【摘 要】
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针对现有风致振压电发电机可靠性、环境适应性及发电能力等无法满足复杂风场环境中无线传感网络监测系统自供电需求的问题,本文提出一种磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机,其由弹性支撑的圆柱钝体、预弯装配的压电振子以及磁铁构成。在顺流激励下,利用钝体带动柔性梁间接激励压电振子振动发电,通过引入非线性磁力可调节发电机的振动特性和发电特性。其优势在于:可靠性高、环境适应性及发电能力强。本文从理论和试验两方面对
【基金项目】
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国家自然科学基金项目:基于组合换能器的磁力耦合辅助激励式压电振动发电机研究(项目编号:51877199); 国家自然科学基金项目:自限位/自激励的伸缩纵振式定常管流压电俘能器研究(项目编号:61574128); 国家自然科学基金项目:多场耦合间接/单向激励的复合双稳态多自由度压电河流俘能器研究(项目编号:52077201);
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针对现有风致振压电发电机可靠性、环境适应性及发电能力等无法满足复杂风场环境中无线传感网络监测系统自供电需求的问题,本文提出一种磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机,其由弹性支撑的圆柱钝体、预弯装配的压电振子以及磁铁构成。在顺流激励下,利用钝体带动柔性梁间接激励压电振子振动发电,通过引入非线性磁力可调节发电机的振动特性和发电特性。其优势在于:可靠性高、环境适应性及发电能力强。本文从理论和试验两方面对其进行了深入的研究,具体研究内容和结论如下:(1)介绍了磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机的结构原理,建立了发电机的动力学模型,并给出发电机的响应函数表达式,获取了影响其振动响应特性的要素。此外,通过系统势能函数分析了磁铁配置对势能的影响。(2)利用COMSOL仿真软件建立了组合换能器的仿真模型,通过仿真获得了柔性梁长度、钝体直径及压电振子预弯半径等结构参数和边界载荷对压电振子最大应力和最大位移、钝体最大位移及发电机固有频率的影响规律。在此基础上,建立了发电机与流场耦合的“流-固-电”多物理场COMSOL仿真模型,通过仿真获得了流速、柔性梁长度、钝体直径等参数对发电机的工作性能的影响规律。(3)为验证理论与仿真结果的正确性,设计制作了发电机的试验样机,搭建了气流俘能测试系统,并进行了试验研究。获得了风速、压电振子预弯半径、柔性梁长度、钝体直径、磁铁横向间距和纵向间距等系统参数对发电机输出电压的影响规律。在此基础上选取了具有较优结构参数的发电机进行了负载电阻和LED灯驱动试验,获得了负载电阻对发电机输出功率的影响规律和LED点亮效果。试验结果表明:压电振子预弯装配可以提高发电机可靠性;改变柔性梁长度、钝体直径等系统参数可有效调节输出电压和工作风带;改变磁铁横向间距和磁铁纵向间距可以有效促进或抑制发电机振动发电;存在最优负载电阻为300kΩ使发电机输出功率达到最大,最大输出功率可达0.5m W;在实际应用测试中,高风速下能轻松点亮35盏串联LED灯,即使是在低风速下也能点亮20盏串联LED灯。
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