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)境等缺點使其越來越不能滿足應(yīng)用的需求。因此，人們將目光投向了對從環(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)境中的振動能轉(zhuǎn)換為電能，且具有無污染、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，因而受到了人們的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。但以往對壓電俘能振子的研究主要集中于對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或

2、對其儲能電路進(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)知識建立了復(fù)合俘能振子結(jié)構(gòu)與能量存儲電路耦合作用的發(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軟件對其發(fā)電性能進(jìn)行仿真分析。主要研究獨立壓電懸臂梁的功率輸出及其影響因素，獨立電磁發(fā)電的能量輸出。最后針對復(fù)合系統(tǒng)，進(jìn)行了其

4、能量輸出的仿真分析，并對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)合俘能振子的實驗樣機(jī)并進(jìn)行實驗。首先針對獨立的俘能原理進(jìn)行其能量輸出的測試，研究了其各種影響因素。然后，針對復(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；在所考察的相對高度范圍內(nèi)，存在一個使復(fù)合效果最佳的高度。最后，對復(fù)合系統(tǒng)的功率輸出進(jìn)行綜合分析，研究復(fù)合后對獨立壓電及