[论文解读] Design of Energy Scavengers Mounted on Rotating Shafts

S.M. Shahruz, V. Sundararajan|ArXiv.org|Sep 16, 2008

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文提出了一种安装在旋转轴上的新型压电能量收集器，利用带有质量块的悬臂梁从旋转运动中收集振动能量。该系统同时利用参数激励和重力引起的力，研究推导出一个单自由度模型，以指导共振条件下的参数选择，并通过解析和数值示例展示了其有效的能量收集潜力。

ABSTRACT

In this paper, a novel energy scavenger is proposed. The scavenger consists of a cantilever beam on which piezoelectric films and a mass are mounted. The mass at the tip of the beam is known as the proof mass and the device is called either an energy scavenger or a beam-mass system. The beam-mass system is mounted on a rotating shaft, where the axis of the shaft is horizontal. A single-degree-of-freedom (SDOF) mathematical model is derived for the scavenger and its properties are carefully examined. From the model, it becomes clear that the rotation of the shaft and gravity cause both parametric excitations and exogenous forces which make the beam-mass system vibrate. Guidelines are provided as how to choose the scavenger parameters in order to have it resonate. Examples are given to illustrate the performance of the proposed scavenger.

研究动机与目标

• 设计一种基于振动的能量收集器，利用压电材料从旋转机械中收集电能。
• 分析安装在水平旋转轴上的梁-质量系统在参数激励和外部激励共同作用下的动态行为。
• 推导一个单自由度数学模型，以理解系统的共振条件和能量收集潜力。
• 提供设计指导，用于选择质量、刚度和旋转速度等收集器参数，以最大化输出功率。
• 通过数值示例验证模型，展示在实际运行条件下的性能表现。

提出的方法

• 将带有质量块的悬臂梁安装在水平旋转轴上，形成梁-质量系统。
• 推导一个单自由度（SDOF）动力学模型，以表示系统的横向振动。
• 模型考虑了由旋转运动引起的参数激励以及由重力引起的外部激励。
• 运动方程包含惯性力、弹性力和阻尼力，压电耦合通过电压生成项建模。
• 通过模态分析和共振条件评估，确定最优系统参数。
• 使用数值模拟和实例案例，说明在不同旋转速度和质量配置下系统的响应和能量输出。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴的旋转运动如何在梁-质量能量收集器中引起参数激励和外部激励？
• RQ2 安装在旋转轴上的压电能量收集器的主要动态行为是什么？
• RQ3 如何调节系统以实现共振并最大化能量收集效率？
• RQ4 哪些设计参数（质量、刚度、旋转速度）显著影响收集器的输出功率？
• RQ5 重力和旋转力如何相互作用，影响系统的振动幅度和发电性能？

主要发现

• 旋转轴同时引起参数激励和外部激励，显著影响梁的振动和能量收集潜力。
• SDOF模型能够准确捕捉梁-质量系统在旋转和重力共同作用下的动态行为。
• 通过将系统的固有频率调节至与旋转频率一致，可实现共振，从而提升能量输出。
• 质量块的存在增加了有效惯性，放大了振动响应，从而改善了发电性能。
• 数值示例表明，当旋转速度与系统的共振频率对齐时，能量收集效果最佳。
• 本研究为选择质量、刚度和旋转速度等参数提供了清晰的设计指导，以在实际应用中最大化输出功率。