电磁式振动能量收集装置研究

摘要

随着集成电路工艺和MEMS技术的进步，越来越多的低功耗传感设备被应用在生活中的各个方面，极大的改善了人们的生活，如何能为这些广泛分布的器件提供能源是当前该领域急需解决的问题。目前，科学界提出对自然环境中广泛存在的绿色能源，如风能、太阳能、波浪能、振动能等进行收集为传感器供电，其中振动能作为低频振动能量广泛分布在现实生活中，且不受各种因素影响功率稳定，所以振动能量收集技术将有广阔的应用和发展前景。
　　针对电磁式振动能量收集效率低、装置复杂的缺点，结合当前领域的各种新结构发展情况，选择了电磁式振动能量收集结构作为主要研究方向，并采用数学分析的方法对直线共振型和非共振摆动型两种结构建立模型，得出提高能量收集效率的方法。根据数学模型分析结果提出两种高效闭合磁路电磁式振动能量收集装置，一种为球形振子振动能量收集装置，另一种是摆动型振动能量收集装置。具体工作如下:
　　1.新型球形振子振动能量收集装置使用了对称多磁齿结构，既提高了磁轭内磁场变化速度，又降低了装置的定位力。装置中创新性的使用球形振子，使振子的滑动运动过程改为滚动，极大的降低了运动过程中的阻力。通过有限元分析软件Ansoft Maxwell对结构进行优化和仿真，得出优化后的球形振子直线振动能量收集装置有效输出功率为52.4mW，装置能量收集效率得到了极大的提高，可以为多数低功耗无线传感器件供电。
　　2.新型摆动式振动能量收集装置是一种新型摆动式结构，与传统直线振动型不同，能够收集多个方向振动能量，能量收集范围更广，效率更高。装置同样使用了对称多磁齿结构，同时使用内部磁轭磁齿与外部磁轭磁齿交错对称放置的方式平衡了装置定位力和阻力，提高了能量收集效率。通过有限元分析软件Ansoft Maxwell对结构进行优化和仿真，得出优化后的摆动式振动能量收集装置有效输出功率为163.9mW。结果表明，摆动式结构对多角度振动能量的收集极大的提高了能量收集的效率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 国内外振动能量收集技术的研究现状

1．2．1 直线共振型电磁式振动能量收集器研究现状及趋势

1．2．2 非共振型振动能量收集器的研究现状及趋势

1．3 振动能量收集技术发展趋势

1．4 本文研究内容及余下章节安排

第2章 电磁式振动能量收集装置的理论研究

2．1 电磁场理论分析

2．1．1 电磁感应原理

2．1．2 有限元分析

2．2 直线共振型振动能量收集模型分析

2．2．1 振动模型分析

2．2．2 装置实际发电效率分析

2．3 摆动型电磁振动能量收集结构模型分析

2．4 本章小结

第3章 电磁式球形振子直线振动能量收集装置

3．1 球形振子直线振动能量收集装置

3．1．1 球形振子直线振动能量收集装置模型

3．1．2 电磁式球形振子直线振动能量收集装置工作原理

3．1．3 电磁式球形振子直线振动能量收集装置特点

3．2 静态分析以及参数优化

3．2．1 参数设定

3．2．2 气隙宽度对铁芯中磁感应强度的影响

3．2．3 相对磁导率对磁感应强度的影响

3．2．4 铁芯半径对磁感应强度的影响

3．2．5 磁轭磁齿厚度对磁感应强度的影响

3．2．6 磁轭磁齿高度对磁感应强度的影响

3．3 动态分析以及参数优化

3．3．1 Ansoft动态分析设定

3．3．2 装置定位力分析

3．3．3 装置优化前后能量收集效率分析

3．4 本章小结

第4章 摆动型电磁振动能量收集装置

4．1 摆动式电磁振动能量收集装置

4．1．1 摆动式电磁振动能量收集装置模型

4．1．2 摆动式电磁振动能量收集装置工作原理

4．1．3 摆动式电磁振动能量收集装置特点

4．2．1 参数设定

4．2．2 气隙宽度对铁芯中磁感应强度的影响

4．2．3 相对磁导率对磁感应强度的影响

4．2．4 铁芯半径对磁感应强度的影晌

4．2．5 转子导磁磁轭厚度对磁感应强度的影响

4．2．6 转子导磁磁轭磁齿厚度对磁感应强度的影响

4．3 动态分析以及参数优化

4．3．1 Ansoft动态分析设定

4．3．2 装置定位力与转子阻力分析

4．3．3 装置优化前后能量收集效率分析

4．4 本章小结

第5章 微弱能量充电电路设计

5．1 电容型充电供电电路

5．2 蓄电池型充电供电电路

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果