寬頻振動能量回收：雙穩態發電機的最佳化與拓展研究

《寬頻振動能量回收：雙穩態發電機的最佳化與拓展研究》是依託西南交通大學，由劉偉群擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：寬頻振動能量回收：雙穩態發電機的最佳化與拓展研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉偉群
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

作為建設智慧型城市的重要部分，無線感測器網路的工作期限仍主要取決於電池的能量密度和使用狀況。為了擺脫電池限制、實現持久工作，一個想法是將環境中廣泛存在的振動能量轉化為電能，並作為無線感測器的能源。在實際中，振動隨著套用場合的變化而呈現出多變的特徵，這對於採用線性共振結構的窄帶能量回收裝置而言是巨大的挑戰。因而，寬頻振動能量回收的研究變得十分緊迫。雙穩態振動發電機由於兼具升頻式和非線性單穩態式兩種寬頻發電機的優點，具有極大的潛力。雙穩態發電機的優勢來源於兩個勢能阱間的運動，其最佳性能只在相應的激勵幅度和頻帶範圍內得到。本項目以申請人曾深入研究的屈曲彈簧質量雙穩態發電機為基礎，開展針對典型激勵的最佳化，確定在不同激勵下的最優參數配置，並以此為基礎，提出將該雙穩態發電機與多模陣列式結構相結合的新型拓展結構，進一步增強其寬頻的回收性能，並確保較高的能量密度，為振動能量回收提供更廣的實際套用可能。

結題摘要

無線感測器的自供電技術是物聯網發展的重要方向之一。振動能量收集將環境振動轉換為電能，替換電池或作為其輔助能源，被認為是一種極具潛力的技術方案。由於振動隨著套用場合的變化而呈現出多變寬頻的特徵，寬頻振動發電機的研究重要且緊迫。本項目以雙穩態發電機這一極具優勢的寬頻方案為基礎，研究其最佳化及拓展結構，將其與陣列式布置結合，在進一步增強頻寬的同時，保證足夠的功率密度，為寬頻振動發電機的發展提供了有益思路。本項目的主要研究內容和成果有： （一）雙穩態振動發電機的最佳化。利用諧波平衡法對於雙穩態發電機的歸一化模型進行了求解，對雙穩態發電機的屈曲水平、特徵頻率、阻尼係數、耦合水平及負載電阻等參數進行了最佳化分析，為雙穩態發電機的設計提供了較好的參考。 （二）基於雙穩態振動發電機的拓展結構研究。探索了屈曲梁的集總參數等效模型，並以屈曲梁為基礎，開展了陣列拓展結構的相關研究，並引入了彈性支撐這一變數進行深入分析，提出了一種新型的扭轉和平動雙重耦合的雙穩態陣列發電機（DBB-TTC），同時具備扭轉和平動耦合，使得組成陣列的兩個發電機具備一定的自動同步機制，獲得穩定高能軌道，大幅改善了性能，實現了頻寬的增加和功率的提升。並進一步討論了平動耦合、扭轉耦合的效應在不同彈性支撐剛度下對於DBB-TTC這一拓展結構的影響，展示了DBB-TTC結構同時具備扭轉和平動耦合的優越性。 （三）接口電路的配合使用。研究了同步開關電感回收電路SSHI和最佳化同步電荷提取電路OSECE，建立了其自供電電路的更加精確的模型，並發展提出了自適應的機械開關回收電路，在減少電子元件的同時獲得了更好的功率輸出。 通過上述研究內容的深入執行和探索，本項目在發電機結構和接口電路都提出了一種新設計和新思路，為寬頻振動能量收集提供有益的參考，也進一步推動了振動能量收集在物聯網中套用，較好的完成了項目的預定目標。 通過上述研究內容的深入執行和探索，本項目在發電機結構和接口電路都提出了一種新設計和新思路，為寬頻振動能量收集提供有益的參考，也進一步推動了振動能量收集在物聯網中套用，較好的完成了項目的預定目標。