螺旋形壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能研究.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)、無線電技術(shù)的飛速發(fā)展，手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品極大的豐富和方便了人們的生活和工作。但在能量供給方面，依然采用著傳統(tǒng)的供能方式，即利用化學(xué)能電池作為主要的能量供應(yīng)裝置。雖然化學(xué)能電池有其方便之處，但需要經(jīng)常更換、浪費(fèi)材料、污染環(huán)境、回收困難等問題日益突出，迫切需要尋求新的供能裝置。壓電發(fā)電裝置是最為常用的振動式能量收集器，主要通過壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，將振動能轉(zhuǎn)化為電能。由于該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，不會

2、向環(huán)境中排放有毒有害物質(zhì)，限制條件少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種新型的節(jié)能環(huán)保發(fā)電裝置。
　　壓電發(fā)電裝置所采集到的能量與振動的幅值、頻率、幾何尺寸有關(guān)，其中，頻率是個至關(guān)重要的因素。當(dāng)振動頻率接近裝置的諧振頻率時，振幅最大，獲取的電壓和功率可以達(dá)到峰值。因此，壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與所涉及的應(yīng)用環(huán)境是密切相關(guān)的，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在使用時必須基于振動頻譜的基本特性。目前主要是通過延長梁的長度和在末端增加質(zhì)量塊來降低結(jié)構(gòu)的諧振頻率，但延長梁的長

3、度在微機(jī)電系統(tǒng)中顯然是不合理的，沒有足夠的空間，增加質(zhì)量塊來降低結(jié)構(gòu)的諧振頻率其效果也同樣有限。這樣，就會大大降低換能器的換能效率。針對此問題，本文提出了一種可以有效降低諧振頻率，且無需大幅度增加梁長度的新型幾何結(jié)構(gòu)裝置。通過將直梁改為螺旋形，并在其上布置可以滑動的質(zhì)量塊，通過質(zhì)量塊的滑動可以很方便地調(diào)節(jié)裝置的固有頻率，解決了現(xiàn)有壓電發(fā)電裝置諧振頻率高、外界振動頻率與裝置的固有頻率不匹配等問題，大大提高了壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力。

4、　　本文首先設(shè)計了新型的螺旋形基板，然后制作了螺旋形壓電發(fā)電裝置實物模型，并搭建試驗平臺對裝置的固有頻率和開路輸出電壓進(jìn)行了實驗測試，同時對發(fā)電裝置進(jìn)行了模態(tài)分析和動態(tài)發(fā)電特性分析。實驗測試結(jié)果表明，螺旋形壓電發(fā)電裝置的固有頻率較低，發(fā)電裝置上可以粘貼多個發(fā)電電壓都較大的壓電片。然后基于ANSYS14.5有限元軟件，建立了螺旋形壓電發(fā)電裝置的有限元分析模型，對裝置進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析及壓電耦合分析，并將有限元分析計算結(jié)果和實驗測試結(jié)