微型振动能量采集器振动响应机理与输出特性研究

摘要

随着无线传感网络、嵌入式系统、无线射频识别和各类植入式MEMS传感器等高新技术的迅猛发展，电子产品日趋微型化、集成化、无线化和便携化，但是其供电问题一直没有得到有效的解决。传统电池、有线电源和微电池在寿命、工作条件、成本等方面的局限，使能量采集技术受到人们越来越多的关注。
　　本文研究基于抗磁悬浮的微型振动能量采集器，首先介绍了其结构模型和工作原理，接着从抗磁悬浮的稳定性、磁力和抗磁力三个方面进行了理论分析。利用COMSOL Multiphysics对磁力和抗磁力进行仿真计算的过程中发现了有限元计算的插值误差，通过不同材料参数下计算值相减的方法消除了仿真误差，在此基础上对能量采集器的整体结构尺寸进行仿真计算并得到了一套比较系统可靠的能量采集器结构设计方法，实验验证了该方法的有效性。最后进一步分析了悬浮永磁体在不同结构形式下的平衡间距和悬浮空间，从静悬浮特性角度对能量采集器结构设计优化提供指导。
　　其次，从竖直和水平两个方向对抗磁悬浮振动能量采集器在外界振源激励下的振动响应情况进行了理论分析和仿真计算，得到了竖直方向上悬浮永磁体线性振动和非线性振动时的固有频率和水平方向上悬浮永磁体在激励位移作用下受迫振动时的固有频率。同时在Simulink里面对悬浮永磁体在竖直和水平方向的受迫振动进行了仿真分析，得到了悬浮永磁体非线性振动响应特性。考虑到能量采集器实际工作时可能安装在倾斜表面，对能量采集器的整体倾斜状态及其对振动响应情况的影响进行了分析讨论。
　　接着，从理论和仿真两个方面对抗磁悬浮振动能量采集器的感应电压进行分析和计算。基于悬浮永磁体周围的磁场分布情况，确定了铜线圈的布置方案。通过对能量采集器的感应电压和输出功率进行理论分析，得到了感应电压的影响因素。在COMSOL Multiphysics中对感应电压进行了仿真计算，并讨论了外界激励振幅，频率，悬浮永磁体结构形式和铜线圈参数对感应电压的影响和优化方法。
　　最后，搭建了抗磁悬浮振动能量采集器的实验平台。在外界振源激励下，对能量采集装置的感应电压进行测试分析，通过将实验值与仿真值进行对比，讨论了误差来源和改善措施。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 振动能量采集器分类

1.3 电磁式振动能量采集器研究进展

1.4 本文主要研究内容

2 微型抗磁悬浮振动能量采集器静悬浮特性

2.1 结构模型和工作原理

2.2 理论分析

2.3 仿真误差的发现与消除

2.4 结构设计

2.5 静悬浮特性分析

3 能量采集器振动响应机理

3.1 竖直方向振动响应

3.2 水平方向振动响应

3.4 倾斜状态下振动响应分析

4 能量采集器输出特性分析

4.1 输出特性理论分析

4.2 输出特性仿真计算

4.3 激振振幅对感应电压的影响

4.4 激振频率对感应电压的影响

4.5 悬浮永磁体结构对感应电压的影响

4.6 铜线圈对输出特性的影响

5 能量采集器实验测试

5.1 测试系统介绍

5.2 感应电压仿真分析与验证

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与研究成果

致谢