南京邮电大学 集成电路科学与工程学院， 南京 210023
为了降低谐振频率，实现多方向收集和提高输出性能，提出了一种4π圆弧螺旋压电能量收集器。通过分析器件尺寸与输出性能之间的关系来提高器件性能，将优化后的模型进行COMSOL仿真，分析振动位移、应力以及谐振频率。相对于2π圆弧螺旋压电能量收集器，4π圆弧螺旋压电能量收集器具有更低的谐振频率和更高的输出电压。4π圆弧螺旋压电能量收集器的谐振频率为48 Hz，输出电压达到12.3 V，输出功率达到400 μW。
4π圆弧螺旋 压电能量收集器 输出电压 谐振频率 4π circular arc spiral piezoelectric energy harvester output voltage resonant frequency
南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094
气动系统已广泛应用于工业生产中, 其工作时排出的气体直接进入大气, 因而浪费了大量的能量。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)压电片作为能量收集器核心部件, 对排出的压缩气体进行了能量收集。设计了多悬臂梁振动能量收集器, 利用ANSYS有限元仿真软件分析了压缩气体进入能量收集器后的流场, 通过试验测试了压电片发电效果。结果表明, 入射口直径、扰流柱直径、入射口压力和入射口距扰流柱距离都会影响压电片发电效果。当入射口压力为80 kPa,负载电阻为900 kΩ时, 能量收集器总功率约为120.64 μW, 与其他收集器相比提高了28.8%。
气动系统 聚偏二氟乙烯(PVDF) 能量收集器 多悬臂梁 输出功率 pneumatic system polyvinylidene fluoride (PVDF) energy harvester multi-cantilever beam output power
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院, 南京 210003
提出了一种新型组合螺旋压电能量收集器。该收集器的底部是直角螺旋结构,顶部是圆弧螺旋结构,圆弧螺旋结构固定在直角螺旋结构的质量块上。通过旋转圆弧螺旋结构90°,可以得到四种结构,角度分别为0°,90°,180°,270°。直角螺旋结构的设计可以降低谐振频率,而圆弧螺旋结构的设计不仅可以降低谐振频率,还可以使整体结构进行多方向能量收集,从而提高输出。文章所提到的单个悬臂梁结构的厚度为1 mm,宽度为6 mm。通过计算及仿真可得,当两种结构的组合角度为180°时,可以得到最大输出电压为13 V,最大输出功率为1.3 mW。
直角螺旋 圆弧螺旋 压电能量收集器 输出电压 输出功率 right angle spiral arc spiral piezoelectric energy harvester output voltage output power
南京邮电大学 电子与光学工程学院, 南京 210023
提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04 μW,测试输出功率最大为5.79 μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。
直角螺旋 悬臂梁 压电能量收集器 谐振频率 right angle spiral cantilever piezoelectric energy harvester resonant frequency
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院, 南京 210023
传统矩形悬臂梁上的应力呈非均匀分布,在梁固定端存在一个应力集中区,且沿轴向方向衰减,从而影响压电层的极化效果。同时,矩形悬臂梁结构能量收集器的谐振频率较高。为解决这一问题,文章提出了一种“倒”梯形结构的能量收集器结构。该梯形结构可以有效扩展极化区域,从而捕获到更低频的振动能量。实验发现,在1g振动加速度下,该能量收集器在124 Hz下输出电压为404 mV,输出功率达到41.3 μW。
压电悬臂梁 能量收集器 梯形结构 谐振频率 piezoelectric cantilever energy harvester trapezoidal frame resonant frequency
南昌航空大学 航空制造工程学院,江西 南昌 330063
以多方向压电振动能量收集器为对象，建立系统的简化机电耦合动力学模型。利用COMSOL软件构建能量收集装置的有限元模型，分析了系统的振动模态，讨论了系统不同结构参数对其电压频域响应及负载功率阻抗匹配的影响。引入非线性磁力，探究了不同磁间距对电学响应的作用。结果表明，能量收集器在y方向1g(g=9.8 m/s2)加速度载荷激励下,负载电压和负载功率峰值分别达到37 V、6.9 mW，减少压电陶瓷、弹簧基底厚度及增加附加质量块的质量有利于能量收集，并且能量收集装置在磁力作用下具有自主调谐功能，增强了环境适应性。
压电 能量收集器 机电耦合模型 电学响应 阻抗匹配 piezoelectric vibration energy harvester electromechanical coupling model electrical response impedance matching
南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院， 南京 210023
为了扩宽悬臂梁压电式能量收集器的工作频带，提出了一种新型的电学连接方案。通过将悬臂梁表面电极分为两个对称区域，实现扭转模态下正负电荷的有效收集。对悬臂梁的结构尺寸进行优化，使弯曲模态接近扭转模态的谐振频率，以扩宽压电式能量收集器频带。根据Erturk的分布参数机电模型，研究了两种模态下的输出电压与固有频率。研究结构表明，当悬臂梁长宽比在3.25~3.35范围内，1阶扭转模态频率接近2阶弯曲模态频率，实现了能量收集器的频带扩宽。该工作对悬臂梁压电式能量收集器的研究和应用具有一定的借鉴意义。
能量收集器 扭转模态 频带扩宽 谐振频率 energy harvester torsional mode frequency band extension resonant frequency
南京邮电大学 电子与光学工程学院、 微电子学院, 南京 210023
提出了一种螺旋悬臂梁结构的可植入式压电能量收集器, 这种结构的能量收集器可为植入式医疗器件供电。螺旋结构的设计一方面可以使悬臂梁从多个方向的振动中吸收能量, 另一方面还可以降低谐振频率。提出的悬臂梁整体结构厚度为40 μm, 宽度为1 mm, 整体外部大小为 9 mm×9 mm。该结构中, 悬臂梁的末端附上质量块, 进一步降低悬臂梁的谐振频率。该收集器的谐振频率为66 Hz, 当施加的激励为1g加速度时, 输出开路电压为2.2 V, 输出功率为4.8 μW。
螺旋 悬臂梁 压电能量收集器 植入式 spiral cantilever piezoelectric energy harvester implantable
江苏大学 土木工程与力学学院 国家级高端装备关键结构健康管理国际联合研究中心, 江苏 镇江 212013
挠曲电效应因其对尺度的敏感性, 在微纳尺度的传感器和能量收集器方面具有广阔的应用前景。该文基于挠曲电悬臂梁构建振动能量收集器理论模型, 应用Hamilton原理, 建立挠曲电悬臂梁结构的控制方程, 借助模态分析获得挠曲电悬臂结构的功率频率响应。讨论了结构尺寸、末端质量块、负载阻抗和挠曲电系数等对挠曲电梁谐振频率和频率移动的影响。结果表明, 适度增加挠曲电悬臂梁末端质量块的质量有利于提高能量收集器输出功率。当挠曲电悬臂梁能量收集器的负载阻抗接近其自身阻抗时输出功率最大, 负载阻抗与结构谐振频率形成负反馈调节, 在一定范围内谐振频率随负载增加而增加, 并最终趋于频移极值。
挠曲电梁 频率响应 谐振频率 频移分析 能量收集器 flexoelectric beam frequency response resonant frequency resonant of frequency shift energy harvester
