铁镓合金振动收集器的输出特性分析与能量存储方法研究

• 作 者: 马凯
• 出 处: 沈阳工业大学
• 发表日期: 2019年08期
• 关键词: 磁致伸缩振动收集 Fe-Ga合金材料 悬臂梁 能量存储电路

随着无线电通讯以及微机电系统的迅猛发展,无线传感网络节点、微处理器等功耗较低的微型器件有了较好的发展前景,但这些微型器件的能量供应问题一直是其发展的瓶颈之一。众所周知,目前微型器件采用的供电方式主要是电池供电,但由于这些器件常用于环境恶劣或者不易拆卸的场合,因此更换电池变的十分困难。环境振动作为广泛存在于自然界的一种振动能量形式,把环境中的振动转换为电能可以为微型器件的供电问题提供一种解决方法。随着对超磁致伸缩材料研究的不断探索,基于超磁致伸缩材料的能量收集技术受到各界学者和专家的关注。本文基于超磁致伸缩材料,对磁致伸缩悬臂式振动收集装置的输出特性和能量收集与存储技术进行了研究。首先,本文以磁致伸缩逆效应作为理论基础,分析比较了磁致伸缩能量收集技术的研究现状以及两种超磁致伸缩材料的振动特性,选用薄片状Fe-Ga合金作为振动收集装置的振动源材料。基于悬臂梁结构的质量-弹簧-阻尼模型建立了悬臂式能量收集装置的输出电压模型,并对收集装置外接负载电阻时的输出功率特性进行了理论分析。此外,对磁致伸缩悬臂梁进行弯曲振动分析,求出了悬臂梁自由端激励和基座激励时的振动微分方程。对磁致伸缩悬臂梁结构进行了静力分析和模态分析,通过有限元软件分析了悬臂梁结构的弯曲特性和模态特性,并对Fe-Ga合金材料尺寸对悬臂梁固有频率的影响进行了分析,此外还对自由端安装惯性块时对悬臂梁的运动特性进行了分析。然后,设计了一种能量存储电路,该电路包括:整流电路、电压调节电路以及储能管理电路,并分别对每种电路进行了设计与分析。分析了超级电容器和锂电池的储能特性,选择采用超级电容器暂时储能,采用锂电池作为最终的储能元件。最后,加工制作出实验装置样机,并分别对Fe-Ga合金悬臂式收集装置的输出特性以及能量存储电路对锂电池的充电性能进行了实验。实验结果表明:悬臂式收集装置在外接47Ω负载电阻时输出最大功率为116μW,对应的功率密度为271μW/cm³;在能量存储电路的实验中,当收集装置在67Hz频率和9.4m/s²加速度下产生的电压经整流电路后开始给超级电容器C₅充电,当C₅的电压高于0.9V时,电压调节电路和储能管理电路开始工作,为锂电池提供电能;当C₅电压低于0.9V时,电路停止工作。