振动能量采集器的响应特性与能量管理研究

摘要

集成电路技术的快速发展使各种电子产品不断的趋于微型化、无线化和便携化。超低功率电路设计技术的不断提高又使得它们的功耗越来越低。在尺度效应作用下常规电池将随着尺寸的减小呈现立方衰减，导致续航能力受到极大的挑战。电源问题成为各类微系统实用化的瓶颈，因此，急需一种新的电源为之供电。能量采集器是一种可以把环境中的能量转化为电能的装置，其本质是利用光伏、热电、压电、电磁等各种物理或者化学效应把器件周围的环境中广泛存在的光能、热能、机械能、风能等能量转换成可以使用的电能。振动能量采集器可以将环境中振动能量转换为电能，为低功耗电子设备供电。 本文研究了微型抗磁悬浮振动能量采集器的响应输出特性与能量管理电路。首先结合理论对抗磁悬浮振动采集器的工作原理进行了详细讨论，建立了该能量采集器的结构分析模型，然后分析了悬浮磁体能够实现稳定磁悬浮的机理，最后对结构进行了力学分析，对磁力、抗磁力、电磁阻尼力以及空气阻力进行了详细的理论分析与推导，得到了各类型受力的理论表达式。 其次，针对抗磁悬浮振动能量采集器建立了双自由度非线性弹簧摆模型，通过牛顿力学分析，确定了悬浮永磁体在水平激励条件下的二元运动微分方程，之后利用COMSOL模型仿真、计算了运动微分方程中磁力、抗磁力随位移的变化曲线，并利用MATLAB给出拟合函数，之后用实验求解了系统的阻尼力，通过建立的MATLAB数学模型，求解了悬浮永磁体旋转角度与摆长函数的变化曲线图，运用法拉第电磁感应定律，计算出了在外界正弦激励条件下，结构的感应电压输出情况，最后将理论输出与实验条件下的输出进行了比对，验证了该模型的正确性。 再次，对能量采集器的能量管理电路加以研究及仿真。提出了六倍压整流电路与基于LTC3108芯片的两种升压电路，在第一种电路中通过合理的优化电路中各电容的参数，对比倍压电路，第二种电路升压性能有明显的改善，输出电压峰值可以满足常见的微小传感器节点的电压需求。 最后，制定了实验方案并且搭建了实验测试平台，通过实验测定了恒定水平激励峰值条件下的输出响应、恒定水平加速度条件下的输出响应、扫频条件下的输出响应特性以及人体运动激励条件下的实验数据，通过实验部分研究了采集器在不同激励条件下的响应输出特性，探索了采集器最佳工作环境、最佳工作条件。实验表明，该能量采集器在低频激励的输出经过倍压电路升压之后能够点亮LED灯，经过优化有望用于对便携式电子供电。

目录

声明

1 绪论

1.1 能量采集器的研究背景及意义

1.2 振动能量采集器研究现状

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

1.2.4 磁致伸缩式振动能量采集器

1.2.5 复合式振动能量采集器

1.3 抗磁悬浮振动能量采集器的应用及发展

1.3.1 抗磁悬浮技术的发展与应用

1.3.2 抗磁悬浮能量采集器

1.4 本文的主要内容

2 抗磁悬浮振动能量采集器的原理及力学分析

2.1 结构模型与工作原理

2.1.1 结构模型分析

2.1.2 结构工作原理

2.1.3 悬浮磁体受力分析

2.2 结构的力学分析

2.2.1 磁力分析

2.2.2 抗磁力分析

2.2.3 电磁阻尼力分析

2.2.4 空气阻力分析

2.3 本章小结

3 能量采集器分析模型及响应特性分析

3.1 弹簧摆振动模型的建立

3.1.1 磁力的仿真求解

3.1.2 抗磁力的仿真求解

3.1.3 系统阻尼力的求解

3.2 振动微分方程的求解

3.2.1 MATLAB求解模型

3.2.2 摆动特性分析

3.3 结构感应输出电压的仿真

3.3.1 磁场强度仿真分析

3.3.2 磁通量的仿真计算

3.3.3 感应电压的仿真计算

3.4 本章小结

4 采集器能量管理电路研究及仿真

4.1 振动能量收集系统

4.2 倍压整流电路

4.2.1 二倍压整流电路

4.2.2 六倍压整流电路

4.2.3 六倍压整流电路仿真

4.3 基于LTC3108的升压电路

4.4 本章小结

5 能量采集器的实验研究

5.1 制定实验方案

5.2 搭建实验平台

5.2.1 制作实验样机

5.2.2 搭建振动激励平台

5.3 实验数据分析

5.3.1 恒定水平激励峰值条件下输出响应

5.3.2 恒定水平加速度条件下输出响应

5.3.3 扫频条件下输出响应

5.4 人体运动激励条件下的实验数据分析

5.5 振动能量采集器的应用

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文

致谢