一种双稳态减速带振动俘能装置发电性能研究

摘要

本文提出一种双稳态减速带振动能量俘能装置，将屈曲梁和单向离合器引入到减速带中，分析屈曲梁产生双稳态振动的条件；根据非线性恢复力与势能方程，推导出平衡点位置、势阱深度与屈曲梁参数的关系式。建立车辆-减速带振动能量俘能装置力学模型及动力学方程，将该减速带振动俘能装置与单稳态线性俘能装置、无单向离合器的单稳态俘能装置的发电电压进行对比。结果表明：引入双稳态屈曲梁的减速带俘能装置大幅度提高了减速带振动能量的俘能效率，提升了近42%发电量；单向离合器的引入不仅实现了减速带上下两个方向的振动能量俘获，而且保证了发电机轴的单向旋转，提升了近30%发电量。分别选取常见的4种车型和5种减速带类型进行对比，结果表明：车辆越重，减速带振幅与受压激励越大，更有利于减速带振动能量的收集；增大减速带高度有助于增大俘能装置输出的发电量，相反，增大减速带宽度使发电量减小。对比装有两种转动惯量飞轮的俘能装置发电性能发现，装有小转动惯量飞轮的俘能装置输出电压大于装有大转动惯量飞轮的俘能装置输出电压。此外，发电量随着负载阻值的增大呈现先增后减的趋势，1Ω的负载电阻可使俘能装置产生最大的发电量。当增速比小于40时，系统输出功率随增速比的增加增长较快；当增速比位于40到50时，输出功率增长缓慢。

关键词

减速带 / 双稳态 / 单向离合器 / 车辆 / 发电性能