[发明专利]一种悬臂梁式磁-机-电复合式混合能量采集器建模方法

说明书

本发明公开了一种悬臂梁式磁‑机‑电复合式混合能量采集器建模方法，包括了能量采集器、带磁质量块磁‑机‑电悬臂梁式理论模型、尖端永磁体电磁力及磁致伸缩力分析、带磁质量块磁‑机‑电能量采集器模态分析，建立推导了能量采集器分布式线性理论模型，对该模型的多场耦合关系、磁场能量的采集效率、部分压电覆盖模式、偏置磁场对该材料输出效应的影响、等方面进行分析；能量采集器由单层压电材料、磁致伸缩梁、固定端、永磁铁、尖端磁质量块、负载电阻组成，永磁铁和尖端磁质量块之间采用相同极化方向放置以提供磁致伸缩材料正常运行所需偏置磁场，尖端磁质量块用于控制振动频率和输出功率，采集导线周围低频磁场。

技术领域

本发明涉及磁-机-电复合式混合能量采集器领域，尤其涉及一种悬臂梁式磁-机-电复合式混合能量采集器建模方法。

背景技术

混合能量采集技术，即采集自然界中的多种能量，如电磁能、振动能、热能、光能等；主要用于解决传统供能方式的弊端，实现器件自供能。输电线周围存在大量的电磁能，因此，基于交流线缆的能量采集一直都是机构和学者的研究热点。电力传输采集的能量可以以电能的形式为一些微型传感器进行供能，利用压电效应的能量采集器是最有前途的候选技术之一。其次还有电磁式、静电式、压电式能量采集器。在四种振动发电技术中，各有其应用场合与优缺点，因此有必要对一种将以上的能量采集技术进行组合的复合式能量采集器进行研究分析。

2016年，李志宏等人设计了一种新型的杆状压电-电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型，推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真，并设置压电片内阻值及其他参数条件，对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型，理论上输出功率提高了38.2％和4.74％。2018年。Xueping Xu等人提出了一种基于磁致伸缩-压电复合式振动部分覆盖悬臂梁的混合能量收集方法，研究了在同等频率下简谐振动与交流磁场相位差对能量采集器性能的影响，分别测试了Galfenol合金和镍合金的能量收集性能。并论证了偏执磁场可以稳定提升复合器件的输出性能，但没有以偏执磁场为变量研究器件最优解。2017年Oskar Z.Olszewski等人报道了一种低频振动磁-电能量采集器，该采集器为由压电材料、永磁体材料等组成的悬臂梁式结构，可从负载交流电流的导线中收集能量。当靠近交流载流导线时，磁铁与导线的交流磁场耦合，使悬臂振动并发电。该器件采用微机电系统技术，在采用最佳负载时可得到1.5μW的平均功率输出，2020年Rammohan Sriramdas等人设计了一种磁 -机-电(MME)采集器，可从极低频磁场中采集能量，MME采集器由压电和磁致伸缩材料以及永磁尖端质量组成的复合悬臂吸收交流磁场，以固定频率谐振，并提出了一种可以在任何情况下维持期间共振频率的理论方法，与传统结构相比，具有分布式的MME收割机的发电性能提高了280％。但是没有考虑混合激励、偏置磁场及给出器件的详细理论模型分析。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种悬臂梁式磁-机-电复合式混合能量采集器建模方法，以磁致伸缩/压电/永磁体悬臂梁式混合能量采集器为研究对象，通过数学建模、分析对比、有限元仿真等方式，建立推导了该采能器分布式线性理论模型，对该模型的多场耦合关系、磁场能量的采集效率、部分压电覆盖模式、偏置磁场对该材料输出效应的影响、等方面进行讨论。

为了实现上述目的，本发明提供的一种悬臂梁式磁-机-电复合式混合能量采集器建模方法是这样实现的：