基于谐振式悬臂梁的压电—电磁复合俘能技术研究

论文摘要

随着MEMS系统及便携式微电子产品在军事及民用领域的广泛应用,如何更好地向其供能成为了亟待解决的问题。传统的化学电池由于存在寿命有限、需定期更换、污染环境等缺点使其越来越不能满足应用的需求。因此,人们将目光投向了对从环境中获取能量的供能技术的研究。基于压电能量转换原理的压电发电装置能够将环境中的振动能转换为电能,且具有无污染、结构简单等优点,因而受到了人们的关注,具有广阔的应用前景。但以往对压电俘能振子的研究主要集中于对其结构进行优化或对其储能电路进行研究,而较少的将压电俘能原理与其他的振动俘能原理相结合进行分析。因此,本文将以压电悬臂梁为基础结构,设计并研究一种将压电与电磁俘能原理相结合的新型俘能器,针对其发电性能及功率输出进行研究。在查阅并综合分析大量文献的基础上,本文首先对压电-电磁复合俘能器进行理论分析,利用弹性力学、材料力学、压电理论与电磁学的相关知识建立了复合俘能振子结构与能量存储电路耦合作用的发电性能数学模型。并在理论分析的基础上,采用数值分析的方法,研究了复合结构的能量输出情况。与传统的弹簧-质量-阻尼模型的分析结果进行对比,分析两种模型间的差异。分析结果表明,相比于传统模型,本文所建立的数学模型能够更加有效的反应复合系统的功率输出与外界激振频率间的关系。在理论分析的基础上,建立了复合振子的有限元仿真分析模型,利用ANSYS软件对其发电性能进行仿真分析。主要研究独立压电悬臂梁的功率输出及其影响因素,独立电磁发电的能量输出。最后针对复合系统,进行了其能量输出的仿真分析,并对比了压电悬臂梁振子在复合前后能量输出的差异。最后,制作了复合俘能振子的实验样机并进行实验。首先针对独立的俘能原理进行其能量输出的测试,研究了其各种影响因素。然后,针对复合系统,研究其能量输出随激振频率及末端永磁体与线圈相对高度间的变化关系。结果表明,在所选频率范围内,功率输出存在峰值;在所考察的相对高度范围内,存在一个使复合效果最佳的高度。最后,对复合系统的功率输出进行综合分析,研究复合后对独立压电及独立电磁原理的俘能效果的影响,并通过比较,验证了此种复合俘能系统的发电性能。结果表明此种复合俘能结构能够有效地提高悬臂梁压电俘能器的发电能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电发电技术的研究应用现状
• 1.2.1 压电发电装置国内外研究进展
• 1.2.2 压电发电技术应用现状
• 1.3 电磁发电技术的研究及应用现状
• 1.4 复合俘能发电技术的研究现状
• 1.5 本课题研究内容
• 第2章 压电-电磁复合振动俘能系统模型研究
• 2.1 结构及工作原理
• 2.2 传统弹簧-质量-阻尼系统模型
• 2.2.1 振动俘能系统的通用模型
• 2.2.2 独立压电俘能系统的振动模型
• 2.2.3 独立电磁俘能系统的振动模型
• 2.2.4 复合俘能系统的能量输出
• 2.2.5 传统复合俘能振动模型存在的问题及局限性
• 2.3 压电-电磁复合俘能系统的振动模型研究
• 2.3.1 电磁振动俘能理论研究
• 2.3.2 压电-电磁复合悬臂梁俘能器的理论建模
• 2.4 复合俘能系统的数值分析
• 2.4.1 数值分析的基本参数
• 2.4.2 压电-电磁复合俘能系统总能量输出数值分析
• 2.4.3 复合后对独立压电梁能量输出影响数值分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 压电-电磁复合俘能系统有限元仿真分析
• 3.1 俘能振子有限元仿真分析算法
• 3.2 结构分析有限元模型
• 3.3 压电梁发电能力仿真分析
• 3.3.1 压电梁模态分析
• 3.3.2 压电梁谐响应分析
• 3.3.3 最优阻抗的分析
• 3.4 永磁发电仿真分析
• 3.4.1 永磁体二维磁场分析
• 3.4.2 永磁体感应电动势仿真分析
• 3.4.3 末端永磁体电磁阻力分析
• 3.5 复合振子俘能功率仿真分析
• 3.5.1 压电梁能量输出
• 3.5.2 复合俘能设备总的能量输出
• 3.6 本章小结
• 第4章 电磁复合型悬臂梁压电俘能器实验研究
• 4.1 俘能器实验装置的准备
• 4.1.1 俘能振子的制备
• 4.1.2 压电储能电路的制作
• 4.1.3 感应线圈绕子的制作
• 4.1.4 实验装置及平台的建立
• 4.2 俘能振子振型测试
• 4.3 俘能振子能量采集实验
• 4.3.1 独立俘能原理能量采集实验
• 4.3.2 复合俘能系统能量采集实验
• 4.4 复合俘能器能量输出的综合比较
• 4.4.1 复合系统对压电悬臂梁振子发电能力的影响
• 4.4.2 复合系统对电磁发电能力的影响
• 4.4.3 复合系统相对独立原理的发电能力比较
• 4.4.4 复合能量输出峰值随压电梁外接电阻的变化情况
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢