项目名称: 具有Halbach磁势能阱的低频多维度抗磁悬浮振动能量采集

项目编号: No.51475436

项目类型: 面上项目

立项/批准年度: 2015

项目学科: 机械、仪表工业

项目作者: 苏宇锋

作者单位: 郑州大学

项目金额: 85万元

中文摘要: 微型振动能量采集器大多以机械连接方式设置活动件,导致能量耗散;并且通常只响应某单个方向的振动激励,采集效率低。本课题采用Halbach磁势能阱、热解石墨和中空永磁体构建抗磁悬浮系统,结合微纳跨尺度三维线圈用于振动能量采集。主要研究内容有:分析抗磁悬浮系统的静态特性、动态特性、非线性特性与低频多维度振动响应机理,并加以利用改善能量采集效率;研究三维微纳结构线圈的电磁增强与传导机理和外界激励与线圈输出特性的关系;建立抗磁悬浮振动能量采集系统的多物理场耦合分析模型;研究能量管理电路,分析微弱交流电压信号的有效转换与能量采集器输出功率的最大化;抗磁悬浮振动能量采集器的微加工工艺研究与性能测试。本研究采用抗磁悬浮结构和微纳跨尺度三维结构线圈,实现多维度低频振动能量采集,提高能量采集效率,为低频多维度微型电磁振动能量采集提供理论和实验支撑,在物联网系统、无线传感器及微纳生物自治系统中有重要应用意义。

中文关键词: 微纳机电系统;振动能量采集;抗磁悬浮;低频;多维度

英文摘要: In micro vibration engery harvters,most moving parts are linked to a base through mechanical connnection, which leads to extra dissipation of energy and thus limits the efficiency of the micro energy harvesters.At the same time, most energy harveters are designed for only one direction excitation. In this study, Halbach magnetic potential well, pyrolytic graphite and hollow permanent magnet are adopted to construct diamagnetic levitation system, which is used to convert environmental vibration energy to electricity.The main task includes,(1)using magnetic-mechanical coupling analysis to study the static ,dynamic and nonlinear characteristic of the levitation system,optimizing the arrangement of the upper and lower diamagnetic structre and the lifting permanent,and study the response of the levtiation sysytem to vertical and horizontal excitation,then analyze low-frequency multi-dimensional vibration energy harvesting based on the levitation in Halbach magnetic potential well,(2)the overall characteristic of the coil consisting of micrometer-scale conducting wire and nanometer-scale 3D structure,(3) the mechanisim of energy harvesting for the sysytem based on systmatical simulation among mechanical,magnetic and electric domains ,studying the relation between exteral vibration excitation and the output voltage and power of the harvester, constructing the multiphysical model of the energy havester,optimizing the overall stucture design(4)to study the energy management circuit for the energy harvester, especially explore the transoforming circuit for low-voltage AC signal ,and the control policy for maximum power output of the energy harvesting system,(5)the MEMS fabrication and testing of the energy harvester.Diamagnetic levitation and micro-nano hybrid structured coil are introduced into this study,which is potential to scavenge energy from low-frequency multi-dimentional vibration.This research is aimed to improve the efficiency of micro vibration energy harvester and provide theorectical and experimental basis for low-frequency multi-dimensional energy harvesting system based on diagmagnetic levitation. The result of the project is of important value for electronic network systems, wireless sensors and stand-alone bio micro/nano electromechanical systems.

英文关键词: Micro/nano electromechanical system;vibration energy harvesting;diamagnetic levitation;low-frequency;multi-dimensional

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