车辆随机振动激励下永磁振动发电的模型与实验研究

永磁振动发电是绿色环保的新型电源技术，可解决工作环境中存在振动的分布式传感器和无线通讯系统等的供电问题，是我国实施可持续发展能源战略的重要组成部分。车载设备的振动环境比较复杂，属于随机振动的范畴。课题拟根据拾振机构的不同建立永磁振动发电机的系统模型，对车辆随机振动激励下定子与振子的相对位移和速度响应进行研究，构建位移响应与振动激励之间的互相关函数和互功率谱密度函数。结合系统模型和含永磁体的磁场有限元模型，确定永磁振动发电机的动态磁场计算模型，再根据输出电动势模型，可构建车辆随机振动激励下永磁振动发电的机电耦合模型，以揭示其机电耦合规律。基于车辆的振动环境设计并制作永磁振动发电机样机，在实验台和车辆振动环境下进行测试，对永磁振动发电的机电耦合规律进行实验研究。.通过研究可为永磁振动发电机在车辆随机振动激励下的工程应用奠定理论和实验基础，为其设计与开发提供指导。

获得的研究成果主要包括：.(1)理论研究：a) 在直线式振动发电机的基础上，基于质量-阻尼-弹簧模型建立了振动发电机的非线性系统模型。在系统模型中对磁力作了部分线性化，将感应电流作用产生的磁力等效为非线性阻尼，由于较大的非线性磁力的作用，系统模型具有非常明显的非线性特征。b) 结合非线性方程求解理论，对系统的相轨迹进行分析，预测系统的动态特征。为获得较大且稳定的响应，通过设置弹簧刚度、质量、阻尼参数，使系统具有稳定的极限环，防止系统在随机振动激励下进入混沌状态。c) 在随机振动激励下，采用傅里叶变换和功率谱密度函数分析输入振动、动子与定子的相对位移、输出电压、共轭阻抗匹配下的输出电流，获得系统响应的统计特征。d)机电转换效率分析。仿真和实验结果均表明，对于该非线性系统，当其工作频率在固有频率附近时效率最高。e) 电能处理电路的建模与功耗分析。对超级电容充放电特征、负载阻抗与发电机阻抗参数匹配进行了计算和仿真。.(2) 实验研究：a) 搭建了比较完善的实验平台。购置了电动式振动台、振动加速度测试仪、示波器等设备，振动台具有路谱信号回放功能。b) 对车辆行进在普通城市道路、快速路上恒速和变速等条件下的振动加速度进行了测试。加速度传感器主要放置在后视镜和驾驶舱前面板等常用来固定电子设备的位置。c) 设计并制作了多款样机，进行正弦振动、路谱、随机振动等激励条件下的实验测试。d) 分别采用分立元件和集成电路模块制作了电能处理电路板。.通过本项目的研究，已培养硕士7名；发表论文16篇，其中被SCI收录4篇、EI收录6篇，电工技术学报已录用2篇并将于近期发表，Intermag2015已收录摘要1篇并在撰写全文；已授权国家发明专利和实用新型专利分别1项和7项，申请发明专利4项。此外，项目负责人将赴新加坡国立大学进行为期1年的关于振动发电技术的访问研究。.综上所述，项目基本达到了预期研究目标，课题组将继续进行振动发电技术的相关研究。