温中泉[1]2003年在《微型振动式发电机的基础理论及关键技术研究》文中进行了进一步梳理微电源是MEMS技术发展最重要的研究方向之一，随着MEMS技术的迅速发展和成熟，微电源已成为该领域急待研究解决的关键问题，是实现MEMS传感器、执行器和微系统独立工作最重要的关键基础部件。尽管各种微电源已经面世，但是，研究一种在理论上可以无限期使用的微型发电机系统（换能器）将外界环境的能量转换为电能的微电源，一直是人们期待解决的重要课题。本文概述了微型电源的国内外发展现状和趋势，对各种工作原理的微型发电机进行了分析比较，针对解决某些无法实现电池充电或燃料更换等诸多使用条件受限环境下微电源的问题，在国内首次提出利用微电子技术和MEMS技术等、依据电磁感应原理，将微型螺旋弹簧及永磁铁构成的拾振系统、感应线圈构成一种体积很小的振动式发电机系统的新思想和新方法。以满足工业自动控制、植入式医疗装置、无线网络传感系统、微小机器人自由移动系统等存在微振动领域的微电源的需求；是实现微电源与微传感器、微执行器、低功耗电路和微系统一体化集成的一次重要探索，具有十分重要的科学意义和广泛的应用前景。本文主要研究工作如下：① 本文在查阅了大量文献、资料的基础上分析了微电源的国内外发展现状，特别是对微型振动式发电机的发展现状进行了系统分析。② 较深入地研究分析了微型电磁式振动发电机的拾振相关基础理论。采用有限元分析软件ANSYS6.0对拾振系统的参数进行了优化设计。对线圈的电阻、电感和线圈的尺寸等关系进行了理论计算与分析。对永久磁铁在空间产生的磁场分布、感应线圈中的感应电动势与磁铁相应振动等因素的相互关系进行了计算分析。③ 进行了振动式发电机的工艺研究，完成了振动式发电机的工艺设计和工艺试验，研制出了微型振动式发电机实验样机。主要参数如下：内阻为514.7Ω，典型工作频率为122Hz，负载为1000Ω时，发电机的输出电压为134.3mV，输出功率达到18.04μW。④ 进行了振动式发电机的实验系统和实验方法的设计，对研制出的振动式微型发电机样品进行了实验测试，并对实验结果进行了分析和讨论。
刘雪花[2]2006年在《基于MEMS的微型振动式发电机系统的研究》文中提出微电源是MEMS技术发展最重要的研究方向之一,是近年来世界各国研究的热点。本论文在纵观了微电源的国内外发展现状的基础上,针对在某些植入式装置、分布式系统、无线通信、交通、航空航天、战地侦查、武器装备等方面的应用需求,在国家“863”MEMS重大专项的资助下,进行一种在理论上可以无限期使用的微型发电机系统(换能器)——将外界环境的能量转换为电能的微电源的研究,具有十分重要的理论意义和迫切的需求背景。论文在全面分析研究基于电磁、静电或压电等原理的将外界环境能源转换为电能的微型振动式发电机的基础上,提出了利用微电子技术和MEMS技术等,依据静电感应原理,将驻极体和一对MEMS叉指电容器组成微型振动式发电机的新思想和新方法。进行了微型振动式发电机的结构设计分析和模拟仿真、确定了系统总体结构方案;进行了结构、材料、加工工艺、处理电路和测试等关键技术的探索研究,研制出了实验原理样机,进行测试和实验分析。论文的主要研究工作是:1.分析了微电源的国内外发展现状,特别是对微型振动式发电机的发展现状和趋势进行了系统的分析;2.较深入的研究分析了静电式微型振动发电机的基本原理和相关理论,并进行了整个系统的结构设计计算和模拟;3.进行了静电式微型振动发电机的工艺研究,完成了工艺设计和工艺试验,研制出了实验样机。主要参数如下:典型工作频率为1200Hz,负载为300k?时,微型发电机的输出电压为2V,输出功率达到12.5μW;4.针对微型振动发电机的输出信号特点,设计了一个由谐振转换、整流、滤波电路组成的处理电路,并应用OrCAD/Pspice软件对其进行了模拟优化,得到了满足实验要求的电路。5.设计了振动式发电机的实验系统,对研制出的振动式微型发电机样品进行了实验测试和演示实验,并对实验结果进行了分析和讨论。
赵晓艳[3]2013年在《适用于无线传感器网络节点的振动供电方式的研究》文中进行了进一步梳理随着数据存储处理和通信技术飞速发展,无线传感器网络节点对电源的寿命和能量密度要求越来越严格,每个节点的供电方式决定了整个无线传感器网络的生存时间,传统的供电方式采用电池供电,但是电池供电存在寿命短和不容易维护更换等缺点,传统的供电方式已不能满足传感器网络节点的发展要求。从传感器所处的环境中获取能量,再将收集到的能量转换成电能供给无线传感器节点,这种供电方式已经成为无线传感器供电未来发展趋势。对于振动监测的无线传感器网络系统来说,就需要从环境中采集振动能变换为电能的微型振动发电机来供电。因此,为了增加无线传感器节点寿命和提高微型振动发电机的输出功率利用率,在无线传感器网络节点芯片上安装可以自供电的电源和此电源的功率调节是非常有必要的。微型振动转换装置有多种类型,选择了适合振动环境和这个节点电能消耗特点的一种微型振动发电机,并且设计对应的功率调节电路。根据无线传感器节点的间断的采集与发送数据的特点,即无线传感器节点的瞬时功率大和平均功率小这一特点,设计了针对用于振动环境的无线传感器节点的功率调节电路,每次当储能元件的电压达到阈值时,依次向射频模块和微处理器模块交替供电。显然,这个无线传感器节点的功率调节电路可以实现能源效率的改善。为了使设计好的电路能够在效率方面实现最大化。利用OrCAD/Pspice计算机软件进行了功率调节电路的模拟仿真和电路的参数优化,优化电路各个元器件的参数后,使电路输出满足设计要求,并进行了电路功能的验证。仿真结果表明：使微型振动发电机潜在的功率密度有所提高；振动能量采集转换可以给无线传感器提供足够的、经济的能量。本课题的研究使振动监测无线传感器网络的电源问题获得了有效的改善,并促进振动监测系统的发展。
闫震[4]2012年在《提高压电振动发电机发电能力的理论及关键技术研究》文中指出为了不断的提供电力,发电和供电设备应具有故障诊断和恢复能力,无线传感器网络在线监测系统以其性能稳定、可靠和移动方便、灵活等优点而得到广泛的应用。但是,由于传感器节点众多,且不易停机更换供能器件,致使传统的电池供电方式已不能满足要求。应用微机电加工技术制造的悬臂梁压电振动发电机,可以持续地为低功耗器件提供能量。由于存在理论基础薄弱和苛刻的环境振动频率需求的缺点,致使悬臂梁压电发电机的广泛应用受到了一定限制。针对上述问题,本文深入研究了悬臂梁压电发电机分布参数的机电耦合力学模型,并且对旁路电容及发电机阵列整合技术进行了全面、系统的分析,力求提高有限体积下悬臂梁压电发电机的发电能力。1.为了提高理论模型精度和有限体积下发电装置的发电能力,在分析压电材料机电转换理论的基础上,将悬臂梁压电发电机的分布质量引入参数模型中,以悬臂梁分布参数力学模型为基础,研究振动与输出电压的机电耦合作用,将机电耦合项引入稳态电压响应与相对固定支座的横向位移响应,建立了精确的分布参数机电耦合力学模型。同时,为了全面分析力学模型的准确性,采用有限元仿真软件,分析固有频率和开路输出电压特性,结合理论计算,研究结构和材料参数对发电性能的影响,进行结构优化设计,并通过实验测试,验证分析了单晶片、双晶片串联和双晶片并联型式压电发电机的发电能力,提高了有限体积下压电发电机的能量转换效率。2.采用旁路电容调节压电梁的固有频率,克服了以往采用机械方式调节固有频率压电梁体积增大的缺点。研究压电梁的材料和结构参数对旁路电容频率调节范围的影响规律,提出材料和结构参数优化配置方案,扩大了压电梁固有频率调节范围。综合考虑压电梁的频率调节范围和发电能力,提出频率调节优化方式,提高了能量收集效率。为了节约成本和降低固有频率调节装置的体积,设计了二元电容阵列,实现了固有频率的连续调节。3.为了扩大悬臂梁压电发电机的工作频率范围,提高能量转换效率,研究了集中质量块对运动控制方程、质量归一化函数、模态响应、激励项和机电耦合项等因素的影响,建立了具有集中质量块的悬臂梁压电发电机机电耦合的分布参数力学模型。分析了压电梁的振幅——固定支座加速度的转移函数及固有频率特性,研究了高能量输出密度的发电机阵列。以最低成本、最小体积和最大发电能力为目标,提出了融合旁路电容和压电发电机阵列的复合式振动发电机。
王福强[5]2010年在《径向磁化的永磁振动发电机的结构设计与样机制作》文中研究说明进入21世纪,“能源、环境、发展”是新世纪人类所面临的叁大主题。这叁者之中,能源的合理开发与利用将直接影响到环境的保护和人类社会的可持续发展。随着科技的发展、社会的进步,绿色、高效、无污染的电源的研究受到了科学家的普遍关注。振动形式的能量普遍存在于自然环境中,振动发电机作为一种新生事物,有着无限的能量来源,有着传统发电机和各种能量电池不可比拟的独特优点,有着强大的生命力和远大的发展前景。本文主要研究工作如下:1.在查阅大量文献、资料的基础上,介绍永磁振动发电机的国内外发展现状,阐述课题研究的目的与意义。2.以法拉第电磁感应定律为基础理论,论述分析了永磁振动发电机相关理论,包括:电磁感应的理论分析、永磁体的有限元理论分析,磁路分析原理,最后简要介绍了有限元分析软件。3.应用有限元分析软件对所设计的径向磁化的永磁振动发电机的磁场进行仿真分析,根据分析结果优化设计了发电机的主要结构,包括:拾振装置、骨架、绕组线圈。以优化后的结构为基础,根据有限元仿真的结果,应用Matlab软件分析计算了振动发电机的输出电压。4.经过理论分析,制作径向磁化的永磁振动发电机样机。对发电机样机的输出电压进行了测试,并对测试结果进行了分析和讨论。分析了振子、线圈、轭铁、振源的振幅和频率的变化对电机输出特性的影响。
朱沛[6]2013年在《变刚度双稳态电磁式振动发电机的研究》文中提出随着便携式电子产品、MEMS器件和无线传感网络的快速发展,传统的供电方式已经不能满足用电需求。为了解决传统供电方式对新兴技术的制约,满足此类产品的用电需求,电源系统应具备质量小、能量密度大、可集成、适应性强、寿命长等特点。在选择供电方式的过程中,研究人员发现,环境中蕴藏着丰富的振动能,收集环境振动能并转化为电能,是解决上述问题的一种可行方法。本文总结了振动发电技术的国内外发展现状,对各种拾振机构的优劣进行了分析比较,针对响应频带窄,输出功率低的问题,首次提出利用变刚度悬臂梁式拾振结构,依据电磁感应原理,结合双稳态随机振动理论,在AMESim仿真平台上建立了一种变刚度双稳态电磁式振动发电机的模型,成功制作出一种双稳态电磁式振动发电机样机。本文主要研究内容如下：1、采用非线性振动力学理论,建立双稳态振动机构的运动微分方程；采用有限元分析软件ANSYS,通过对变刚度悬臂梁的静力学仿真和模态仿真,确定了悬臂梁参数和尺寸等因素对振动行为的影响,确定了变刚度弹性梁刚度系数变化曲线；应用ANSYS的磁场分析功能,优化了磁场,合理进行了线圈的布置,确定了线圈尺寸等参数；利用AMESim建立了变刚度双稳态电磁式振动发电机的仿真模型,确定了影响发电性能的各个因素,掌握了输出特性；2、根据理论计算和仿真数据,完成了振动式发电机各个部件的设计制作,研制出了一种双稳态电磁式微型振动式发电机实验样机；3、对样机进行一系列测试,证明了双稳态发电机所具备的优越性：拓宽了响应频率,增大了发电功率。
唐彬[7]2008年在《基于驻极体的振动式静电微型发电机研究》文中提出微电源是MEMS技术最重要的研究方向之一,是近年来世界各国研究的热点。本论文针对某些分布式系统、无线通信、交通、航空航天、战地侦查、灵巧炸弹等对微能源的迫切需求,在国家“863”MEMS重大专项的支持下,研究一种在理论上可以无限期使用的将外界环境振动能转换为电能的振动式静电微型发电机,具有重要的理论意义和迫切的应用需求。论文分析了MEMS微型发电机的发展现状,研究分析了基于电磁、静电和压电等原理的振动式微型发电机的结构、工作原理、性能和关键加工技术特点。依据静电感应原理和薄膜驻极体储存电荷的性能,提出了基于驻极体的振动式静电微型发电机的研究方案;研究了基于驻极体的振动式静电微型发电机和薄膜驻极体的相关理论与加工方法,研制出了基于SiO2/Si3N4驻极体和有机薄膜驻极体的MEMS振动式微型发电机系统的实验样品。主要研究工作是:1、深入分析了与MEMS振动式静电微型发电机理论模型相关的基础知识。对基于平面差分电容和可变电容的两种振动式静电微型发电机的总体结构和工作原理进行分析,建立理论模型,进行相应的模拟仿真。2、研究微型化驻极体的制备工艺,根据驻极体材料的充电原理和热处理等对驻极体的影响,对驻极体材料进行大量实验研究,分析其表面电位大小和稳定性,获得了优化的充电条件。3、研究了振动式静电微型发电机关键加工技术,包括基于SiO2/Si3N4双层无机驻极体的微型发电机制备工艺技术和封装技术等。4、研制出基于SiO2/Si3N4驻极体和有机薄膜驻极体的MEMS振动式微型发电机系统的实验样品,进行了MEMS微型发电机系统测试,并进行了性能分析。
刘雪花, 温志渝, 温中泉, 刘妤[8]2005年在《超级电容器在MEMS振动发电机中的应用》文中研究说明微型发电机在分布式传感器和微型侦察飞机等领域有潜在的应用前景,目前很多对MEMS的振动式微型发电机的研究取得了进展,但其后续工作中如何将微型发电机所发出的电能进行储存,并在需要的时候高效地放出成为急需解决的问题。根据设计研究出的微型叉指电容振动式发电机的结构和参数,对其储能系统进行分析和设计,提出叁种方案。最终确定超级电容器作为储能元件,进行可行性分析和储能电路的设计。电路的模拟实验和结果分析证明,该电路可以将MEMS振动发电机发出的电能有效地储存在超级电容器中。
何渝[9]2010年在《基于微液滴介质的微型静电式振动发电机关键技术研究》文中研究说明将环境中的振动能转换为电能的MEMS微型振动发电机是近年来国内外研究的热点。本论文在国家自然科学基金资助下,针对微型振动发电机抗冲击能力差、易疲劳等问题,开展基于微液滴介质的微型静电式振动发电机的关键技术研究,具有重要的科学意义和应用价值。论文在分析微型振动发电机研究现状和发展趋势的基础上,提出基于微液滴介质的微型静电式振动发电机新结构,分析该微型静电式振动发电机的工作原理,建立相应的理论模型并进行模拟仿真;研制出基于微液滴介质的微型静电式振动发电机宏尺寸原理样机;开展该微型静电式振动发电机的MEMS加工工艺的初步探索研究。论文主要研究内容:①研究分析了微型振动发电机的研究现状与趋势,提出了基于微液滴介质的微型静电式振动发电机新结构,分析了该结构静电式振动发电机的工作原理,建立了相应的理论模型;②采用COMSOL Multiphysics软件对基于微液滴介质的微型静电式振动发电机的Teflon驻极体电场分布和微液滴在微腔体中的运动过程进行模拟仿真,在此基础上开展了该微型静电式振动发电机的系统级仿真;③研制出了基于微液滴介质的微型静电式振动发电机的宏尺寸原理样机,对原理样机进行了测试:在加速度为2g,负载为1M?情况下,工作频率为3Hz,输出电压峰-峰值为1.21V,输出功率为0.73μW;④开展了基于微液滴介质的微型静电式振动发电机的MEMS加工工艺探索研究,完成了版图设计。
毛新华[10]2016年在《双稳态压电振动发电机关键技术研究》文中指出为了保障电力供应系统的连续供给,发电设备和供电设备都需要具有远程监测、故障诊断与故障恢复能力。但是这些电力设备的特点是数量多、分布广、工作环境恶劣,使得用于监测电力设备的无线传感器网络节点难以获得可靠、持久、稳定的电源。基于压电效应的双稳态压电振动发电机能够将环境中的振动能量转换为电能,可以为无线传感器网络节点等低功耗的电子设备无限、持续地供电,有效解决了无线传感器网络节点在恶劣环境中电力供给难题。本文以提高双稳态压电振动发电机在不同激励环境下的发电能力为目标,采用理论建模、数值仿真和实验验证的研究方法,对双稳态压电振动发电机系统关键技术进行了深入研究。主要研究内容及成果如下：(1)基于单自由度双稳态压电振动发电结构的机电耦合模型研究。建立双稳态压电振动发电机系统的集总参数机电耦合模型,通过引入模型修正因子,降低了悬臂梁分布质量引起的集总参数模型误差。基于悬臂梁在大挠度变形时应变与位移的非线性,提出改进的计算双稳态压电振动发电机模型参数的方法,降低了系统刚度系数、阻尼系数、机电耦合系数非线性变化引起的模型误差,实验结果表明,改进后的模型参数计算方法提高了电压的计算精度。(2)基于系统的机电耦合模型,研究了双稳态压电振动发电机系统动力学特性和发电特性。对系统动力学特性研究结果表明：当激励频率由小到大变化时,双稳态压电振动发电机系统先后经历小幅周期运动、大幅周期运动、倍周期运动和混沌运动,最后又回到小幅周期运动；当激励幅值由小到大变化时,双稳态压电振动发电机系统先后经历小幅周期运动、大幅周期运动、混沌运动、倍周期运动,最后又到混沌运动。对系统发电特性研究结果表明：大幅周期运动和混沌运动状态下系统输出的开路电压能够满足能量管理电路对输入电压的要求,且大幅周期运动状态下双稳态压电振动发电机输出电压的有效值最大,实验结果表明,同样的负载条件下,大幅周期运动状态下双稳态压电振动发电机的输出功率最大。(3)基于系统幅值阈值设计的难点,开展对双稳态压电振动发电机系统幅值阈值优化研究。分析双稳态振动系统幅值阈值求解方法,推导计算双稳态压电振动发电机系统幅值阈值的表达式。研究激励频率、磁间距、悬臂梁几何参数等因素对双稳态压电振动发电机系统幅值阈值的影响规律,提出双稳态压电振动发电机系统幅值阈值的优化方法,并对优化效果进行实验验证。(4)提出二自由度双稳态压电振动发电机结构,通过增加弹性装置,放大作用于悬臂梁上的激励振幅。基于二自由度双稳态压电振动发电机新结构,构建其系统的动力学模型,并对二自由度双稳态压电振动发电机的动力学特性和发电特性进行了研究。仿真和实验的结果表明：与单自由度双稳态压电振动发电机相比,二自由度双稳态压电振动发电机系统幅值阈值更小、频率下限值更低,这表明二自由度双稳态压电振动发电机更适宜收集低频、低幅值的振动能量。
参考文献：
[1]. 微型振动式发电机的基础理论及关键技术研究[D]. 温中泉. 重庆大学. 2003
[2]. 基于MEMS的微型振动式发电机系统的研究[D]. 刘雪花. 重庆大学. 2006
[3]. 适用于无线传感器网络节点的振动供电方式的研究[D]. 赵晓艳. 太原理工大学. 2013
[4]. 提高压电振动发电机发电能力的理论及关键技术研究[D]. 闫震. 华北电力大学. 2012
[5]. 径向磁化的永磁振动发电机的结构设计与样机制作[D]. 王福强. 河北工业大学. 2010
[6]. 变刚度双稳态电磁式振动发电机的研究[D]. 朱沛. 太原理工大学. 2013
[7]. 基于驻极体的振动式静电微型发电机研究[D]. 唐彬. 重庆大学. 2008
[8]. 超级电容器在MEMS振动发电机中的应用[C]. 刘雪花, 温志渝, 温中泉, 刘妤. 中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集（一）. 2005
[9]. 基于微液滴介质的微型静电式振动发电机关键技术研究[D]. 何渝. 重庆大学. 2010
[10]. 双稳态压电振动发电机关键技术研究[D]. 毛新华. 华北电力大学(北京). 2016
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