, 陈立群. 轴向加速运动黏弹性梁受迫振动中的混沌动力学. 物理学报, 2013, 62(20): 200502. doi: 10.7498/aps.62.200502
    [9] 莫嘉琪, 张伟江, 陈贤峰. 强非线性发展方程孤波同伦解法. 物理学报, 2007, 56(11): 6169-6172. doi: 10.7498/aps.56.6169
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-06-09
  • 修回日期:  2014-07-30
  • 刊出日期:  2014-12-20

非线性磁式压电振动能量采集系统建模与分析

  • 1. 西北工业大学自动化学院, 西安 710129
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 50905140)、陕西省自然科学基础研究计划(批准号: 2012JQ7003)和长安大学高速公路筑养装备与技术教育部工程中心开放基金(批准号: 2013G1502054)资助的课题.

摘要: 为便于评价、优化磁式压电振动能量采集系统的性能, 系统研究了该类系统的建模与分析方法, 建立了非线性的分布参数模型用于描述系统的非线性动力学行为, 并采用谐波平衡法给出了谐波响应的解析解. 随后利用仿真模型分析了磁铁间距、加速度幅值、负载阻抗对输出功率的影响, 比较了不同激励频率和加速度幅值下的最优阻抗. 结果表明: 双稳态特性适用于低强度的振动环境, 且愈接近临界区域, 输出功率愈高, 而单稳态渐硬特性适用于高强度振动环境, 其最优间距并不靠近临界区域; 阱间大幅运动和阱内小幅运动均存在高低能量态共存的现象, 愈接近临界区域, 现象愈明显; 激振频率是影响最优负载阻抗的决定性因素.

English Abstract

参考文献 (16)

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