等强度梁式压-磁耦合振动俘能器的性能分析

马天兵 ,尹梦涵 ,胡伟康 ,贾世盛

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学机械工程学院,安徽 淮南 232001)

微功耗无线传感网络、通信技术和嵌入式技术的日益成熟以及振动俘能结构[1-2]和电路的飞速发展,使得特殊环境下的微功耗元器件采用振动俘能器供电成为可能[3-6]。

目前振动俘能结构主要分为三种:压电式[7-8]、磁电式[9-10]以及静电式。但单一结构的振动俘能器普遍受到可收集频率范围窄、输出功率低的限制,使得振动俘能的实用性大大降低。以压电振动俘能技术为例,只有结构在共振频率周围才有较高的输出[11-12]。因此,Yang 等[13]在传统悬臂梁式压电俘能器上增加了末端质量,有效地降低了俘能器的固有频率。孙亚峰等[14]分析了不同宽度梯形梁对能量收集器各项性能指标的影响,结果表明:随着梯形梁自由端宽度的减小,梁结构向等强度结构靠近,使得梁表面应力分布更均匀,输出电压升高,梯形梁结构的能量收集器最大输出电压较同尺寸矩形梁结构提升了34.97%;张旭辉等[15]设计了一种双稳态磁力耦合多悬臂梁俘能器,该结构俘能器引入磁力,使得采集效率相对无磁力时大幅提高,实验结果表明:俘能范围最大拓宽3.1 倍,输出电压显著提高,但结构尺寸相对较大;杜小振等[16]设计了基于非线性磁力调节的压电电磁复合发电系统,但整个装置的动力学特性较复杂。

为了提高能量输出功率和压电片利用率,使振动俘能技术为微功耗无线传感器或传感节点进行更可靠的供电。……