【摘要】：為滿足旋轉機械監(jiān)測系統(tǒng)的自供電需求,提出一種由旋轉磁鐵與壓電梁端磁鐵耦合激勵(簡稱旋磁激勵)的新型壓電懸臂梁發(fā)電機。建立磁力沖擊載荷作用下壓電梁動態(tài)響應模型,通過數(shù)值分析方法獲得轉速、載荷作用時間以及周期比(載荷作用時間與振動周期之比)對壓電梁動態(tài)響應特性(響應波形及放大比)的影響規(guī)律。結果表明,低速時屬于脈沖激勵,壓電梁不發(fā)生共振,而高速時屬周期激勵且存在多個最佳轉速使放大比最大。此外,周期比給定時存在最佳轉速使放大比最大,轉速固定時存在最佳周期比使放大比最大、且最佳周期比隨轉速增加而增加。在此基礎上,測試分析旋轉磁鐵轉速/磁鐵厚度以及壓電梁端附加質(zhì)量對發(fā)電機發(fā)電能力及特性的影響規(guī)律,證明旋磁激勵式發(fā)電機原理的可行性及理論分析結論的合理性;此外,通過確定合理的沖擊載荷或采用多個具有不同諧振頻率壓電梁同步工作的方法可有效提高發(fā)電機的速帶寬度,實現(xiàn)較大轉速范圍的實時供電。
【圖文】：

較蚣だ鈊?電振子的發(fā)電機在結構及原理上均存在某些難以克服的弊端，嚴重地制約了其推廣應用，尤其不適于高速、勻速及使用空間受限等場合。針對現(xiàn)有旋轉激勵式壓電發(fā)電機所存在的問題以及高速、勻速旋轉體健康監(jiān)測系統(tǒng)的自供電需求，作者提出研究一種基于旋轉磁鐵與壓電梁端固定磁鐵耦合激勵的新型旋磁式壓電發(fā)電機，從理論和試驗兩方面研究旋磁激勵狀態(tài)下磁力大孝載荷作用時間、激勵周期及旋轉磁鐵轉速等對壓電梁動態(tài)響應特性及其發(fā)電能力的影響規(guī)律。1壓電發(fā)電機的結構及工作原理旋磁激勵式壓電發(fā)電機結構原理如圖1所示，其中由金屬基板和壓電晶片粘接而成的壓電梁一端固定在軸承蓋上、另一端安裝有“定磁鐵”和質(zhì)量塊，轉盤上安裝有一個或一組“動磁鐵”，且動、靜磁鐵的同性磁極靠近安裝。工作過程中，當轉盤上的動磁鐵與壓電梁上的定磁鐵靠近時其同性磁極間產(chǎn)生排斥力并使壓電梁軸向彎曲，旋轉磁鐵遠離后壓電梁在其自身彈性力的作用下恢復變形(或產(chǎn)生持續(xù)的自由振動)。根據(jù)壓電學原理，壓電梁發(fā)生彎曲變形的同時即將機械能轉化成電能，且所生成的開路電壓Vg與所受外力F及端部變形量δ間的關系為[6]gVFk(1)式中——與壓電梁結構尺寸及材料有關的系數(shù)；k——壓電梁的彎曲剛度。本文所提出的旋磁激勵式壓電發(fā)電機屬非接觸激勵，工作過程中不會產(chǎn)生沖擊與噪聲；激振力的大小易于通過磁力大小(磁場強度或磁鐵間距)加以調(diào)整；此外，亦可通過質(zhì)量塊大小調(diào)節(jié)壓電梁的基頻，使之與轉速相適應，故理論上可在高速及勻速時發(fā)電。因旋磁式壓電發(fā)電機承受沖擊載荷，壓電梁的動態(tài)響應及發(fā)電特性與簡諧激勵的縱振式壓電發(fā)電機都將有較大的區(qū)別，目前無任何可借鑒的相關成果，尚需要進行大量的理論與試驗研究。圖1旋磁

146機械工程學報第50卷第8期期x(t)——壓電梁彎曲變形時其上磁極的偏移量(其大小取決于壓電梁結構參數(shù)、兩磁鐵間磁力及激勵頻率)；1m,2m——安裝于轉盤和壓電梁端磁鐵的磁矩，與磁鐵厚度成正比。圖2壓電梁的激勵過程與原理簡圖根據(jù)圖2所示發(fā)電機的激勵過程及原理，載荷函數(shù)為msmm20m4mm0()03sin02[()]0FtTfttTmttTlxtTtT(3)式中λs——動-定磁鐵重疊面積與磁鐵總面積之比；smsintT。2r0r1mrhB；h——圓磁鐵厚度；r——相對磁導率；B——剩磁。顯然，動磁鐵與定磁鐵之間切入前與切出后s0，完全重疊時s1。式(3)表明，壓電梁某一時刻所受外力與其端部位移間存在非線性的耦合關系，，難以通過簡單的計算獲得所受外力或變形量的大校根據(jù)振動分析理論，壓電梁受沖擊作用的響應函數(shù)為[12]0n0n0dddnd0d()exp()cossin1()exp(())sin()dtxxxttxttfttm(4)式中0x——初始位移；0x——初始速度；c/(2kM)為阻尼比；c——阻尼系數(shù)；m'——總質(zhì)量；yzcmmmm；ym——壓電梁質(zhì)量；zm——質(zhì)量塊質(zhì)量；cm——定磁鐵質(zhì)量；nk/m，無阻尼時，壓電梁的基頻；2dn1有阻尼時，壓電梁的基頻。當壓電梁受初次激勵時，0x0、0x0，則根據(jù)式(4)可得其動態(tài)放大比(亦稱放大因子)mnd0dmmnd0dmmsinexp()sin()d0sinexp()sin()dtTkttmTtTkttmTtT(5)式(5)表明，沖擊載荷作用下壓電梁的放大系數(shù)(影響發(fā)電特性)受諸多因素的影響，如壓電梁結構?

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