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微型抗磁悬浮振动能量采集器宽频响应研究

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 振动能量采集器的分类

1.3 能量采集器宽频响应研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 能量采集器静平衡特性

2.1 采集器结构与工作原理

2.2 静态受力分析

2.3建模仿真与数值分析

2.4稳态类型与石墨板间距的关系

2.5 结构参数变化对平衡位置影响

2.6 本章小结

3 线圈参数的选择

3.1 线圈参数

3.2 线圈内产生电压的理论分析

3.3 COMSOL下输出电压的仿真计算

3.4线圈参数变化对输出特性的影响

3.5 本章小结

4 电磁力和空气阻力的计算

4.1 电磁力

4.2空气阻力

4.3本章小结

5 外界激励下能量采集器的输出特性

5.1 动力学方程研究方法

5.2永磁体振动响应

5.3采集器能量输出特性

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

个人简历、在校期间发表学术论文及研究成果

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摘要

随着当今信息技术的高速发展,信息资源的不断融合,电子产品设计制造成本的不断降低,使得其更新速度和更新空间不断增大。目前这些产品趋向于微型化、集成化、无线化和便携化,但是在供电问题目前可靠的解决方案仍是传统电池,有效电源以及微电池。随着人们对环境保护,人机工程,以及效率成本重视程度的不断提高,这些供电方式存在的固有局限也逐渐地暴露出来,因此能量采集技术受到人们越来越多的关注。
  本文研究抗磁悬浮微型振动能量采集器的宽频响应特性。首先介绍了其结构模型和工作原理,其次对系统内部受力进行理论分析。利用有限元软件COMSOL Multiphysics对磁力和抗磁力进行仿真并通过数值分析的方法计算出其平衡位置,发现了单稳态和双稳态现象,通过实验予以验证,并分析了结构参数的变化对平衡位置的影响。
  其次,从理论和仿真两个方面对抗磁悬浮振动能量采集器的感应电压进行分析和计算,并就线圈不同的参数对输出电压和功率的影响进行了仿真分析,从功率最大的角度确定了线圈的结构参数。
  接着,在理论分析电磁阻尼力的基础上,通过响应面法将永磁体的磁场进行拟合分析,进而求出电磁力的解析式。从能量转化最大角度,确定线圈以反向反接的方式进行设置;将永磁体在能量采集器内部振动受到的空气阻力近似为一次函数,求出空气阻力的解析式。
  最后,建立系统的动力学方程,将动力学方程等效为含有高次交叉项的Duffing—van der Pol方程,通过分析影响方程中各个参数的外界条件,进而分析了采集器在开路和工作状态时,不同的稳态下,永磁体的动力学响应特性和能量输出特性。

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