新型双稳态电磁式能量捕获装置设计与试验

摘要

环境中的振动一般都会利用减震器等设备进行消耗，如果能将振动能量进行收集用于发电或为小型设备供电具有极大的运用前景。鉴于振动能量捕获技术正在向着低频、宽频和高输出特性的综合方向发展。因此，本文设计一种能够在低频环境下工作的新型双稳态电磁式振动能量捕获装置。主要研究内容如下：
　　将质量—非线性弹簧—阻尼系统与双稳态系统相结合，提出了附加非线性振子双轉态电磁式振动能量捕获器，建立系统的力学模型及控制方程，利用谐波平衡法获得了双稳态发电振子处于高能轨道的解析解表达式，借助数值仿真研究了简谐激励下质量比和调频比发生变化时，系统的发电性能，并获得了该系统发电性能最佳的参数配合范围μ=[0.8-3]和?=[π/10-π/3]。
　　采用两项式谐波平衡法，研究在较大激励下超谐波响应对非线性振动系统的影响，获得了系统在简谐激励下产生大幅运动的基谐波和超谐波响应的解析解，同时利用MATLAB进行数值仿真分析，获得了系统结构参数的最佳配置范围，且当外部激励频率处于低频段时，系统发电主要表现为超谐波发电，随着激励频率的增大，系统发电主要呈现基谐波发电。
　　自行制作试验样机，通过实验分析了在简谐激励下，系统激励频率、激励幅值、质量比和调频比对响应特性的影响，证明了该装置适合低频激励下发电，且带宽较大；随着激励幅值的增大，系统具有较高的能量越过势垒做大幅运动，输出电压较高；随着调频比和质量比的增大，系统做大幅运动的幅值也在逐渐增大，输出电压逐渐增大，实验结果与理论分析相吻合。
　　上述工作，较为全面地获得了附加非线性振子双稳态能量捕获器的动力学和发电特性。本文结论为指导双稳态能量捕获器结构设计和优化提供了一定的理论基础。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2能量收集

1.3 电磁式振动能量捕获器的国内外研究现状

1.4本文主要研究内容及研究方案

2 双稳态电磁式振动能量捕获器基谐波响应特性研究

2.1 力学模型

2.2谐波平衡法求解

2.3 数值仿真

2.4 本章小结

3双稳态电磁式振动能量捕获器超谐波响应特性研究

3.1谐波平衡法求解

3.2 数值仿真

3.3 本章小结

4样机制作与试验

4.1双稳态能量捕获器原理介绍和结构设计

4.2材料的设计选择

4.3样机整体装配

4.4实验系统组成

4.5实验结果分析

4.6本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文