基于磁性液体的多频振动能量采集器研究

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自然界中存在着多种低频振动能,如人体运动能、波浪能、风能等。低频振动能量庞大可观,对低频振动能的收集拾取不仅可以缓解传统能源消耗的压力,而且也可用来供给微型低功耗电子器件能量所需。目前,电磁式能量采集装置应用于低频振动能的高效采集过程中,主要依靠磁性惯性质量块拾取和转换振动能,然而常见电磁式能量采集装置中的惯性块在响应振动的过程中阻尼过大,使得其低频微振动响应性能差;且目前低频振动频率范围宽,使得单频振动能量采集器无法进行高效采能。为此,本文提出一种基于磁性液体的多频振动能量采集器,利用磁性液体的悬浮特性,将永磁质量块悬浮来避免与壁面之间的固固摩擦,增强惯性质量块的振动响应性能;采用多频振动能量采集模块,拓宽能量采集频率范围,提高采能效率。本文通过理论与仿真分析、实验研究来开展对磁性液体多频振动能量采集器的研究,本文的主要工作如下:(1)研究基于磁性液体振动能量采集装置的相关基础理论。理论分析磁性液体伯努利方程、磁性液体二阶悬浮力方程。理论分析电磁振动能量采集功率,分析出在共振以及电磁阻尼比与机械阻尼比的比值相等的条件下采集装置的输出功率最大。(2)对磁性液体平面振动能量采集单元进行结构设计与理论模型参数分析。针对低频微振动拾取模块,建立了单自由度振动力学模型。分析平面振动能量采集单元等效模型中的刚度与阻尼,实验研究影响刚度与阻尼的因素。(3)理论研究磁性液体多频振动能量采集器,并进行结构设计与仿真分析。仿真上下两个单自由度系统中动子的相互影响程度,最终确定整体结构参数。(4)实验研究多频振动能量采集器在低频振动下的功率特性。以悬臂梁形式振动作为振动源,来模拟采集装置受到外界的低频率振动,实验研究能量采集装置在不同低频(1Hz~2Hz)振动源下的输出功率与功率密度。针对人体运动形式,实验研究了能量采集装置的功率特性,实验表明,人体在步行与慢跑时,采集装置的体积功率密度最大分别为529.9 m W/cm3与438.1 m W/cm3,质量功率密度最大分别为0.7111 m W/kg与0.5879 m W/kg。本论文共有图57幅,表19个,参考文献70篇。
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