基于壓電-摩擦電復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn).pdf

1、近年來，隨著新型能量收集器的研究和發(fā)展，高效獲取與高效轉(zhuǎn)換環(huán)境動(dòng)能為電能，并能寬頻帶工作、高功率輸出成為能量收集技術(shù)研究的新方向。如何實(shí)現(xiàn)工作頻帶拓頻，又提高能量獲取與轉(zhuǎn)換效率，是能量收集器研究的熱點(diǎn)。本文針對碰撞限幅拓頻存在能量損失，降低了能量收集器的能量獲取效率的問題，提出了一種壓電-摩擦電復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器新結(jié)構(gòu)。在分析器件結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，分析了影響復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器輸出性能的主要因素，采用ANSYS有限元

2、分析軟件完成了器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；制定了高性能介電PDMS膜和柔性PDMS質(zhì)量塊的制備方案；完成了壓電-摩擦電復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器的加工與組裝；研究了器件的測試方法，搭建了測試平臺；完成了壓電-摩擦電復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器各能量轉(zhuǎn)換單元的測試與分析：樣機(jī)在3g、24.1Hz外部激勵(lì)下，頻帶寬度約為9Hz，壓電單元的輸出功率為0.9μW，摩擦電單元的輸出功率0.287μW，樣機(jī)總輸出功率達(dá)到1.187μW，為不限幅振動(dòng)時(shí)壓電單元

3、輸出功率的90.6％。若限幅結(jié)構(gòu)無摩擦電單元，能量收集器只有壓電轉(zhuǎn)換單元，輸出功率為0.9μW，為不限幅振動(dòng)時(shí)壓電單元輸出功率的69.4%。結(jié)果表明：論文設(shè)計(jì)的壓電-摩擦電復(fù)合式寬頻帶能量收集器在拓展工作頻帶的同時(shí)，能量獲取效率與轉(zhuǎn)換提高了21.2%，提高了器件的能量獲取和轉(zhuǎn)換效率。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①分析了基于頻帶拓展、復(fù)合式機(jī)理的壓電振動(dòng)能量收集器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，確定了論文的研究目標(biāo)和研究內(nèi)容；②提出了壓電-摩擦電復(fù)

4、合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器新結(jié)構(gòu)；研究了復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器的工作原理；基于壓電懸臂梁的集總參數(shù)模型分析了影響壓電轉(zhuǎn)換單元輸出的主要因素；基于電動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論分析了影響接觸-分離式摩擦電轉(zhuǎn)換單元輸出的主要因素；③采用ANSYS有限元仿真軟件，分析了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對輸出性能的影響，確定了優(yōu)化思路，完成了器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了不同限幅高度對器件輸出性能的影響；④設(shè)計(jì)并制作了限幅拓頻結(jié)構(gòu)，制定了高性能介電PDMS膜和柔性PDMS質(zhì)量塊

5、的制備方法，完成了壓電-摩擦電復(fù)合式寬頻帶振動(dòng)能量收集器的設(shè)計(jì)、加工和組裝；⑤研究了器件的測試方法，搭建了相應(yīng)的測試平臺；完成了器件在碰撞限幅前和碰撞限幅后的性能測試與分析。測試結(jié)果表明：樣機(jī)在3g、24.1Hz外部激勵(lì)下，頻帶寬度約為9Hz；壓電轉(zhuǎn)換單元的最大輸出功率為0.9μW，摩擦電轉(zhuǎn)換單元的最大輸出功率為0.287μW，限幅結(jié)構(gòu)加入摩擦電單元比無摩擦電單元的能量獲取效率提高21.2%，該器件既實(shí)現(xiàn)壓電與摩擦電兩種俘能機(jī)理轉(zhuǎn)換，又