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、無線電技術的飛速發(fā)展，手機、數碼相機、筆記本電腦等電子產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，即利用化學能電池作為主要的能量供應裝置。雖然化學能電池有其方便之處，但需要經常更換、浪費材料、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，將振動能轉化為電能。由于該裝置具有結構簡單，加工方便，不會

2、向環(huán)境中排放有毒有害物質，限制條件少等優(yōu)點，已經成為一種新型的節(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，其中，頻率是個至關重要的因素。當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到峰值。因此，壓電發(fā)電裝置的結構設計與所涉及的應用環(huán)境是密切相關的，所設計的結構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量塊來降低結構的諧振頻率，但延長梁的長

3、度在微機電系統(tǒng)中顯然是不合理的，沒有足夠的空間，增加質量塊來降低結構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構裝置。通過將直梁改為螺旋形，并在其上布置可以滑動的質量塊，通過質量塊的滑動可以很方便地調節(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行了實驗測試，同時對發(fā)電裝置進行了模態(tài)分析和動態(tài)發(fā)電特性分析。實驗測試結果表明，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果和實驗測試結