圓盤式壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能及其關鍵技術研究.pdf

1、近年來，隨著微機電系統(tǒng)和無線網絡技術的不斷發(fā)展，便攜式微電子產品無論是在軍事領域還是在民用工業(yè)領域都得到了廣泛的應用，但以化學電池為微電子、無線網絡和MEMS等低耗能器件的供能方式存在質量大、體積大（不利于電子產品微型化）、壽命有限、需定期更換以及由此產生的環(huán)境污染等諸多問題。因此，如何向微電子產品無線供能已經成為當前迫切需要解決的問題?；趬弘娔芰哭D換的壓電發(fā)電裝置是解決此問題的一個行之有效的方法，通過壓電發(fā)電裝置俘獲微電子器件工作環(huán)

2、境中的振動能并將其轉化為電能，從而實現為微電子器件無線供能。由于懸臂梁壓電振子直接承載能力小，不能直接應用于高載環(huán)境中。針對此問題，本文將以承載能力大且不需任何附加裝置就可直接應用于高載環(huán)境中的圓盤式壓電發(fā)電裝置為研究對象，針對幾種典型的圓盤式壓電發(fā)電裝置的理論計算模型、結構分析和輸出性能進行全面的研究。
　　鈸型壓電振子是一種典型的圓盤式壓電換能器，本文首先以鈸型壓電發(fā)電裝置為研究對象，根據碟簧理論和壓電理論，建立了鈸型壓電發(fā)電

3、裝置的理論發(fā)電模型并進行了數值模擬分析。利用有限元手段分析了其主要結構參數對壓電振子輸出電壓和諧振頻率的影響關系，針對鈸型壓電振子存在環(huán)向應力集中而導致其力電轉化效率降低的問題，提出了幾種對鈸型壓電振子進行開槽結構的優(yōu)化方式，分析了槽結構參數對其輸出性能的影響關系并確定了其中發(fā)電性能最佳的開槽形式。在此基礎上，為了研究壓電振子結構與能量存儲電路間的相互機電耦合作用，建立了鈸型壓電振子—能量存儲電路多物理場機電耦合作用分析模型，并分析了振

4、動頻率和負載對壓電發(fā)電裝置輸出性能的影響關系，為鈸型壓電發(fā)電裝置的結構設計和優(yōu)化提供理論依據。
　　接著以力電轉化效率更高的鼓型壓電發(fā)電裝置為研究對象。利用薄板振動理論和壓電理論，建立了鼓型壓電換能器的諧振頻率計算模型。將鼓型換能器作為壓電振子進行壓電發(fā)電性能研究，建立了鼓型壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能的數學模型并進行數值模擬分析。對鼓型壓電振子進行有限元仿真分析，獲得了其關鍵結構參數對鼓型壓電振子諧振頻率和發(fā)電特性的影響規(guī)律，并在此基礎

5、上，對鼓型壓電振子—能量存儲電路進行了多物理場機電耦合作用仿真分析，為鼓型壓電發(fā)電裝置的實際應用提供了理論依據。
　　在綜合考慮了這兩種壓電換能器的優(yōu)點后，提出了一種鈸鼓復合型壓電換能器，它既具有鈸型換能器高的承載能力還具有鼓型換能器高的機電能量轉化效率。首先分析了鈸鼓復合型換能器主要結構參數對其發(fā)電、變形性能和諧振頻率的影響關系，以此確定換能器合理的結構尺寸參數；然后建立復合型壓電振子—能量存儲電路的機電耦合作用分析模型，針對負

6、載和振動頻率對壓電發(fā)電裝置輸出性能的影響關系進行了研究。
　　綜合前述章節(jié)的研究內容，根據壓電振子的發(fā)電特點和實際需要，選擇并設計了合理的能量存儲電路；采用合理工藝制造了壓電振子實驗樣機，最大程度地減小工藝環(huán)節(jié)的誤差對壓電振子各項性能指標的影響；最后分別對本文所研究的幾種壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能進行實驗測試。研究結果表明，壓電發(fā)電裝置輸出功率隨振動頻率增加而增加；隨負載的增大先增大后減小，存在一個最佳的匹配負載使輸出功率達到最大，實