微型抗磁悬浮振动能量采集器基础研究

摘要

微机电系统及器件在医疗工程、生物工程、信息通信等方面得到了应用。然而，当这些设备应用在比较恶劣的环境或植入到被测物体内部，传统的电源由于能量存储有限需要经常更换，不能满足自治系统的持续供电需求。供电设备阻碍它们进一步发展应用，因此，能量采集技术得到越来越多学者的关注。
　　本文在调研了电磁式振动能量采集器的国内外研究现状基础上，提出了基于抗磁悬浮的振动能量采集器。首先根据电磁感应定律和抗磁悬浮原理提出两种抗磁悬浮振动能量采集器的结构方案，对比两种方案不同，选择了其中一种合理的结构方案，该结构方案由提升永磁体、悬浮永磁体、感应线圈和热解石墨组成。
　　其次，利用AnsoftMaxwell对抗磁悬浮振动能量采集器进行分析过程中，提出一种消除误差的方法，并验证了此方法在计算抗磁力和磁力的正确性。根据有限元分析的结果，选择合理的悬浮永磁体、提升永磁体和上、下热解石墨的尺寸;对悬浮永磁体受到的重力、磁力和抗磁力的分析，计算出悬浮永磁体的最大悬浮空间;依据悬浮永磁体受到偏心恢复力的研究，得出该系统安装使用时的最大倾斜范围。
　　然后，对悬浮永磁体受到的恢复力进行研究，把抗磁悬浮振动能量采集器的拾振系统等效为近似的线性系统，利用线性系统中的强迫振动的理论分析出该能量采集器的振动特性。对拾振系统的非线性进行了探讨，得出与拾振系统等效为线性系统时共振情况的不同。
　　最后，依据悬浮永磁体周围的磁场和线圈电阻的分析，优化了感应线圈的结构参数。利用有限元软件AnsoftMaxwell建立悬浮永磁体和感应线圈的有限元模型，仿真得出线圈的感应电压，并分析感应线圈参数、外界振动频率和振幅对抗磁悬浮振动能量采集器输出电压和功率的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 振动能量采集器的分类

1．2．1 压电式振动能量采集器

1．2．2 静电式振动能量采集器

1．2．3 电磁式振动能量采集器

1．3 微型电磁式振动能量采集器的研究进展

1．3．1 弹簧支撑类型

1．3．2 悬臂梁支撑类型

1．3．3 振动膜及其混合支撑类型

1．3．4 悬浮式支撑类型

1．4 课题来源

1．5 本文研究的主要内容

2 抗磁悬浮振动能量采集器的理论基础与结构方案

2．1 抗磁悬浮振动能量采集器的理论基础

2．1．1 电磁感应定理

2．1．2 静磁悬浮中恩绍定理的限定和超越

2．1．3 抗磁悬浮系统的稳定条件

2．2 抗磁悬浮振动能量采集器的结构方案

2．2．1 抗磁悬浮系统的两种结构方案

2．2．2 抗磁悬浮振动能量采集器结构方案的确定

2．3 本章小结

3 微型抗磁悬浮振动能量采集器结构设计与分析

3．1 有限元在抗磁悬浮系统力学研究中的应用

3．1．1 有限元方法

3．1．2 抗磁力和磁力计算误差

3．1．3 抗磁力和磁力计算误差的消除与验证

3．2 抗磁悬浮振动能量采集器尺寸设计

3．2．1 悬浮永磁体和提升永磁体的尺寸选择

3．2．2 热解石墨尺寸的选择

3．3 抗磁悬浮系统力学分析

3．3．1 悬浮永磁体的受力研究

3．3．2 悬浮永磁体的最大振动空间

3．4 抗磁悬浮能量采集器倾斜状态分析

3．5 本章小结

4 抗磁悬浮系统的运动特性

4．1 抗磁悬浮系统等效为近似线性系统的可行性

4．2 抗磁悬浮系统的强迫振动

4．2．1 激励力引起的强迫振动

4．2．2 激励位移引起的强迫振动

4．2．3 强迫振动的幅频特性和相频特性

4．3 抗磁悬浮系统非线性振动的探讨

4．4 本章小结

5 抗磁悬浮振动能量采集器的输出特性

5．1 感应线圈各项的参数

5．1．1 感应线圈的内外径分布

5．1．2 感应线圈的半径以及电阻

5．2 能量采集器输出的电压和功率

5．2．1 能量采集器模型的有限元分析步骤

5．2．2 能量采集器模型的输出结果

5．2．3 感应线圈对输出性能的影响

5．2．4 频率对输出性能的影响

5．2．5 振幅对输出性能的影响

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果