基于諧振式懸臂梁的壓電-電磁復(fù)合俘能技術(shù)研究.pdf

1、隨著MEMS系統(tǒng)及便攜式微電子產(chǎn)品在軍事及民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，如何更好地向其供能成為了亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的化學(xué)電池由于存在壽命有限、需定期更換、污染環(huán)境等缺點(diǎn)使其越來(lái)越不能滿足應(yīng)用的需求。因此，人們將目光投向了對(duì)從環(huán)境中獲取能量的供能技術(shù)的研究?；趬弘娔芰哭D(zhuǎn)換原理的壓電發(fā)電裝置能夠?qū)h(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，且具有無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而受到了人們的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。但以往對(duì)壓電俘能振子的研究主要集中于對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或

2、對(duì)其儲(chǔ)能電路進(jìn)行研究，而較少的將壓電俘能原理與其他的振動(dòng)俘能原理相結(jié)合進(jìn)行分析。
　　因此，本文將以壓電懸臂梁為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并研究一種將壓電與電磁俘能原理相結(jié)合的新型俘能器，針對(duì)其發(fā)電性能及功率輸出進(jìn)行研究。
　　在查閱并綜合分析大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文首先對(duì)壓電-電磁復(fù)合俘能器進(jìn)行理論分析，利用彈性力學(xué)、材料力學(xué)、壓電理論與電磁學(xué)的相關(guān)知識(shí)建立了復(fù)合俘能振子結(jié)構(gòu)與能量存儲(chǔ)電路耦合作用的發(fā)電性能數(shù)學(xué)模型。并在理論分析的基礎(chǔ)上

3、，采用數(shù)值分析的方法，研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)的能量輸出情況。與傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量-阻尼模型的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析兩種模型間的差異。分析結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)模型，本文所建立的數(shù)學(xué)模型能夠更加有效的反應(yīng)復(fù)合系統(tǒng)的功率輸出與外界激振頻率間的關(guān)系。
　　在理論分析的基礎(chǔ)上，建立了復(fù)合振子的有限元仿真分析模型，利用ANSYS軟件對(duì)其發(fā)電性能進(jìn)行仿真分析。主要研究獨(dú)立壓電懸臂梁的功率輸出及其影響因素，獨(dú)立電磁發(fā)電的能量輸出。最后針對(duì)復(fù)合系統(tǒng)，進(jìn)行了其

4、能量輸出的仿真分析，并對(duì)比了壓電懸臂梁振子在復(fù)合前后能量輸出的差異。
　　最后，制作了復(fù)合俘能振子的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先針對(duì)獨(dú)立的俘能原理進(jìn)行其能量輸出的測(cè)試，研究了其各種影響因素。然后，針對(duì)復(fù)合系統(tǒng)，研究其能量輸出隨激振頻率及末端永磁體與線圈相對(duì)高度間的變化關(guān)系。結(jié)果表明，在所選頻率范圍內(nèi)，功率輸出存在峰值；在所考察的相對(duì)高度范圍內(nèi)，存在一個(gè)使復(fù)合效果最佳的高度。最后，對(duì)復(fù)合系統(tǒng)的功率輸出進(jìn)行綜合分析，研究復(fù)合后對(duì)獨(dú)立壓電及