本文是一篇机械论文，本文提出的磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机保留了传统的风致振发电机的设计灵活的特点。通过改变钝体直径或者柔性梁长度，可以提高发电机的环境适应性，从而拓宽工作频带。
第一章 绪论
1.1 引言
自从20世纪80年代以来，我国的在线监测技术得到了迅速的发展。发展至今，现有的监测系统大都应用无线传感器网络（Wireless sensor network）技术，该技术具有集成性高，智能化程度高，覆盖的区域广，信息实时采集并对采样数据的变化随时做出响应等特征[1-3]。该技术被广泛地应用于环境保护、温室监测、地震监测、油气管道监测等领域[4-7]。目前，无线传感监测系统中的传感器节点供能常采用外接电源、铺设电缆、电池供电等方式，其中外接电源会导致仪器安装体积大，且外接电源存在一定的不可靠性问题；铺设电缆，这种方法成本高、施工麻烦、维修保养不方便，电线电缆一旦产生老化、断裂，可能导致多个监测节点装置无法工作，且电线电缆易被不法分子盗取；如果在设备中加电池，则需要及时更换、且废旧电池还会污染环境。因此，有必要寻求一种新的供电方法为无线传感监测系统供电。
为满足无线传感监测系统的供电需求和避免外接电源、电池、电缆供电所造成的体积大、成本高、环境污染等问题，基于电磁[8]、静电[9]、压电[10]、热电[11]等原理的微型发电机的研究已经成为国内外研究的热点。每类微型发电机都有其自身的特色和应用场景，压电发电机的优势在于：结构简单、寿命长、便于加工布置、易于实现微小化等优点，故适用范围更广[12-14]。利用压电发电机可以收集振动能、旋转能、流体能等各种形式的能量。流致振压电发电机能够将环境中的流体能先转化为振动能再转化成电能。从目前公开发表的文献可知，学者们研究较多的是基于悬臂梁结构的流致振压电发电机。根据流体特性和激励方式，现有的基于悬臂梁结构的流致振压电发电机可以大致分为以下三类：①流体直激式[15, 16]，利用流体与单体压电振子直接耦合产生激振力，使其弯曲变形产生电能。该方法存在明显弊端，流速低下压电振子不易被激励，而高流速下压电振子会因双向变形/变形过大而损毁；②涡轮间激式[17, 18]，利用流体能激励叶轮旋转，再经过磁力/凸起等辅助结构间接激励压电振子产生变形。
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1.2 钝体绕流式流致振压电发电机研究现状
钝体绕流式流致振压电发电机被广泛地应用在压电流体俘能领域。其主要利用基于钝体绕流的流致振动，使压电振子变形发电。而基于钝体绕流的流致振动有以下五种形式：涡激振动、尾流激振、驰振、颤振、抖振。当流体流经非流线物体时，会在其后方形成交替脱落、旋向相反的涡旋，被称为卡门涡街。涡旋的交替脱落使得物体两侧流体流速不同，形成的压力差使物体受到垂直于流体方向的横向涡激振动力，从而产生横向振动，这种现象被称为涡激振动。目前，探索的最多的就是基于圆柱绕流的流致振压电发电机，因为其具有低风速下起振的特点[22]。尾流激振则多发生沿流向方向排布的压电发电系统中，流体流经上游钝体所产生的脱落涡旋作用在下游压电振子上，使下游压电振子受到尾涡激振力而振动发电。驰振现象是由于具有棱角的钝体(如方柱、三角柱、半圆柱和D型柱等）攻角的变化造成升力失稳导致结构振动。颤振多发生在流体与柔性结构耦合的情况下，柔性体的刚度更小，受到流体及涡旋的作用时能发生更大的位移和变形。抖振则是一种不规则的振动，发生抖振时，物体会产生强烈的振动。钝体绕流式流致振压电发电机主要利用上述一种及以上形式俘获流体能。
钝体绕流式流致振压电发电机根据其钝体的数量和是否与其他结构复合又可分为单钝体绕流式，多钝体绕流式、复合钝体绕流式三种。
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第二章 磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机的理论建模与分析
2.1 发电机结构及其工作原理
针对现有的风致振压电发电机的可靠性、环境适应性和发电性能等方面存在的弊端，提出一种磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机，其结构示意图如图 2.1所示，主要由压电振子、垫块、钝体、柔性梁、激励磁铁及受激磁铁等组成。压电振子（由压电片和金属基板粘接而成）的自由端连有垫块，垫块的另一面顶靠在柔性梁(弹性支撑)上。由于连有垫块的压电振子通过预弯装配有一定的弯曲曲率，故称为预弯压电振子。柔性梁的自由端连有圆柱钝体，将柔性梁支撑的钝体和柔性梁两侧的两个预弯压电振子的组合称为组合换能器。钝体的另一端通过螺栓连接受激磁铁，激励磁铁对称安装在受激磁铁的两侧，激励磁铁与受激磁铁相互吸引/排斥。
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2.2 发电机的动力学建模与分析
虽然风致振压电发电机已经有较多的理论研究成果可以借鉴，但本文提出的磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机属新的结构，故需要从理论上研究其响应特性。
本节将利用MATLAB数值仿真和COMSOL仿真相结合的方法，获得磁铁配置（极性、磁铁横向间距及纵向间距）对系统势能函数的影响规律。获得影响规律后便可以针对各种外部激励环境下的风致振压电发电机进行调幅，改善其环境适应性和发电能力。
磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机与一般风致振压电发电机的区别，是在于引入了非线性磁力，在合理的磁铁配置下，发电机系统会具有两个可以改变其动力学响应特性的特殊势阱[44]。而这两个势阱又源于其特有的势能函数[45]。
当发电机受到相对较大的外部激励时，系统就会获得足够的动能脱离势阱，并在两个势阱间做大幅的往复运动，即阱间运动；当其受到的外部激励相对较小时，系统就会因为无法获得足够的动能而被束缚在某一个势阱中，只能在某一个势阱中做小幅度的运动，即阱内运动。所以阱间运动和阱内运动并不是相互独立的，二者可以通过改变外部激励的幅值、频率进行相互转换。此外，通过改变磁铁空间位置排布改变势阱特性也能达到二者相互转换的目的。
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第三章 磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机的有限元仿真 ............................. 25
3.1 组合换能器的有限元模型 ...................................... 25
3.2 组合换能器的静力学特性及其影响因素 ......................... 28
第四章 磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机的试验研究 ....................................... 47
4.1 试验样机的制作及测试平台的搭建 ........................... 47
4.2 发电机的电压测试与分析 ..................................... 50
第五章 总结与展望 ................................... 65
5.1 论文研究总结 ....................................... 65
5.2 后续工作展望 ............................................ 66
第四章 磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机的试验研究
4.1 试验样机的制作及测试平台的搭建 根据发电机的预期功能及相关理论研究结果，设计了如图 4.1所示的样机，样机主要由柔性梁、压电振子、钝体、支撑及磁铁等组成。样机中所用的压电振子是商用的圆形压电振子，压电振子由金属基板和PZT-4压电片粘接而成，压电振子一端通过螺栓连接有合适长度的铍青铜梁，构成压电复合梁。样机其他部分的结构尺寸围绕压电复合梁的结构尺寸来进行设计。根据f k/m，柔性梁的刚度较小时能够获得更低的固有频率。为了降低起振风速，柔性梁采用足够长且较薄的铍青铜材料。同样地，为了降低起振风速，圆柱钝体选用密度较大的有机玻璃材料 (Polymethyl methacrylate，PMMA)，可增加样机的质量，从而降低起振风速。柔性梁用线切割机加工而成，并进行热处理，先在700℃的马弗炉中保温20min，之后等马弗炉内温度自然冷却至室温后取出。考虑样机在试验中需要承受较大风速，所以支撑的材料选用铝板（数控铣床加工而成）。
样机的具体安装方式如下：厚度为1mm铝板通过螺栓被连接在厚度为2mm铝板的1mm深的凹槽里，凹槽中嵌有柔性梁（保证以柔性梁的中性面为基准，样机左右两边是基本对称的）。两块铝板的另一侧分别通过螺栓连接厚度为2mm的铝板夹持压电振子。柔性梁的自由端连接有圆柱钝体，但柔性梁和圆柱钝体并不是直接连接的。圆柱钝体上先通过无影胶粘接在有带孔的连接块（同样是有机玻璃材料），柔性梁（带孔）通过螺栓连接到连接块上，这样使得钝体和柔性梁之间有良好的连接和过渡。圆柱钝体前端通过螺栓连接有带孔的圆形磁铁（受激磁铁），另两个圆形磁铁（激励磁铁）则通过螺栓固定在角铁上，角铁（利用角铁可灵活调整激励磁铁的位置）通过螺栓固定在带孔的横板，横板的两端则固定在型材搭建的支撑上。样机的具体结构尺寸参数见表 4-1。
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第五章 总结与展望
5.1 论文研究总结
为提高风致振压电发电机的可靠性、环境适应性以及发电能力，满足无线传感监测系统的自供电需求，提出一种磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机，为证明其可行性，从理论仿真及试验两个方面对其发电性能进行了研究，研究结果证明该发电机不仅具备一定的可靠性和环境适应性，而且具有良好的发电性能。具体的研究工作和结论如下：
(1) 介绍了磁耦合调幅式圆柱绕流风致振压电发电机的结构和工作原理。在此基础上，建立了发电机的动力学模型，获取了影响振动响应特性的要素。最后，通过对势能函数进行分析，获得了磁铁配置（磁铁极性、磁铁横向间距及纵向间距）对系统势能的影响规律。结果表明：
①建立了发电机的动力学模型，并给出了响应函数表达式。由表达式可知，发电机的振动响应特性主要受发电机结构、材料参数、磁力及升力等要素的影响。
②发电机中的磁铁配置对系统势能曲线有较大的影响。当磁铁相吸时，存在最佳磁铁纵向间距使得发电机形成有效的双稳态振动；随着磁铁横向间距增大，势能曲线同样从双势阱变成了单势阱，不利于产生双稳态振动。当磁铁相斥时，随着磁铁纵向间距增大，势能曲线从双势阱变成了单势阱，不利于产生双稳态振动；势能曲线随着磁铁横向间距的变化始终只有一个势阱，但磁铁横向间距适中时,其势能曲线的势阱比无耦合磁力时更缓，有利于发电机产生振动。
参考文献（略）