磁力調(diào)頻壓電電磁復(fù)合發(fā)電設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

杜小振，張龍波，于 紅

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)石油大學(xué) (華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

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磁力調(diào)頻壓電電磁復(fù)合發(fā)電設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

杜小振1*，張龍波1，于 紅2

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)石油大學(xué) (華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

開展了基于環(huán)境振動(dòng)發(fā)電作為微電源彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)電池供能缺陷的研究?；诜蔷€性磁力調(diào)頻開發(fā)了低寬頻振動(dòng)能采集壓電電磁復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)。介紹了發(fā)電裝置工作原理；利用ANSYS和Ansoft Maxwell有限元分析軟件仿真分析了壓電和電磁發(fā)電的輸出特性；最后，搭建了壓電電磁復(fù)合寬頻發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了發(fā)電系統(tǒng)在磁力自調(diào)過程中的輸出特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)在諧振頻率60 Hz時(shí)輸出開路電壓峰值為5.8 V，高于壓電系統(tǒng) (5.5 V)和電磁系統(tǒng)(410 mV)獨(dú)立發(fā)電的開路電壓峰值。施加磁力拓寬裝置后，當(dāng)壓電懸臂梁沿豎直方向上下移動(dòng)0～15 mm時(shí)，系統(tǒng)適應(yīng)諧振頻帶拓寬為45～76 Hz；懸臂梁沿水平方向平移0～30 mm時(shí)，諧振頻帶拓寬為51～70 Hz。結(jié)果表明仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合很好。該寬頻帶能量采集技術(shù)可用于低頻振動(dòng)環(huán)境的能量采集，可在頻變環(huán)境中為微型低功耗系統(tǒng)提供低電能。

壓電發(fā)電；電磁發(fā)電；寬頻發(fā)電裝置；磁力調(diào)節(jié)；微電源；有限元分析

1 引 言

近年來無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、MEMS壓力傳感器、末端執(zhí)行器等低功耗電子元器件逐漸向微型集成化發(fā)展[1-3]，然而無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、分布廣、工作環(huán)境多樣、維護(hù)困難，嵌入式微傳感器更換電池程序繁瑣，因此研制自供能系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突破[4-5]。近年來收集環(huán)境振動(dòng)能微電源技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，其具有穩(wěn)定持久、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易集成和環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，有望替代傳統(tǒng)化學(xué)電池成為新型微電源[6-7]。目前研究的振動(dòng)型能量轉(zhuǎn)換形式主要有靜電式、壓電式和電磁式等[8-10]；其中拾振系統(tǒng)多采用懸臂梁結(jié)構(gòu)[11-12]，而非調(diào)頻發(fā)電系統(tǒng)拾振頻帶窄不利于多頻能量收集。為適應(yīng)環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)特點(diǎn)，需拓寬發(fā)電裝置諧振頻帶，提高換能效率[13-14]。

目前研究拓寬裝置采集頻帶的方法主要分為機(jī)械式和電氣式，可通過改變振動(dòng)體結(jié)構(gòu)、直接或間接碰撞拾振體、對(duì)懸臂梁施加外力作用、逆壓電效應(yīng)調(diào)頻等實(shí)現(xiàn)，另外多頻組合結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)寬頻發(fā)電。美國(guó)普杜大學(xué)的David F.Berdy等人首次將無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成到寬頻壓電式能量收集系統(tǒng)內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊但需手動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)頻響應(yīng)慢且精度低，不適應(yīng)振動(dòng)頻率易變化環(huán)境[15]。立陶宛考納斯科技大學(xué)的Rolanas Dauksevicius等人設(shè)計(jì)低頻諧振梁直接碰撞影響高頻壓電懸臂梁[16]，韓國(guó)光云大學(xué)的M A Halim等人設(shè)計(jì)通過金屬球碰撞兩側(cè)柔性壁間接作用于壓電懸臂梁沖擊力進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換[17]，均可實(shí)現(xiàn)在低頻振動(dòng)環(huán)境下寬頻發(fā)電效果，但持續(xù)碰撞產(chǎn)生額外振動(dòng)噪聲并降低裝置工作壽命。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Leland E S等人通過施加軸向預(yù)緊力壓縮固支梁可有效改變發(fā)電裝置固有頻率[18]，韓國(guó)全南國(guó)立大學(xué)的X.Wu 等人設(shè)計(jì)低高頻PVDF懸臂梁之間非接觸式磁力耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)寬頻發(fā)電[19]，但增加系統(tǒng)阻尼降低能量輸出效率。美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的Lallart M等人設(shè)計(jì)了雙壓電層包裹懸臂梁結(jié)構(gòu)，底部壓電層用于輸出電能，根據(jù)逆壓電效應(yīng)利用制動(dòng)器對(duì)頂部壓電層施加電壓激勵(lì)實(shí)現(xiàn)懸臂梁剛度調(diào)節(jié)，可實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境頻變做出反饋但需額外供電，缺乏實(shí)用意義[20]。北京理工大學(xué)的高世橋等人設(shè)計(jì)了壓電電磁復(fù)合式寬頻俘能器，包含多組固有頻率不同的俘能器單元，可在一定頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬頻諧振換能，但諧振頻率離散、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量密度低[21]。美國(guó)史蒂文斯理工學(xué)院Challa等人通過對(duì)壓電懸臂梁自由端磁鐵施加磁力改變其剛度來拓寬發(fā)電裝置諧振頻帶[22]，上海大學(xué)張國(guó)策對(duì)Challa模型的磁力產(chǎn)生非線性因素做了深入研究，采用數(shù)學(xué)理論方法分析磁鐵與懸臂梁的質(zhì)量比和系統(tǒng)磁力對(duì)懸臂梁固有頻率調(diào)頻關(guān)系[23]。本文根據(jù)壓電電磁發(fā)電懸臂梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用磁力調(diào)節(jié)發(fā)電裝置固有頻率自適應(yīng)環(huán)境頻變實(shí)現(xiàn)連續(xù)諧振換能，提高環(huán)境能量轉(zhuǎn)換效率。

2 微型壓電和電磁發(fā)電基本原理

壓電式能量轉(zhuǎn)換基于壓電材料的正壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電材料受到外界作用力時(shí)發(fā)生機(jī)械形變，材料內(nèi)部發(fā)生電極化現(xiàn)象致使上下表層聚集正負(fù)相反束縛電荷，當(dāng)與外部負(fù)載聯(lián)接輸出電能，電荷密度與作用力大小成正比。壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)高、輸出電壓高、能量密度大。

電磁式能量轉(zhuǎn)換采用法拉第電磁感應(yīng)定律原理，當(dāng)磁鐵與閉合線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，穿過閉合線圈的磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小取決于磁通量的變化率。根據(jù)磁鐵與閉合線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式不同，可分為動(dòng)鐵型、動(dòng)圈型和鐵圈同動(dòng)型。其中，電磁式發(fā)電輸出電流大、電壓低，易受外圍磁場(chǎng)干擾。

3 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

壓電電磁復(fù)合寬頻發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。壓電懸臂梁固定在雙層有機(jī)玻璃夾板內(nèi)，其自由端上下面各設(shè)置圓柱形磁鐵質(zhì)量塊，整體可沿左端螺桿上下移動(dòng)，磁鐵正對(duì)有機(jī)玻璃基座面位置各設(shè)置圓柱形磁鐵和平面線圈，上對(duì)磁鐵之間產(chǎn)生吸引力，下對(duì)磁鐵之間產(chǎn)生排斥力。壓電懸臂梁對(duì)應(yīng)水平方向位置同樣設(shè)置自由端帶有圓柱形磁鐵的懸臂梁，可在雙層有機(jī)玻璃夾板內(nèi)水平方向移動(dòng)對(duì)壓電懸臂梁施加磁力，整體固定在右端螺桿上。當(dāng)發(fā)電裝置受到外界環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，壓電懸臂梁隨磁鐵質(zhì)量塊做上下簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使黏貼在其上下表面的壓電片發(fā)生機(jī)械形變，同時(shí)壓電懸臂梁自由端磁鐵與平面線圈做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)壓電式和電磁式能量轉(zhuǎn)換發(fā)電原理，發(fā)電裝置與外接電路聯(lián)接實(shí)現(xiàn)電能輸出。在豎直或水平方向調(diào)節(jié)磁鐵間距離可改變發(fā)電裝置固有頻率匹配環(huán)境振動(dòng)頻率，根據(jù)Challa V R提出的磁力調(diào)節(jié)原理：當(dāng)作用于壓電懸臂梁磁力為吸引力減小其剛度，降低固有頻率；相反作用于壓電懸臂梁磁力為排斥力增大其剛度，提高固有頻率；通過變化磁力改變壓電懸臂梁剛度調(diào)節(jié)其固有頻率，拓寬發(fā)電裝置諧振頻帶適應(yīng)環(huán)境頻變，實(shí)現(xiàn)寬頻高效換能。

圖1 壓電電磁復(fù)合寬頻發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

壓電電磁復(fù)合寬頻發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

(a)實(shí)驗(yàn)裝置

(b)發(fā)電裝置實(shí)物照片

Fig.2 Experiment testing system of hybrid piezoelectric-electromagnetic power generation device with magnetic force tuning

壓電發(fā)電部分選用尺寸為40 mm×30 mm×0.3 mm的PZT-51型壓電片和尺寸為90 mm×30 mm×0.5 mm的黃銅片組合構(gòu)成壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，并固定在有機(jī)玻璃夾板上。電磁發(fā)電部分包括固定在有機(jī)玻璃基座上下面的內(nèi)徑r=10 mm、外徑R=45 mm的銅制平面線圈和固定于壓電懸臂梁自由端的圓柱形磁鐵，圓柱形磁鐵尺寸均為直徑d=8 mm、高h(yuǎn)=10 mm。同時(shí)在懸臂梁自由端上下面正對(duì)位置各放一塊圓柱形磁鐵，采用其與壓電懸臂梁自由端圓柱形磁鐵的相互引力和斥力改變系統(tǒng)剛度。測(cè)試時(shí)信號(hào)發(fā)生器(GFG-8016G)發(fā)出不同頻率值的正弦波信號(hào)經(jīng)過功率放大器(YE5872A)輸入給激振器(JZK-10)，可獲得不同頻率和振幅的振動(dòng)激勵(lì)源，示波器(GDS-820S)測(cè)量發(fā)電裝置輸出電壓值。發(fā)電裝置固定在激振器上，連接好測(cè)試儀器，設(shè)定激振加速度0.4g(1g= 9.8 m/s2)，接通電源依次調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出不同頻率值的正弦波信號(hào)，分別測(cè)試壓電和電磁各自獨(dú)立發(fā)電部分輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系，以及負(fù)載電阻與輸出功率和電壓關(guān)系。設(shè)定信號(hào)發(fā)生器輸出固定頻率值的正弦波信號(hào)，通過豎直或水平方向調(diào)節(jié)磁鐵間距離改變發(fā)電裝置固有頻率來匹配激振器振動(dòng)頻率，測(cè)試得到發(fā)電裝置輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系，研究分析磁力調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的寬頻發(fā)電輸出特性。

4 有限元仿真分析

4.1 壓電發(fā)電輸出開路電壓仿真分析

采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)壓電發(fā)電部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模并劃分網(wǎng)格，分析類型選擇模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。定義懸臂梁材料為Cu，壓電片材料為PZT-51，圓柱形磁鐵材料為NdFe35。其中懸臂梁和磁鐵選用Solid 45單元，壓電片選用Solid 5單元。先進(jìn)行模態(tài)分析得出壓電懸臂梁一階固有頻率值64 Hz，在諧響應(yīng)分析里面設(shè)定掃描頻率范圍，施加激勵(lì)加速度0.4g，仿真計(jì)算得到壓電懸臂梁輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系曲線如圖3所示，諧振狀態(tài)下輸出峰值開路電壓為5.1 V。

圖3 輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系曲線

4.2 磁距對(duì)磁力變化影響仿真分析

在Ansoft Maxwell 3D環(huán)境中建立圓柱形磁鐵周圍磁場(chǎng)模型如圖4所示，采用靜磁分析。圓柱形磁鐵材料選擇NdFe35，電磁感應(yīng)強(qiáng)度B分布云圖顯示磁鐵周圍電磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.4～0.7 T。分別設(shè)定磁鐵充磁方向相同和相反，磁鐵之間距離變化為50～40 mm，經(jīng)計(jì)算得磁力大小與磁距關(guān)系曲線如圖5所示，磁力隨磁鐵之間距離減小，其變化率快速增加，該部分仿真結(jié)果將用于系統(tǒng)剛度控制分析。

圖4 磁鐵之間磁力模型

圖5 磁力與磁距關(guān)系曲線

4.3 電磁發(fā)電輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)仿真分析

用Ansoft Maxwell對(duì)電磁發(fā)電進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模并劃分網(wǎng)格，選擇瞬態(tài)分析。磁鐵材料選擇NdFe35，平面線圈材料為Cu，設(shè)定磁鐵充磁方向沿Z軸正方向，在band(圓柱磁鐵的運(yùn)動(dòng)軌跡)區(qū)域內(nèi)做上下簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。設(shè)定圓柱形磁鐵與平面線圈相對(duì)位置60 mm，振幅為10 mm，激振頻率為64 Hz(模擬環(huán)境激振頻率)，仿真計(jì)算得平面線圈輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖6所示，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間呈周期性變化峰值達(dá)350 mV。

圖6 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

5.1 未施加磁力調(diào)頻分析

5.1.1 壓電發(fā)電部分輸出特性

維持壓電懸臂梁在d=0 mm和h=0 mm不受磁力作用位置，在激振器模擬環(huán)境振動(dòng)情況下測(cè)量壓電獨(dú)立發(fā)電輸出開路電壓，激振頻率為0～120 Hz，測(cè)得輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系如圖7所示。壓電懸臂梁諧振頻率為54 Hz(仿真結(jié)果64 Hz)，對(duì)應(yīng)輸出峰值開路電壓達(dá)5.5 V(仿真結(jié)果為5.1 V)，當(dāng)偏離諧振頻率時(shí)輸出電壓迅速降低。

圖7 輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系曲線

微電源有效輸出功率、負(fù)載電壓和外部負(fù)載電阻關(guān)系如圖8所示。測(cè)試條件為模擬環(huán)境激振頻率54 Hz，負(fù)載電阻變化為0～400 KΩ。結(jié)果顯示負(fù)載功率隨負(fù)載阻值增大先遞增后遞減，在最優(yōu)阻抗值200 kΩ時(shí)達(dá)到峰值。負(fù)載電壓隨負(fù)載阻值增大逐漸增大，超過最優(yōu)阻抗值后增大趨勢(shì)平緩。

圖8 輸出功率和電壓與負(fù)載電阻關(guān)系曲線

5.1.2 電磁發(fā)電部分輸出特性

同樣維持壓電懸臂梁在未受磁力作用位置，測(cè)試其自由端永磁體磁場(chǎng)穿透平面線圈形成的電磁發(fā)電特性，激振頻率為0～130 Hz，測(cè)得電磁發(fā)電輸出開路電壓與激振頻率關(guān)系曲線如圖9所示，在諧振頻率76 Hz時(shí)輸出峰值開路電壓410 mV，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真分析的峰值感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 350 mV 較為吻合。

圖9 輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系曲線

未調(diào)頻情況下電磁發(fā)電輸出特性分析，首先測(cè)得單個(gè)平面線圈阻值為75 Ω，兩平面線圈串聯(lián)接入示波器，負(fù)載電阻變化為0～400 Ω，測(cè)得輸出功率和電壓與負(fù)載電阻關(guān)系如圖10所示。與壓電獨(dú)立發(fā)電輸出情況類似，輸出功率隨負(fù)載阻值增大先遞增后遞減，當(dāng)負(fù)載阻值達(dá)150 Ω時(shí)輸出功率最大。輸出電壓隨負(fù)載阻值增大逐漸增大，超過最優(yōu)負(fù)載阻值后增大趨勢(shì)平緩。

圖10 輸出功率和電壓與負(fù)載電阻關(guān)系曲線

5.2 豎直方向磁力調(diào)節(jié)結(jié)果分析

壓電懸臂梁沿豎直方向上下移動(dòng)，利用磁鐵間磁力調(diào)整拾振系統(tǒng)剛度，調(diào)節(jié)發(fā)電系統(tǒng)的固有頻率與模擬環(huán)境激振頻率匹配實(shí)現(xiàn)諧振發(fā)電，磁距對(duì)系統(tǒng)諧振頻率的調(diào)節(jié)結(jié)果如圖11所示。在豎直方向無磁力作用位置h=0 mm處壓電懸臂梁上下移動(dòng)為h=-15～+15 mm，向上移動(dòng)壓電懸臂梁時(shí)，磁鐵間吸引力使系統(tǒng)剛度減小，固有頻率降低；向下移動(dòng)壓電懸臂梁時(shí)，磁鐵間排斥力使系統(tǒng)剛度增大，固有頻率增加。在磁力調(diào)節(jié)作用下，發(fā)電系統(tǒng)固有頻率調(diào)節(jié)為45～76 Hz，有效拓寬諧振頻帶31 Hz，增加了發(fā)電系統(tǒng)對(duì)環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)的拾振范圍，提高發(fā)電效率。

測(cè)得輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系曲線如圖12 所示。當(dāng)未施加磁力調(diào)節(jié)即h=0 mm時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)一階固有頻率為60 Hz，在諧振狀態(tài)下輸出峰值開路電壓為5.8 V，高于壓電和電磁單獨(dú)輸出開路電壓，但略低于二者獨(dú)立發(fā)電輸出峰值開路電壓總和的5.9 V。壓電懸臂梁上下移動(dòng)過程中，系統(tǒng)輸出總的峰值開路電壓較調(diào)節(jié)前偏小，原因是由于引入磁力調(diào)頻的同時(shí)增加了系統(tǒng)阻尼。

圖11 豎直調(diào)節(jié)磁距與系統(tǒng)諧振頻率關(guān)系曲線

Fig.11 Curves of vertical magnetic distance adjustment versus system resonance frequency

圖12 發(fā)電系統(tǒng)輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系曲線

Fig.12 Curves of power generation system output open circuit voltage versus vibration frequency

5.3 水平方向磁力調(diào)節(jié)結(jié)果分析

利用水平方向磁力調(diào)節(jié)系統(tǒng)諧振頻率，初始位置和豎直方向測(cè)試位置相同，水平磁距變化為0～30 mm。磁距與發(fā)電系統(tǒng)固有頻率關(guān)系如圖13 所示，發(fā)電裝置固有頻率可調(diào)為51～70 Hz，有效拓寬諧振頻帶19 Hz。當(dāng)移動(dòng)距離d為0～15 mm 時(shí)，由于懸臂梁端磁鐵與壓電懸臂梁端磁鐵之間有效磁力為吸引力，致使調(diào)節(jié)過程中固有頻率降低；當(dāng)移動(dòng)距離d為15～30 mm時(shí)，由于兩端磁鐵之間有效磁力為排斥力，致使調(diào)節(jié)過程中固有頻率提高。系統(tǒng)輸出開路電壓與模擬環(huán)境激振頻率關(guān)系如圖14所示。

圖13 水平調(diào)節(jié)磁距與系統(tǒng)諧振頻率關(guān)系曲線

Fig.13 Curves of horizontal magnetic distance adjustment versus system resonance frequency

圖14 發(fā)電系統(tǒng)輸出開路電壓與振動(dòng)頻率關(guān)系曲線

Fig.14 Curves of power generation system output open circuit voltage versus vibration frequency

6 結(jié) 論

本文基于非線性磁力調(diào)頻研究了低寬頻振動(dòng)能采集壓電電磁復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)其輸出特性進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在0.4g加速度激勵(lì)下，無磁力調(diào)節(jié)壓電系統(tǒng)在諧振頻率為54 Hz(仿真結(jié)果64 Hz)時(shí)輸出開路電壓峰值為5.5 V(仿真結(jié)果5.1 V)，電磁系統(tǒng)在諧振頻率為76 Hz(仿真結(jié)果64 Hz)時(shí)輸出開路電壓峰值為410 mV(仿真結(jié)果350 mV)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)在諧振頻率為60 Hz時(shí)輸出開路電壓峰值為5.8 V，施加磁力拓寬裝置采集頻帶過程中，壓電懸臂梁沿豎直方向上下游動(dòng)0～15 mm，系統(tǒng)固有頻率可調(diào)為45～76 Hz，拓寬諧振頻帶為31 Hz；懸臂梁沿水平方向平移0～30 mm，系統(tǒng)固有頻率可調(diào)為51～70 Hz，拓寬諧振頻帶為19 Hz。結(jié)果表明，壓電和電磁系統(tǒng)輸出特性仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較為吻合；復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)輸出開路電壓峰值5.8 V均高于壓電(5.5 V)和電磁(410 mV)單獨(dú)發(fā)電，但略低于二者單獨(dú)輸出開路電壓峰值總和5.9 V；引入磁力調(diào)頻可有效改變系統(tǒng)諧振頻率適應(yīng)低頻環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)，寬頻帶高效能輸出特點(diǎn)更利于在頻變環(huán)境中為微型低功耗系統(tǒng)供能。

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杜小振(1978-)，男，河南鄧州人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，2003年、2008年于大連理工大學(xué)分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事微電源，海洋能發(fā)電和傳感器技術(shù)等方面的研究。E-mail：du_xzh@163.com

張龍波(1990-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，2012年于中國(guó)海洋大學(xué)青島學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事壓電電磁復(fù)合寬頻微電源技術(shù)的研究。E-mail： zhang_long_bo123@163.com

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Design and experiment of piezoelectric electromagnetic hybrid broadband generator with magnetic force tuning

DU Xiao-zhen1*，ZHANG Long-bo1， YU Hong2

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China；2.CollegeofScience，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

This paper focuses on environmental vibration energy harvesting generator to provide low energy for a micro low-power system. A piezoelectric electromagnetic hybrid broadband power generator was developed based on nonlinear magnetic force tuning. The working principle of the power generator was introduced， and its output power characteristics by the piezoelectric system and electromagnetic system were respectively simulated with the software of ANSYS and Ansoft Maxwell. Then， an experiment system was set up to test the output power characteristics of the power generator with the magnetic force tuning. Experimental results indicate that the peak output open voltage from the power generator is 5.8 V at the resonance frequency of 60 Hz， which is higher than that of the piezoelectric system(5.5 V)and the electromagnetic system (410 mV)independently. When the natural frequency is adjusted with the magnetic force tuning， its resonance frequency band expands from 45 to 76 Hz as the piezoelectric cantilever beam moves from -15 mm to 15 mm in the vertical direction. And the resonance frequency band expands from 51 to 70 Hz similarly as the cantilever beam moves from 0 to 30 mm in the horizontal direction. The experiments show that the simulation analysis results are coincided with that tested results well. It demonstrates that the broadband energy harvesting system can use in low-frequency environment random vibration and can satisfy the demands of low-power of wireless sensor systems.

piezoelectric generation； electromagnetic generation； broadband generator； magnetic force tuning； micro power； finite element analysis

2016-04-20；

2016-05-27.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51105234)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2015M582113)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2016EEM23)；青島市黃島區(qū)科技項(xiàng)目小微企業(yè)發(fā)展和孵化器專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(No.2014-01-107)和應(yīng)用研究與公共衛(wèi)生專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(No.2014-01-42)

1004-924X(2016)11-2753-08

TM919

A

10.3788/OPE.20162411.2753

*Correspondingauthor，E-mail：du_xzh@163.com