CN110083911B - 一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法，先将电磁式振动能量回收系统抽象为单自由度弹簧质量阻尼的动力学系统模型；再测量电磁式振动能量回收系统的内部电阻、反电动势系数、弹簧刚度、负重质量、增速器速比和系统机械阻尼；然后以外接电路电阻，激励频率比为优化对象，建立以外接电路阻尼和激励频率为参数的电磁式振动能量回收系统的俘能模型；再对俘能模型进行最优解析求解，计算最优外接电路阻抗，最优激励频率比，最优弹簧刚度，以及增速器速比；最后根据最优解析结果，对实际俘能系统进行参数优化调节；本发明具有实用性和准确性的优点。

Description

一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法

技术领域

本发明涉及能量收集系统优化技术领域，具体涉及一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法。

背景技术

电磁式振动能量俘获系统的结构通常有四部分：安装基础、配重、弹簧和能量转换部件，其利用配重在安装基础激励下的受迫振动驱动能量转换部件中的磁铁和线圈产生相对运动来产生电能。

传统的电磁振动能量回收系统的建模优化是以激励频率比和全电路等效阻尼为主要优化对象，根据经验调节激励频率比为共振点附近某值，根据模型得到俘能功率图像寻求最优外接电阻。但是在实际操作中，经验带入的人为不确定因素较多，全电路等效阻尼中的内部电阻不便于优化调参，根据传统模型和图像寻优有很大的误差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法，具有实用性和准确性的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法，包括以下步骤：

第一步，将电磁振动能量回收系统抽象为单自由度弹簧质量阻尼的动力学系统模型；

第二步，测量电磁振动能量回收系统的系统参数，系统参数包括内部电阻、反电动势系数、弹簧刚度、负重质量、增速器速比和系统机械阻尼；

第三步，基于第一步抽象的动力学系统模型，以外接电路电阻，激励频率比为优化对象，建立以外接电路阻尼和激励频率为参数的电磁振动能量回收系统的俘能模型；

第四步，对俘能模型进行最优解析求解，代入第二步实测的系统参数，计算最优外接电路阻抗，最优激励频率比，最优弹簧刚度，以及增速器速比；

第五步，根据第四步得到的最优解析结果，对电磁振动能量回收系统进行参数优化调节。

所述的第三步中建立以外接电路阻尼和激励频率为参数的电磁式振动能量回收系统的俘能模型，表示为：

式中：P——俘获能量；c_R——外接电路等效阻尼；ω——激励频率；m——负重质量；X₀——激励位移；k——悬挂弹簧刚度；c_m——机械阻尼；c_r——内阻等效阻尼；

其中电路各阻尼为：

式中：R——外接电路总电阻；K——电机反电动势系数；r——电路总内阻；r_d——旋转半径；N——增速器速比；

对俘能模型做无量纲化处理有：

式中：ω_n——系统固有频率；ξ_m——机械阻尼比；α——激励频率比。

所述的第四步的具体计算为：

式中：ξ——系统总阻尼比。

所述的电磁振动能量回收系统的外接电路阻抗只显示电阻特性，不显示感抗或者容抗特性，或者感抗和容抗影响忽略不计。

所述的电磁振动能量回收系统的建模优化方法不仅适用于简谐位移激励下单自由度电磁振动能量回收系统，还适用于随机激励下电磁振动能量回收系统，或者多激励多自由度系统。

本发明的有益效果为：

1)本发明将电磁振动能量回收系统的俘能模型直接表达为实际中便于调节的激励频率比和外接电路阻抗的函数，可以直接应用于电磁振动能量回收系统的调试优化。

2)本发明避免了人为不确定因素的影响，可以准确的得到不同实际条件下最优激励频率比和最优外接电路阻抗。

3)本发明简化了最优功率点外部电路阻抗和激励频率比的优化过程，使得解析更加准确可靠易懂。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明实施例电磁振动能量回收系统的结构示意图。

图3是本发明实施例抽象为单自由度弹簧质量阻尼的动力学系统模型。

图4是本发明实施例的动力学系统模型仿真曲线。

图5是本发明实施例的实验阻抗匹配曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参照图1，一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法，包括以下步骤：

第一步，将电磁振动能量回收系统抽象为单自由度弹簧质量阻尼的动力学系统模型，参照图2，图2是本实施例电磁振动能量回收系统的结构示意图，图2中齿轮、齿条将往复直线运动转变为旋转运动，通过传动轴经过增速器输入发电机发电；参照图3，图3是本实施例的动力学系统模型，其中系统等效质量为m，弹簧刚度为k，系统总阻尼为c,其中机械阻尼为c_m，电路内阻等效阻尼c_r，电路外阻等效阻尼c_R，位移激励为X₀＝Asinωt，内部电路阻抗为r，外部电路阻抗为R；

第二步，测量电磁振动能量回收系统的系统参数，系统参数包括内部电阻r＝2Ω、反电动势系数K＝0.005V/(r/min)、弹簧刚度k＝5000N/m、负重质量m＝8.2kg和系统机械阻尼c_m＝8N/(m/s)，齿轮动力输入半径r_d＝0.018m、增速器速比N＝25。

第三步，基于第一步抽象的动力学系统模型，以外接电路电阻，激励频率比为优化对象，建立以外接电路阻尼和激励频率为参数的电磁振动能量回收系统的俘能模型；

电磁振动能量回收系统利用阻尼作用从外界获取能量，其中由外接电路阻尼俘获的能量能被有效利用，所以根据基本物理原理能够建立以外接电路阻尼和激励频率为参数的电磁式振动能量回收系统的俘能模型，表示为：

式中：P——俘获能量；c_R——外接电路等效阻尼；ω——激励频率；m——负重质量；X₀——激励位移；k——悬挂弹簧刚度；c_m——机械阻尼；c_r——内阻等效阻尼；

其中电路各阻尼为：

式中：R——外接电路总电阻；K——电机反电动势系数；r——电路总内阻；r_d——旋转半径；N——齿轮箱速比；

对俘能模型做无量纲化处理有：

式中：ω_n——系统固有频率；ξ_m——机械阻尼比；α——激励频率比；

第四步，对俘能模型进行最优解析求解，代入第二步实测的系统参数，计算最优外接电路阻抗，最优激励频率比，最优弹簧刚度，以及增速器速比；

式中：ξ——系统总阻尼比；

代入第二步实测数据计算外阻R＝47.73Ω，参照图3，图3是本实施例的动力学系统模型仿真曲线，可以看出理论结果，仿真结果与实验结果相近在误差范围内；最优激励频率比计算类似；

第五步，根据第四步得到的最优解析结果，对电磁振动能量回收系统进行参数优化调节，参照图4，图4是本实施例的实验阻抗匹配曲线，其中实线为插值曲线，可以看到在50Ω附近实验得到最大输出功率。

所述的电磁振动能量回收系统的建模优化方法不仅适用于简谐位移激励下单自由度电磁振动能量回收系统，还适用于随机激励下电磁振动能量回收系统，或者多激励多自由度系统。

Claims (4)

1.一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将电磁振动能量回收系统抽象为单自由度弹簧质量阻尼的动力学系统模型；

第二步，测量电磁式振动能量回收系统的系统参数，系统参数包括内部电阻、反电动势系数、弹簧刚度、负重质量、增速器速比和系统机械阻尼；

第三步，基于第一步抽象的动力学系统模型，以外接电路电阻，激励频率比为优化对象，建立以外接电路阻尼和激励频率为参数的电磁式振动能量回收系统的俘能模型；

第四步，对俘能模型进行最优解析求解，代入第二步实测的系统参数，计算最优外接电路阻抗，最优激励频率比，最优弹簧刚度，以及增速器速比；

第五步，根据第四步得到的最优解析结果，对电磁振动能量回收系统进行参数优化调节；

所述的第三步中建立以外接电路阻尼和激励频率为参数的电磁式振动能量回收系统的俘能模型，表示为：

式中：P——俘获能量；c_R——外接电路等效阻尼；ω——激励频率；m——负重质量；X₀——激励位移；k——悬挂弹簧刚度；c_m——机械阻尼；c_r——内阻等效阻尼；

其中电路各阻尼为：

式中：R——外接电路总电阻；K——电机反电动势系数；r——电路总内阻；r_d——旋转半径；N——增速器速比；

对俘能模型做无量纲化处理有：

式中：ω_n——系统固有频率；ξ_m——机械阻尼比；α——激励频率比。

2.根据权利要求1所述的一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法，其特征在于：所述的第四步的具体计算为：

式中：ξ——系统总阻尼比。

3.根据权利要求1所述的一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法，其特征在于：所述的电磁振动能量回收系统的外接电路阻抗只显示电阻特性，不显示感抗或者容抗特性，或者感抗和容抗影响忽略不计。

4.根据权利要求1所述的一种电磁振动能量回收系统的建模优化方法，其特征在于：所述的电磁振动能量回收系统的建模优化方法不仅适用于简谐位移激励下单自由度电磁振动能量回收系统，还适用于随机激励下电磁振动能量回收系统，或者多激励多自由度系统。

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