【摘 要】
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压电式能量收集是将环境中的振动能量转化为电能的主要方式之一,可以应用在恶劣环境中为一些低功耗的电子设备提供能量,实现电子设备自供电。但压电式能量收集器的不足主要是有效工作带宽窄以及输出功率低,现有的提高压电能量收集器工作带宽和功率的方法主要有非线性谐振、多模态俘能以及压电-电磁复合能量收集。为了提高压电能量收集的工作带宽和输出功率,本文提出了一种非线性压电-电磁复合能量收集装置（NPEH）,该装置
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压电式能量收集是将环境中的振动能量转化为电能的主要方式之一,可以应用在恶劣环境中为一些低功耗的电子设备提供能量,实现电子设备自供电。但压电式能量收集器的不足主要是有效工作带宽窄以及输出功率低,现有的提高压电能量收集器工作带宽和功率的方法主要有非线性谐振、多模态俘能以及压电-电磁复合能量收集。为了提高压电能量收集的工作带宽和输出功率,本文提出了一种非线性压电-电磁复合能量收集装置（NPEH）,该装置由两个压电悬臂梁组成,两个悬臂梁自由端附带有磁极相反的永磁体。每个永磁体周围都缠绕着线圈,同一根悬臂梁上的线圈和磁铁是固定的。该装置具有结构简单、体积小、工作带宽和输出功率高的优点,便于小型化和阵列。基于集中式建模的方法建立了NPEH系统的动力学方程,分析了基座式激励和旋转式激励下NPEH系统的动力学响应。制作了NPEH装置的样机并分别进行了基座式激励和旋转式激励的实验。理论及实验研究表明,所提出的NPEH装置可以有效的提高压电式能量收集器的工作带宽和功率。与其他研究人员所设计的压电能量收集器相比,该结构的功率密度提高了大约52.3%,工作带宽提高了大约28.6%。可以通过改变悬臂梁长度、厚度以及自由端质量调整悬臂梁的共振频率,以此来调整装置的工作带宽。所设计的NPEH收集器便于阵列,通过调整阵列悬臂梁的共振频率以及排列顺序可以得到不同的电压输出,便于根据实际需求调整阵列结构。在实验部分,分别利用基座式激励和旋转式激励成功的驱动了一些电子负载,验证了所设计的NPEH装置的可应用性。
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