椭圆规启发的风力涡轮机压电能量采集器设计与超低频振动能量转换研究

本文推荐一种基于椭圆规结构的创新型压电能量采集器（EGPEH），通过磁力与几何非线性协同作用，成功实现风力涡轮机超低频（0.4-0.7 Hz）水平向振动能量的高效捕获，峰值输出功率达980.3 μW。该研究为基础设施中无线传感器网络（WSN）的自供电系统提供了创新解决方案。

　　

亮点

本工作提出的椭圆规启发式压电能量采集器（EGPEH）通过交叉滑轨、永磁体和预屈曲压电梁（PB）的协同设计，在风力涡轮机首阶模态频率范围（0.4–0.7 Hz）内实现水平向振动能量高效采集，峰值功率输出达980.3 μW。

工作原理

如图1所示，EGPEH由椭圆规轨道末端的固定磁铁、轨道内自由移动磁铁及压电梁（PB）构成。磁力与PB预屈曲状态的几何非线性共同作用，显著降低系统刚度，使其适应超低频大振幅振动环境。

机电耦合模型

基于能量法和拉格朗日方程建立动力学模型，压电材料本构关系为：

T₁^P = Y_PS₁ ? e₃₁E₃

D₃ = e₃₁S₁ + ε₃₃^SE₃

其中T₁^P为机械应力，S₁为应变。

数值模拟

通过参数化分析揭示PB宽度、厚度及负载电阻对输出性能的影响，在风力涡轮机工况下验证了磁体质量、基板尺寸等关键参数的优化效果。

实验验证

基于伺服电机-行星减速器平台构建实验系统（参数见表1），实测结果与模型预测误差<8%，证实EGPEH在水平向随机振动中的稳定能量捕获能力。

结论

EGPEH通过椭圆规结构的磁力调控机制，为风力涡轮机传感器网络提供了免维护电源方案，其单压电梁多向能量采集设计显著降低了结构复杂度。